太空探索正在進(jìn)入航天器集群時(shí)代

聞新

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代小衛(wèi)星的優(yōu)勢越來越明顯，一方面，以美國、歐盟為首的航天大國已經(jīng)將現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)列為航天技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域之一；另一方面，多顆小衛(wèi)星協(xié)同工作完成復(fù)雜太空探索任務(wù)已成為當(dāng)今國際航天領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。航天器集群的應(yīng)用與開發(fā)必將成為未來國際太空發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。為了全面地呈現(xiàn)這一技術(shù)，本文首先討論微納航天器集群概念的產(chǎn)生、定義和功能，介紹了集群魯棒性、容錯(cuò)性和可擴(kuò)展性，指出了航天器集群的優(yōu)勢，然后歸納和總結(jié)了國內(nèi)外航天器集群的應(yīng)用模式，并比較詳細(xì)地分析了未來的國外航天器集群項(xiàng)目的應(yīng)用模式和價(jià)值，在此基礎(chǔ)上指出了航天器集群的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)和問題。

【關(guān)鍵詞】航天器 航天器集群 群智能 太空探索 微納衛(wèi)星

【中圖分類號】 V423.9 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2017.05.003

自20世紀(jì)80年代以來，隨著微電子、微機(jī)械技術(shù)迅猛發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，計(jì)算機(jī)外型越來越輕巧，功能也越來越強(qiáng)大。依靠這些技術(shù)的進(jìn)步，航天器也逐漸向小型化、低成本的方向發(fā)展。90年代以來小衛(wèi)星技術(shù)出現(xiàn)，其優(yōu)勢也越來越明顯。一方面，以美國、歐盟為首的航天大國已經(jīng)將現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)列為航天技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域之一；另一方面，多顆小衛(wèi)星協(xié)同工作完成復(fù)雜太空探索任務(wù)已成為當(dāng)今國際航天領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，航天器集群的應(yīng)用與開發(fā)必將成為未來國際太空發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。

隨著小衛(wèi)星的發(fā)展，微納航天器漸漸地成為了航天領(lǐng)域一個(gè)熱點(diǎn)問題。由于微納航天器采用了大量的高新技術(shù)，具有功能密度與技術(shù)性能高、投資運(yùn)營成本低、靈活性強(qiáng)、研制周期短、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的啟發(fā)下，由多顆微納航天器編隊(duì)飛行而構(gòu)成的“空間飛行集群”的概念被廣泛接受，并迅速成為航天領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的焦點(diǎn)。

目前，在天文觀測、深空探測、對地勘測以及空間技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)方面，美國國家航空航天局、德國宇航中心、歐洲空間局、日本宇航事業(yè)部以及中國航天局相繼提出并逐漸實(shí)施各式各樣的航天器集群計(jì)劃。未來航天器集群飛行模式必然會成為宇宙探索和空間應(yīng)用領(lǐng)域的主流。

航天器集群概念的產(chǎn)生

“航天器集群”這種新概念主要來源于對昆蟲群體的觀察。自然界存在很多集群性昆蟲和生物，比如蜜蜂、螞蟻、大雁和鳥等，即使沒有明顯的類似于人類社會的組織級別，這些生物在大群體中仍然可以共同合作，完成很多復(fù)雜的工作。未來，這種集群技術(shù)，可以用于清理海洋石油管道、深海探索、軍事偵察以及行星探測。

根據(jù)文獻(xiàn)分析結(jié)果可知，集群的概念已經(jīng)引起國內(nèi)外航天器設(shè)計(jì)和導(dǎo)彈設(shè)計(jì)領(lǐng)域的高度重視，如多彈攔截、智能卵石和小衛(wèi)星編隊(duì)等。如美國2008年啟動(dòng)的計(jì)劃——“分布式模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)”也含有集群的技術(shù)成分，盡管項(xiàng)目計(jì)劃困難重重，并且目前已經(jīng)終止了，但世界各國的權(quán)威專家認(rèn)為：“項(xiàng)目計(jì)劃終止不等于這種理念終止，而這種理念將永存?！?/p>

直到今天，航天器集群還沒有統(tǒng)一定義，但有一個(gè)共識，即航天器集群是一片被控制的衛(wèi)星云，一個(gè)航天器集群是由多個(gè)航天器單體所組成，它們共同合作完成一個(gè)任務(wù)。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，它們形成一個(gè)松散的聚集族，本著簡單的行為和原則聚集在一起，好像昆蟲群體社會。而學(xué)術(shù)界認(rèn)為“任何一種受昆蟲群體或其他動(dòng)物社會行為機(jī)制而激發(fā)設(shè)計(jì)出的算法或分布式解決問題的策略均屬于集群智能范疇”。由此可見，所謂航天器集群，是指數(shù)量巨大，至少100顆，甚至數(shù)千顆航天器組成的群體。

對于成百上千顆航天器組成的群體，其控制和管理就顯得尤其重要，采用常規(guī)的集中式的航天器管理模式來管理數(shù)量巨大的集群系統(tǒng)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。所以，結(jié)合集群理論研究航天器集群系統(tǒng)，探索集群系統(tǒng)的應(yīng)用，將會豐富和推動(dòng)空間探索技術(shù)的發(fā)展。迄今為止，在集群理論探索方面，自組織聚集、自組織分散、連接運(yùn)動(dòng)、協(xié)同傳輸、模式構(gòu)成和自組織建設(shè)仍然是熱點(diǎn)問題。

大多數(shù)的群體都存在一定的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部耦合緊密的群體大多都有如層次等級結(jié)構(gòu)，有些是社會分工造成，有些是以能力高低區(qū)分，這種結(jié)構(gòu)使得信息在群體間傳播快速且有效，促使集體行為快速執(zhí)行。不同的群體結(jié)構(gòu)中，個(gè)體所發(fā)揮的作用也不一樣，個(gè)體與環(huán)境、個(gè)體與個(gè)體之間的通信效率和通信范圍也隨之不同，最終導(dǎo)致的群體效果也不同。集群系統(tǒng)應(yīng)該具備一定的結(jié)構(gòu)，這是建立信息通道、實(shí)現(xiàn)個(gè)體交互的基礎(chǔ)。這里的結(jié)構(gòu)關(guān)系包括了結(jié)構(gòu)形式、連接關(guān)系以及個(gè)體的地位分工等。所以，未來航天器集群系統(tǒng)級也應(yīng)該具有生物自然群的三種主要功能。

魯棒性：航天器集群是在外界干擾和單體波動(dòng)的情況下運(yùn)行，協(xié)作是分散式的，且構(gòu)成航天器集群的單體相對簡單，載荷是分布的，因此集群對環(huán)境的擾動(dòng)具有魯棒性。

靈活性：航天器集群中的單體有能力協(xié)作其他單體完成任務(wù)，也有能力在不同的組里工作，且支持大量單體的自主行為。

擴(kuò)展性和容錯(cuò)性：航天器集群是個(gè)冗余系統(tǒng)，單體的缺失可以立即由另外一個(gè)單體補(bǔ)償，因此群中某一特定部分的故障不會使其停止工作。

縱觀各式各樣的航天器集群計(jì)劃

歐空局的CLUSTER計(jì)劃。CLUSTER于2000年8月發(fā)射，目前仍在運(yùn)行。CLUSTER計(jì)劃是由歐空局提出的，由四顆相同的衛(wèi)星組成，這四顆衛(wèi)星運(yùn)行于大橢圓地球極地軌道，軌道近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)高度分別為19000km和119000km。在實(shí)施CLUSTER太空計(jì)劃之前，一般情況下是采用單個(gè)航天器對空間環(huán)境的局部區(qū)域進(jìn)行探測，當(dāng)然也有特例，極少數(shù)的情況下采用了雙星探測，因此在對地球近地空間環(huán)境進(jìn)行探測時(shí)無法在三維的視角下完成。然而，CLUSTER計(jì)劃的成功實(shí)施，為地球空間探測領(lǐng)域開辟出了新的路徑。CLUSTER計(jì)劃在太空中采用了一個(gè)四面體的空間隊(duì)形進(jìn)行編隊(duì)飛行，并可根據(jù)不同探測任務(wù)對其星間距離進(jìn)行調(diào)整。這種航天器集群能夠監(jiān)測太陽離子和地球磁場之間的交互作用，從而得到太陽和地球電磁交互的三維模型。

ST-5計(jì)劃。2006年3月22日，美國成功發(fā)射了三顆衛(wèi)星（Space Technology 5， ST-5），旨在驗(yàn)證未來科學(xué)任務(wù)試驗(yàn)的新技術(shù)。單顆ST-5衛(wèi)星重24.75kg，采用機(jī)載發(fā)射方式入軌。三顆衛(wèi)星排成星座，近乎位于同一軌道面內(nèi)，每顆衛(wèi)星相距約354km，通過微推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)軌道與姿態(tài)的聯(lián)合控制。

ST-5計(jì)劃中的衛(wèi)星雖然在尺寸和重量上都小于其他衛(wèi)星，但每顆衛(wèi)星均可提供全套服務(wù)，具有動(dòng)力、推進(jìn)、通信、制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制功能，以及搭載地磁場測量載荷的能力。該計(jì)劃有效驗(yàn)證了利用星座進(jìn)行極地極光研究的優(yōu)勢，小型無線電轉(zhuǎn)發(fā)器與常規(guī)天線、計(jì)算機(jī)優(yōu)化天線組成新型通信鏈路的可行性，小型動(dòng)力系統(tǒng)的可行性以及地面系統(tǒng)制造技術(shù)的可行性。

ST-5計(jì)劃作為NASA“新千禧計(jì)劃”的一部分，它的成功實(shí)施為美國小型化航天部件、批量制造數(shù)十至數(shù)百顆微衛(wèi)星打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

MMS（Magnetospheric Multiscale Mission）項(xiàng)目。2015年3月，NASA通過“宇宙神”火箭成功發(fā)射了MMS項(xiàng)目的四顆衛(wèi)星，用以實(shí)現(xiàn)對地球電磁場的高精度測量。該項(xiàng)目中衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)和功能完全相同，衛(wèi)星的有效載荷包括等檢測設(shè)備高能粒子探測儀、電場儀器、數(shù)據(jù)處理設(shè)備離子分析儀、姿態(tài)敏感器磁強(qiáng)計(jì)和防干擾設(shè)備等。四顆衛(wèi)星組成一個(gè)邊長從1km到幾個(gè)地球半徑長度變化的四面體，能夠在地球磁層中，在三維視角下對磁邊界進(jìn)行相關(guān)的測量，以此來分析研究磁重聯(lián)現(xiàn)象?？臻g天氣的混亂主要是由太陽風(fēng)對地球磁層的影響造成，研究人員的主要任務(wù)就是結(jié)合MMS衛(wèi)星編隊(duì)對當(dāng)前的主流磁場理論進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

“天拓三號”微納衛(wèi)星集群飛行計(jì)劃。2015年9月，由我國高校自主研制的微納衛(wèi)星“天拓三號”搭載火箭長征六號成功發(fā)射進(jìn)入預(yù)定軌道。“天拓三號”衛(wèi)星集群中包含6顆衛(wèi)星，采用“一主五從”的模式進(jìn)行編隊(duì)飛行，其中主星的質(zhì)量在20kg左右，從星中包含有1顆1kg級的手機(jī)衛(wèi)星和4顆100g級的飛衛(wèi)星。在整個(gè)衛(wèi)星集群成功入軌之后，從星將與主星分離，以較為形象的“母雞帶小雞”的方式在太空形成微小衛(wèi)星的星間組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)6顆衛(wèi)星在空間中的集群飛行。

“天拓三號”星群系統(tǒng)中的主星也稱為“呂梁一號”，采用的衛(wèi)星體系結(jié)構(gòu)與立方星類似，即模塊化多層板式結(jié)構(gòu)，該星群主要任務(wù)是星載航空目標(biāo)信號監(jiān)視（ADS-B）、新型星載船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)（AIS）的信號接收、20kg級通用化衛(wèi)星平臺以及火災(zāi)監(jiān)測等一系列新技術(shù)驗(yàn)證和科學(xué)實(shí)驗(yàn)。星載ADS-B能夠在全球范圍內(nèi)對航空目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)的空中流量測量，并實(shí)現(xiàn)對航空目標(biāo)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，為航空服務(wù)的空管系統(tǒng)提供高時(shí)效性的飛行數(shù)據(jù)，進(jìn)而能夠使得航空飛行的效率提高一個(gè)檔次。

多規(guī)模磁性層測量任務(wù)的四星編隊(duì)。2015年7月19號，美國宇航局執(zhí)行多規(guī)模磁性層測量任務(wù)的四星編隊(duì)首次排成三棱錐隊(duì)形飛行，也稱四面體編隊(duì)飛行，這是美國宇航局第四個(gè)太陽探測任務(wù)。采用這種隊(duì)形意味著科學(xué)家們可以利用這些探測器進(jìn)行三維觀察。三棱錐隊(duì)形對于提供地球空間環(huán)境的三維信息是至關(guān)重要的，如果四個(gè)探測器都在一條直線或一個(gè)平面上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它們飛經(jīng)某個(gè)天體結(jié)構(gòu)時(shí)，就不能觀測到該天體結(jié)構(gòu)的完整形態(tài)。

因?yàn)樗男蔷庩?duì)每個(gè)探測器的軌道可以單獨(dú)調(diào)整，科學(xué)家們可以調(diào)節(jié)四個(gè)探測器之間的距離，類似于望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦，通過調(diào)整四星編隊(duì)的隊(duì)形，它們會讓不同過程成為我們的焦點(diǎn)，這樣就使得他們可以從很多不同的空間方位來研究磁重聯(lián)。

颶風(fēng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星器群。美國宇航局計(jì)劃2016年12月中旬在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射地球科學(xué)小型衛(wèi)星群，其任務(wù)是勘測一些科學(xué)家感興趣的關(guān)于地球科學(xué)的未知信息，從而更準(zhǔn)確地理解熱帶氣旋和颶風(fēng)的形成和強(qiáng)度。

颶風(fēng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星器群基于GPS道路導(dǎo)航技術(shù)，使用8個(gè)小型衛(wèi)星群測量地球海洋的表面粗糙度。科學(xué)家將利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算海洋表面風(fēng)速，進(jìn)而更好地分析風(fēng)暴的強(qiáng)度?！帮Z風(fēng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星群”聚焦于低成本、快速的科學(xué)勘測，是人類首次為地球颶風(fēng)勘測，衛(wèi)星群將完成單個(gè)探測器無法完成的任務(wù)，能夠穿透“颶風(fēng)眼壁”的暴雨，獲得關(guān)于風(fēng)暴強(qiáng)烈內(nèi)核的重要數(shù)據(jù)。所謂“颶風(fēng)眼壁”是雷暴云層的密集環(huán)狀結(jié)構(gòu)，它環(huán)繞平靜的颶風(fēng)眼，內(nèi)核區(qū)域就像是風(fēng)暴發(fā)動(dòng)機(jī)，從溫暖表面海水抽取能量，再蒸發(fā)至地球大氣層。

“颶風(fēng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星群”能夠持續(xù)監(jiān)測全球熱帶颶風(fēng)帶緯度海洋的表面風(fēng)力。每顆衛(wèi)星能夠每秒進(jìn)行4次風(fēng)力測量，對于衛(wèi)星群而言，每秒能夠進(jìn)行32次風(fēng)力測量。

NASA擬派遣微型機(jī)器人艦隊(duì)探索木衛(wèi)二?！靶乱曇啊碧柼綔y器讓全世界都知曉了它的任務(wù)，花了10年時(shí)間飛了50億公里，確實(shí)夠震撼。最近，NASA又向美國政府要錢，計(jì)劃向木星發(fā)送一個(gè)龐大的微型機(jī)器人艦隊(duì)。

目前，人類對木星探索已經(jīng)進(jìn)行了三輪，第一輪美國“旅行者號”飛掠了木星，第二輪伽利略探測器專門研究木星，今年“朱諾號”探測器又抵達(dá)木星，這還不算一些借力木星加速的任務(wù)?！爸熘Z號”探測器全副武裝，使用了最先進(jìn)的防輻射技術(shù)來抵抗木星輻射?，F(xiàn)在，NASA已經(jīng)開始著手下一輪木星系統(tǒng)的探索，并邀請了全美10所高校參與木星微型機(jī)器人艦隊(duì)的研發(fā)，目標(biāo)是木衛(wèi)二。木衛(wèi)二是太陽系中除了地球外，最有潛力擁有生命的星球，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了冰下海洋，接下來就要對木衛(wèi)二實(shí)地勘察。

至于NASA為什么要研發(fā)微型機(jī)器人艦隊(duì)，這主要出于對經(jīng)費(fèi)方面的考慮。以立方星為架構(gòu)的微衛(wèi)星是一個(gè)方向，每個(gè)探測器任務(wù)專一，造價(jià)較低，比如可以收集木衛(wèi)二稀薄大氣的信息、攜帶高能粒子探測裝置后可研究帶電粒子的問題等。但NASA希望研制出更先進(jìn)的微型探測器，而不是簡約型的立方體平臺，能夠在太陽系內(nèi)廣泛部署。前期任務(wù)主要涉及對木衛(wèi)二的探索，比如對木衛(wèi)二大氣、冰層以及冰下海洋進(jìn)行針對性調(diào)查，后期將拓展至整個(gè)太陽系。南加州大學(xué)提出并且有能力開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)化的微型平臺，比如適用于登陸小行星、彗星，以及較大的衛(wèi)星等。NASA工程師打算研制一種飛往木星的微型機(jī)器人，稱為“windbots”，這種微型機(jī)器人外形呈多面體，穿越木星大氣層時(shí)，在木星大氣的湍流作用下，旋轉(zhuǎn)吸收能量，產(chǎn)生漂浮升力。它允許科學(xué)家詳細(xì)地研究氣體行星，也可以應(yīng)用于地球上的颶風(fēng)和龍卷風(fēng)的研究。

美國的ANTS集群探測系統(tǒng)。美國NASA受昆蟲社會行為的啟發(fā)，計(jì)劃于2020～2030年發(fā)射一個(gè)衛(wèi)星集群探索小行星帶，該計(jì)劃暫命名為ANTS（Autonomous Nanotechnology Satellite）。ANTS系統(tǒng)由1000顆皮星組成，其任務(wù)是利用群智能技術(shù)，探索和勘測小行星帶的小行星。ANTS系統(tǒng)運(yùn)行在小行星帶內(nèi)，這其中，空間環(huán)境十分惡劣，傳統(tǒng)的大衛(wèi)星是不能生存的。小行星帶介于火星和木星軌道之間，在這里估計(jì)有50萬顆小行星。

ANTS系統(tǒng)的主要任務(wù)就是想利用價(jià)格低廉的皮衛(wèi)星群完成小行星帶的勘探。為了克服任務(wù)規(guī)劃工作帶來的挑戰(zhàn)，NASA在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)模仿昆蟲的“無智能或簡單智能的主體通過任何形式的聚集協(xié)作而表現(xiàn)出智能行為的特性”，ANTS系統(tǒng)按照不同等級進(jìn)行管理，群衛(wèi)星體系結(jié)構(gòu)的等級劃分包括“隊(duì)”和“群”，“群”還包括“子群”等，不同衛(wèi)星裝載的儀器是不同的，所以需要協(xié)同工作和共享信息才能很好地完成任務(wù)。

在這個(gè)群衛(wèi)星系統(tǒng)里，有幾種不同類型的衛(wèi)星，一類稱為“Worker”，它們載有不同的載荷和儀器，如磁強(qiáng)計(jì)、X射線儀、質(zhì)譜儀和可見光和紅外相機(jī)等，每個(gè)“Worker”只能獲取一種特定的數(shù)據(jù)；另一類稱為“Ruler”，它們起統(tǒng)治作用，協(xié)調(diào)各個(gè)“Worker”工作，并確定勘測目標(biāo)；還有一類稱“Messenger”，僅僅起通信作用，它們是地球、“Worker”和“Ruler”之間的信使。每個(gè)“Worker”都會主動(dòng)勘測所遇到的小行星，然后把信息發(fā)送給“Ruler”，“Ruler”評估這些數(shù)據(jù)，形成一個(gè)總勘測報(bào)告。

ANTS系統(tǒng)的皮衛(wèi)星是依靠一艘飛船運(yùn)載到小行星帶附近的拉各朗日點(diǎn)，然后釋放。在ANTS系統(tǒng)中，80%的皮衛(wèi)星是“Worker”，當(dāng)“Worker”收集到數(shù)據(jù)時(shí)，它們首先把數(shù)據(jù)發(fā)給“Messenger”，同時(shí)這些數(shù)據(jù)也可以判斷“Worker”是否被毀壞，大約70%的“Worker”穿過小行星帶時(shí)被毀壞。這就要求它們有足夠的隊(duì)伍重構(gòu)能力，同時(shí)還要有很好的自恢復(fù)能力。

ANTS系統(tǒng)飛越小行星時(shí)，需要完成許多工作。它們首先要確定小行星的大小、旋轉(zhuǎn)軸、小行星的衛(wèi)星/月亮、軌道和盤旋點(diǎn)等。隨著獲取小行星數(shù)據(jù)量的增大，ANTS還會派更多的子群，參與協(xié)作搜集更詳細(xì)和更全面的小行星數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)高度的自主性計(jì)劃，基于社會結(jié)構(gòu)的推理方法必須運(yùn)用先進(jìn)的人工智能技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和遺傳算法等。為了輔助和維持高水平的自主性，更重要的任務(wù)還要考慮自主運(yùn)行的修正能力，以便適應(yīng)環(huán)境變化、遠(yuǎn)距離操控和低帶寬通訊等問題。

英國的“天基鏡群”方案。英國拉斯哥大學(xué)Massimiliano Vasile教授在分析小天體變軌的幾種流行技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，提出了一種基于航天器群建立“天基鏡子”的方案。該方案的部署是通過火箭將航天器群從地球發(fā)射升空，進(jìn)入預(yù)定軌道，然后航天器集群再自主地逐漸徘徊于目標(biāo)小天體附近，依靠協(xié)同控制技術(shù)，進(jìn)行優(yōu)化部署后，將太陽光能聚集到小行星表面的某一點(diǎn)上。

首次提出這種方法的并不是Massimiliano Vasile教授。早在1993年，美國亞利桑那州立大學(xué)的Jay Melosh曾建議將一面非常大的鏡子安放在一顆大衛(wèi)星上，以此來達(dá)到上述目的。

“天基鏡群”的工作原理是發(fā)射一個(gè)航天器集群，集群中航天器都是納型重量級的，每顆納型航天器攜帶一個(gè)小鏡子，一顆納型航天器就是一個(gè)鏡子模塊，然后通過統(tǒng)一的星務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行管理，建立一個(gè)天基群鏡系統(tǒng)，這樣就可以把反射太陽光聚焦于小天體表面的某一指定點(diǎn)，將小天體的表面加熱到至少2100°C，使得小天體汽化。汽化后的小天體內(nèi)部會噴射出氣體，由牛頓定律可知，小天體將會產(chǎn)生一個(gè)與噴射方向相反的推力，進(jìn)而改變小天體的軌道。

基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)對航天器集群進(jìn)行導(dǎo)航，結(jié)合自主控制技術(shù)，采用數(shù)十顆小衛(wèi)星組成集群，使直徑為數(shù)百米的小天體變軌是可以完全可行的。若利用10顆納型航天器群，每顆航天器均承載一個(gè)20m寬的充氣鏡子，大約可以在六個(gè)月內(nèi)使一個(gè)直徑約為150m的小天體發(fā)生變軌；若增加到100顆納型航天器，只需幾天的時(shí)間就可以完成上述任務(wù)；假如要使直徑為20km的小天體變軌，則需要集合5000顆納型航天器，匯聚太陽光至該小行星表面長達(dá)3年的時(shí)間就可以使其發(fā)生變軌。盡管目前控制5000顆航天器的技術(shù)有很多困難，但隨著群智能理論及其應(yīng)用技術(shù)的深入發(fā)展，對于數(shù)千顆航天器的協(xié)調(diào)控制，未來將不再是問題。所以航天器群的概念未來一定具有巨大的應(yīng)用前景。

航天器集群的管理

目前，從航天器集群的管理技術(shù)來看，不同的航天器集群具有不同的技術(shù)特征，歸納起來有四類：軌道跟蹤法、領(lǐng)航跟隨法、虛擬結(jié)構(gòu)法、蜂擁控制法。

軌道跟蹤法。單個(gè)的航天器一般都采用周期性軌道控制方法將航天器時(shí)刻保持在某特定軌道上，該方法也適用于微小型航天器集群的飛行任務(wù)，即將群系統(tǒng)中的成員航天器都控制在預(yù)先指定的期望軌道上。這種方法無需航天器間的信息交互，適用于群系統(tǒng)規(guī)模較小的情況，但對于數(shù)量較多的群系統(tǒng)來說，該方法不太現(xiàn)實(shí)。

領(lǐng)航跟隨法。在領(lǐng)航跟隨法中，引領(lǐng)航天器在規(guī)劃好的參考軌道上按計(jì)劃運(yùn)行，利用傳統(tǒng)的周期性機(jī)動(dòng)，使得跟隨航天器跟蹤引領(lǐng)航天器，保持穩(wěn)定的相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于群系統(tǒng)中大多數(shù)微小型航天器可以按照引領(lǐng)航天器的絕對軌道自然飛行，只需定期控制就能實(shí)現(xiàn)相對狀態(tài)的維持。在領(lǐng)航跟隨法中，由于引領(lǐng)航天器處于一種參考狀態(tài)，跟隨航天器保持整體構(gòu)型就需要消耗更多的燃料，因此未來需要圍繞能源消耗問題做進(jìn)一步的改進(jìn)。

虛擬結(jié)構(gòu)法。虛擬結(jié)構(gòu)法，即根據(jù)實(shí)際需求，給整個(gè)群系統(tǒng)分配一組合適的期望狀態(tài)，使得系統(tǒng)的整體狀態(tài)誤差最小。與領(lǐng)航跟隨法相比，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于群系統(tǒng)中所有的微小型航天器都有誤差存在，但該方法可以從宏觀角度考慮這些誤差，并引入燃料消耗加權(quán)，從而使得星間燃料消耗達(dá)到均衡狀態(tài)。該方法的關(guān)鍵技術(shù)是需要保證微小型航天器之間信息交互的暢通性，并強(qiáng)調(diào)整體的協(xié)同。

蜂擁控制法。群體系統(tǒng)蜂擁控制方法是近年來受到國內(nèi)外眾多領(lǐng)域高度重視熱點(diǎn)研究問題，主要借鑒仿生領(lǐng)域關(guān)于群體蜂擁行為的研究成果，集中在個(gè)體之間交互形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已知條件下的控制問題。當(dāng)微小型航天器集群系統(tǒng)中航天器個(gè)體數(shù)量較多時(shí)，若區(qū)域信息的交互能夠形成一定規(guī)則的形狀，則可以利用啟發(fā)式控制算法。大規(guī)模的航天器集群往往會帶來較為繁重的通信和計(jì)算負(fù)擔(dān)，而蜂擁控制法采用分布式并行處理模式，能夠很好地解決這個(gè)問題。但是蜂擁控制方法也存在著一定的缺陷，該方法沒有將碰撞規(guī)避的問題納入研究范圍，且該構(gòu)形下不是燃料最優(yōu)的。

結(jié)束語

相比于傳統(tǒng)的大衛(wèi)星，微納衛(wèi)星的研發(fā)成本低、設(shè)計(jì)周期短、功能密度高。成百上千顆微納衛(wèi)星構(gòu)成的集群靈活性高、魯棒性高，能完成大衛(wèi)星無法完成的任務(wù)，應(yīng)用前景廣闊，而發(fā)展微納衛(wèi)星集群的關(guān)鍵就是高集成模塊化技術(shù)和分布式協(xié)同控制技術(shù)，相信在不久的將來，隨著其功能的不斷完善，將會逐漸取代傳統(tǒng)衛(wèi)星成為空間應(yīng)用的主流。

從歷史上看，航天系統(tǒng)工程的發(fā)展將會帶動(dòng)其他學(xué)科發(fā)展。上世紀(jì)60年代美國阿波羅登月所研制的新材料、新技術(shù)和新工藝推廣到各個(gè)領(lǐng)域，如果說美國的計(jì)算機(jī)水平一直領(lǐng)先于世界，可以說是得益于阿波羅計(jì)劃的推動(dòng)。所以，類似地，今天航天器集群的技術(shù)也將推動(dòng)其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

從國際上對航天器集群研究和應(yīng)用狀況看，未來的發(fā)展將從以下幾個(gè)方面開展研究工作：1）在性能不變的情況下，盡可能地降低空間任務(wù)的成本，即用低成本去完成傳統(tǒng)的太空探索任務(wù)；2）通過簡單的設(shè)計(jì)獲得高可靠性產(chǎn)品；3）引入群智能理論成果，利用先進(jìn)的微電子、微機(jī)械、微推進(jìn)和仿生技術(shù)等，研究航天器集群的自主或自治的管理技術(shù)，完成更復(fù)雜的太空探索。

責(zé) 編∕馬冰瑩