微納衛(wèi)星在衛(wèi)星導(dǎo)航中的應(yīng)用探討

李獻(xiàn)球，李春霞，蔣東方

（1 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用管理中心，北京 100088；2 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

0 引言

20世紀(jì)80年代末期以來(lái)，國(guó)際上出現(xiàn)了小衛(wèi)星研究的熱潮。目前小衛(wèi)星技術(shù)已發(fā)展至第三階段，即以微米、納米技術(shù)為基礎(chǔ)，依托以提高“功能密度”為核心的系統(tǒng)小型化、輕量化和低功耗等技術(shù)，采用全新的設(shè)計(jì)思想和概念，即更高度的三維集成化、一體化、模塊化和功能軟件化，把衛(wèi)星做到100 kg左右或100 kg以下，形成所謂的微/納（即微納）衛(wèi)星[1]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于微納衛(wèi)星的研究可分為兩大方面，一是微納衛(wèi)星的研制、發(fā)射技術(shù)[2,3]；二是微納衛(wèi)星的應(yīng)用技術(shù)。微納衛(wèi)星的應(yīng)用研究包括空間信息對(duì)抗、空間天氣研究、大氣-電離層探測(cè)等[1,4,5]。本文試圖探討微納衛(wèi)星在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用。首先分析微納衛(wèi)星的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上給出微納衛(wèi)星可能的應(yīng)用領(lǐng)域及其應(yīng)用模式，包括區(qū)域增強(qiáng)、導(dǎo)航對(duì)抗、電離層觀測(cè)與試驗(yàn)等，并重點(diǎn)對(duì)區(qū)域星座增強(qiáng)應(yīng)用模式進(jìn)行了星座設(shè)計(jì)。

1 微納衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)際微納衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1.1 現(xiàn)狀

微納衛(wèi)星技術(shù)被視為 21世紀(jì)國(guó)家技術(shù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制高點(diǎn)。發(fā)達(dá)國(guó)家都十分重視微小型技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用并制定了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃，如智能卵石計(jì)劃、新千載計(jì)劃、銥星計(jì)劃、全球星計(jì)劃等，并顯示出良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。美國(guó)還開(kāi)展了一系列的面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的微納衛(wèi)星項(xiàng)目，如圖1所示。

從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，除了在通信、遙感、電子偵察等領(lǐng)域獲得了較為廣泛的應(yīng)用，目前微納衛(wèi)星的應(yīng)用已經(jīng)拓展到了導(dǎo)航領(lǐng)域、技術(shù)試驗(yàn)領(lǐng)域、空間對(duì)抗領(lǐng)域、體系概念創(chuàng)新領(lǐng)域、工程培訓(xùn)領(lǐng)域[6]。在導(dǎo)航領(lǐng)域，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）與薩瑞衛(wèi)星技術(shù)美國(guó)公司（SSTL）簽署合同，開(kāi)展中地球軌道（MEO）導(dǎo)航小衛(wèi)星概念論證，以提供信號(hào)輔助增強(qiáng)，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的強(qiáng)健性、覆蓋范圍和精度。在技術(shù)試驗(yàn)領(lǐng)域，隨著“立方體衛(wèi)星”技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)逐漸成熟，美國(guó)軍、民航天部門均制定了大規(guī)模的基于“立方體衛(wèi)星”的空間試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)劃。在空間對(duì)抗領(lǐng)域，近 10年，美國(guó)利用小衛(wèi)星開(kāi)展了交會(huì)接近、近距離機(jī)動(dòng)、巡視、在軌操作等一系列技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，形成了一定的空間對(duì)抗能力。在體系概念創(chuàng)新領(lǐng)域，美國(guó)先后開(kāi)展了“作戰(zhàn)快速響應(yīng)空間”（ORS）、“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”（SeeMe）、“未來(lái)快速、靈活、自由飛行分離模塊航天器”（F6）系統(tǒng)等項(xiàng)目。在工程培訓(xùn)領(lǐng)域，小衛(wèi)星在航天工程教育和培訓(xùn)以及國(guó)際合作中也發(fā)揮了重要的作用。

圖1 美國(guó)面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的微納衛(wèi)星項(xiàng)目

總結(jié)小衛(wèi)星在各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，可以歸納出當(dāng)前國(guó)外微納衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展特點(diǎn)如下：

（1）衛(wèi)星已由技術(shù)試驗(yàn)階段向業(yè)務(wù)化運(yùn)行階段發(fā)展，衛(wèi)星性能持續(xù)提升，應(yīng)用領(lǐng)域和功能不斷拓展；

（2）已突破傳統(tǒng)概念束縛，成為面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用探索的新生力量；

（3）因其體積小、隱蔽性好、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，微納衛(wèi)星已成為空間攻防的發(fā)展熱點(diǎn)和高軌空間對(duì)抗的主要手段；

（4）微納衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)代表了航天技術(shù)發(fā)展的前沿和方向，是新技術(shù)、新系統(tǒng)、新概念演示驗(yàn)證的重要方式；

（5）微納衛(wèi)星已成為開(kāi)展工程培訓(xùn)和航天教育的重要途徑，國(guó)際合作的范圍和規(guī)模不斷擴(kuò)大。

1.1.2 發(fā)展趨勢(shì)[7]

微納衛(wèi)星單星性能相對(duì)較低，通過(guò)星座組網(wǎng)、編隊(duì)飛行等途徑，可顯著提高系統(tǒng)的時(shí)間分辨率和覆蓋區(qū)域。通過(guò)快速、靈活、大規(guī)模部署及在軌重構(gòu)，可大幅提高空間系統(tǒng)的生存能力和空間體系的彈性。星座多星、多任務(wù)、多路徑和多模式綜合應(yīng)用，可形成新的工作體制，實(shí)現(xiàn)單顆大衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)的功能和性能。

目前，國(guó)外在通信、遙感、戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用、技術(shù)試驗(yàn)等領(lǐng)域均提出了大規(guī)模的小衛(wèi)星星座計(jì)劃。星座組網(wǎng)已經(jīng)成為微納衛(wèi)星發(fā)揮應(yīng)用效能的重要途徑，也是未來(lái)微納衛(wèi)星發(fā)展的主要趨勢(shì)。

1.2 國(guó)內(nèi)微納技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)微納衛(wèi)星尚處于研究階段。20世紀(jì)末、21世紀(jì)初涌現(xiàn)了一股微納衛(wèi)星研究的熱潮。100kg的微小衛(wèi)星方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與航天科技集團(tuán)第五研究院（航天五院）合作開(kāi)展了100 kg量級(jí)“探索1號(hào)”立體測(cè)繪微小衛(wèi)星的研制。50 kg的微型衛(wèi)星方面，清華大學(xué)、航天機(jī)電集團(tuán)與英國(guó)薩瑞大學(xué)合作完成的一顆 50 kg三軸穩(wěn)定微型衛(wèi)星已于2000年6月成功發(fā)射，并獲得了大量的遙感圖片；中國(guó)科學(xué)院上海冶金所與航天科技集團(tuán)第八研究院研制了一顆50 kg量級(jí)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)型通信衛(wèi)星；2008年 9月中科院上海微小衛(wèi)星中心研制的重約40 kg的伴飛小衛(wèi)星跟隨神舟七號(hào)載人飛船成功實(shí)現(xiàn)了同時(shí)發(fā)射，該伴星具有空間多方位觀測(cè)、測(cè)控及數(shù)傳、軌道機(jī)動(dòng)接近繞飛等功能。10kg的納型衛(wèi)星方面，清華大學(xué)宇航中心與微米/納米技術(shù)研究中心、中國(guó)科學(xué)院上海冶金所、電子部 13所，已開(kāi)展納型衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。除了上述單位，航天科技集團(tuán)第八研究院、中國(guó)科學(xué)院空間中心、北京航空航天大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等均開(kāi)展了微小衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)研究并取得了眾多研究成果[2]。

近年來(lái)，立方體納衛(wèi)星成為納衛(wèi)星領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。浙江大學(xué)研制的皮星-1A衛(wèi)星，質(zhì)量約3 kg，采用15 cm×15 cm×15 cm的立方體體裝式結(jié)構(gòu)，于2010年發(fā)射升空，已成功地進(jìn)行了半球成像全景光學(xué)相機(jī)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等多項(xiàng)飛行試驗(yàn)，但是由于尺寸未遵循立方體納衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)，尚不屬于真正意義上的立方體納衛(wèi)星項(xiàng)目[8]。

2 微納衛(wèi)星特點(diǎn)及在衛(wèi)星導(dǎo)航中應(yīng)用的可行性

2.1 微納衛(wèi)星特點(diǎn)

微納衛(wèi)星具有體積小、重量輕、功耗低、開(kāi)發(fā)周期短、性價(jià)比和功能密度高、隱蔽性好、機(jī)動(dòng)靈活，可編隊(duì)組網(wǎng)、以更低成本完成很多復(fù)雜空間任務(wù)的優(yōu)勢(shì)。

由于體積小、功耗低，微納衛(wèi)星單星性能相對(duì)較低。微納衛(wèi)星本體的體積、重量和成本大大下降，引發(fā)出來(lái)的弱點(diǎn)是不能攜帶大的太陽(yáng)電池帆板以提供大的電功率，也不能承載高增益天線以傳輸高速率數(shù)據(jù)。但可利用它靠近目標(biāo)，近距離采集圖像傳輸給大衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)地面或?qū)?shù)據(jù)存貯起來(lái)直接回收使用。由于微納衛(wèi)星體積小、重量輕，易于回收，而且工作時(shí)間短，供電問(wèn)題易解決，利用后一特點(diǎn)在發(fā)射運(yùn)載器時(shí)，同步發(fā)射一顆或數(shù)顆微納衛(wèi)星拍攝級(jí)間分離圖像和戰(zhàn)斗部打擊敵方的效果，并發(fā)射成亞軌道在國(guó)內(nèi)回收再使用。

2.2 微納衛(wèi)星用于衛(wèi)星導(dǎo)航的可行性分析

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通常由中軌衛(wèi)星或地球靜止軌道衛(wèi)星向地球發(fā)射信號(hào)，以向全球或大區(qū)域提供導(dǎo)航、定位、授時(shí)服務(wù)。導(dǎo)航衛(wèi)星由于軌道高度20000 km以上，為了使到達(dá)地面的信號(hào)能夠被接收，其發(fā)射EIRP通常在30 dBW以上。而微納衛(wèi)星重量輕、難以搭載大功率發(fā)射器，飛行軌道低、難以大范圍覆蓋，用于導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)目前尚存在較大差距。

然而在衛(wèi)星導(dǎo)航的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用中，有的領(lǐng)域如區(qū)域增強(qiáng)、導(dǎo)航對(duì)抗、電離層觀測(cè)等對(duì)覆蓋范圍要求不太高。在這些領(lǐng)域應(yīng)用微納衛(wèi)星是可行的，而且可對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星起到一定的輔助、彌補(bǔ)作用。

3 微納衛(wèi)星在衛(wèi)星導(dǎo)航中的應(yīng)用模式

3.1 區(qū)域增強(qiáng)

在重點(diǎn)區(qū)域上空發(fā)射微納衛(wèi)星，可以輔助衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域星座增強(qiáng)、區(qū)域信號(hào)增強(qiáng)。

3.1.1 區(qū)域星座增強(qiáng)

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)支持下，微納衛(wèi)星能夠增加用戶可視衛(wèi)星數(shù)量，改善用戶定位幾何因子，提高用戶定位精度，其中微納衛(wèi)星依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成自身位置確定。

在軍事應(yīng)用中，微納衛(wèi)星區(qū)域星座增強(qiáng)，可有效改善衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)戰(zhàn)時(shí)空間星座不可用，用戶定位幾何因子變差的情況，從而提高區(qū)域范圍內(nèi)用戶的定位精度、精確制導(dǎo)武器的制導(dǎo)精度以及可靠性。

為了增加可視衛(wèi)星數(shù)，需要發(fā)射一定數(shù)量的微納衛(wèi)星。為了使所需要發(fā)射的微納衛(wèi)星數(shù)量最少，應(yīng)設(shè)計(jì)衛(wèi)星發(fā)射波束為到達(dá)視線范圍后指向服務(wù)區(qū)的固定波束。下面以服務(wù)區(qū)域直徑2500 km為例，設(shè)計(jì)微納衛(wèi)星星座。

如圖2所示，直徑2500 km對(duì)應(yīng)地球張角θ計(jì)算如下：

其中，R=6378 km，表示地球半徑。為了保證衛(wèi)星進(jìn)入視線范圍內(nèi)就能夠?qū)φ麄€(gè)2500 km區(qū)域視線指向覆蓋，要求軌道高度H最小值Hmin為

圖2 微納衛(wèi)星覆蓋區(qū)域及軌道高度示意圖

當(dāng)微納衛(wèi)星發(fā)射固定波束時(shí)，不同可視微納衛(wèi)星數(shù)量需求下的微納衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)見(jiàn)表 1。需要至少連續(xù)可視1顆微納衛(wèi)星時(shí)，可發(fā)射星下點(diǎn)軌跡處于服務(wù)區(qū)域中線的單軌道衛(wèi)星星座，衛(wèi)星數(shù)量為360/θ=16；需要至少連續(xù)可視2顆微納衛(wèi)星時(shí)，可發(fā)射星下點(diǎn)軌跡處于服務(wù)區(qū)域2條平行邊緣線的雙軌道衛(wèi)星星座，衛(wèi)星數(shù)量為16×2=32；依次類推。可見(jiàn)，為了保證增強(qiáng)區(qū)域連續(xù)可用，即極端情況下當(dāng)導(dǎo)航衛(wèi)星均不可用時(shí)，為了保證連續(xù)可視4顆微納衛(wèi)星，至少需要發(fā)射64顆微納衛(wèi)星。

3.1.2 區(qū)域信號(hào)增強(qiáng)

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)支持下，微納衛(wèi)星能夠增強(qiáng)導(dǎo)航信號(hào)功率，提高用戶的抗干擾能力，其中微納衛(wèi)星依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成自身位置確定。其原理是微納衛(wèi)星軌道高度為1000 km以內(nèi)，比導(dǎo)航衛(wèi)星（軌道高度約20000 km）到地面用戶的距離近20倍，相同發(fā)射功率條件下到達(dá)地面信號(hào)強(qiáng)26 dB，可保障用戶在更強(qiáng)干擾信號(hào)條件下正常工作。

微納衛(wèi)星區(qū)域信號(hào)增強(qiáng)，可有效改善干擾環(huán)境下，用戶無(wú)法正常工作的情況，從而提高用戶端的抗干擾指標(biāo)。

表1 不同可視微納衛(wèi)星數(shù)量需求下的微納衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

3.2 導(dǎo)航對(duì)抗

微納衛(wèi)星在導(dǎo)航對(duì)抗中的應(yīng)用涵蓋偵察、進(jìn)攻與防御三個(gè)領(lǐng)域，分別為電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)、反衛(wèi)星攻擊、導(dǎo)航衛(wèi)星安全防衛(wèi)。

3.2.1 電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)

作為態(tài)勢(shì)感知的一個(gè)重要領(lǐng)域，電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)一直發(fā)揮著重要作用。微納衛(wèi)星充當(dāng)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)，可作為一種有效的偵察手段在態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，包括：監(jiān)測(cè)衛(wèi)星導(dǎo)航干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航干擾的監(jiān)測(cè)與定位。

3.2.2 反衛(wèi)星攻擊

反衛(wèi)星衛(wèi)星（亦稱截?fù)粜l(wèi)星）就是通過(guò)軟殺傷和硬殺傷手段干擾和摧毀敵方的衛(wèi)星系統(tǒng)。反衛(wèi)首先需要接近目標(biāo)，微納衛(wèi)星體積小，可探測(cè)性低，隱蔽性好，生存能力強(qiáng)；同時(shí)微納衛(wèi)星質(zhì)量輕，軌道機(jī)動(dòng)能力靈活，利于攻擊作戰(zhàn)；而且微納衛(wèi)星成本低，攻防博弈費(fèi)效比優(yōu)。由于上述優(yōu)點(diǎn)，微納衛(wèi)星既可充當(dāng)硬殺傷武器摧毀敵方衛(wèi)星，亦可作為軟殺傷武器使敵方衛(wèi)星失效。美國(guó)國(guó)防部太空武器清單中名列榜首的就是一種微納衛(wèi)星，叫做“微衛(wèi)星動(dòng)能殺手載荷（MKKP）”，它們從可重復(fù)使用軍用軌道器中被釋放，然后高速尾隨目標(biāo)衛(wèi)星并伺機(jī)將其摧毀。微納衛(wèi)星最簡(jiǎn)單的反衛(wèi)方式是在微納衛(wèi)星上配置導(dǎo)航干擾功能，根據(jù)任務(wù)需要實(shí)時(shí)對(duì)敵實(shí)施衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)干擾。還有一種微納衛(wèi)星具備勾住對(duì)方的特性，能夠與敵方衛(wèi)星對(duì)接并使其重新定向，從而使其失效。

3.2.3 導(dǎo)航衛(wèi)星安全防衛(wèi)

對(duì)于導(dǎo)航衛(wèi)星等高價(jià)值的任務(wù)衛(wèi)星，可以在高價(jià)值任務(wù)衛(wèi)星周圍部署多顆微納衛(wèi)星進(jìn)行伴飛，形成分布式衛(wèi)星攻防系統(tǒng)，這些微納衛(wèi)星分別是誘餌衛(wèi)星、告警衛(wèi)星和殺手衛(wèi)星等，共同為高價(jià)值任務(wù)衛(wèi)星保駕護(hù)航。

3.3 電離層觀測(cè)與試驗(yàn)

在低軌構(gòu)建納型衛(wèi)星星座，采用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位，微傳感器定姿，通過(guò)星間通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與相互位置的確定，利用微噴嘴與差分空氣阻尼來(lái)保持星座編隊(duì)。該方式可實(shí)現(xiàn)利用微納衛(wèi)星對(duì)空間電離層進(jìn)行觀測(cè)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的電離層改正模型提供實(shí)際依據(jù)。

4 小結(jié)

目前，微納衛(wèi)星參與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)，成為導(dǎo)航衛(wèi)星尚不可能。但是因其靈活性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，可在區(qū)域增強(qiáng)，導(dǎo)航對(duì)抗中的偵察、進(jìn)攻與防御，電離層觀測(cè)與試驗(yàn)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。我們相信，不久的將來(lái)隨著器部件的微型化、功能的模塊化，微納衛(wèi)星在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域必定大放異彩。

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