分布式空間系統(tǒng)研究進(jìn)展與應(yīng)用分析

董 勇，張治彬，李新洪，李偉杰，張國輝

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094；2. 航天工程大學(xué)，北京101416）

1 引 言

分布式空間系統(tǒng)（Distributed Space System，DSS）定義為由多個空間元素組成的任務(wù)體系結(jié)構(gòu)，這些空間元素相互作用、相互合作、相互通信，從而產(chǎn)生新的系統(tǒng)特性或新出現(xiàn)的功能。目前，DSS尚未形成一個受到各界普遍認(rèn)可的類型劃分。通常根據(jù)DSS的空間分布尺度、任務(wù)目標(biāo)、衛(wèi)星同構(gòu)性、衛(wèi)星間的協(xié)同程度，可以將其分為星座、衛(wèi)星列車、編隊(duì)、集群、分體衛(wèi)星系統(tǒng)和聯(lián)邦衛(wèi)星系統(tǒng)［1］。

衛(wèi)星星座重點(diǎn)支撐功能需求，如持續(xù)的實(shí)時(shí)全球覆蓋，而其他DSS通常更側(cè)重于實(shí)現(xiàn)新的功能或?qū)傩?，如為整個系統(tǒng)增加靈活性或魯棒性。著名的衛(wèi)星星座包括GPS［2］、GLONASS［3］、Galileo［4］和北斗［5］全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，銥星［6］、銥星NEXT［7］、全球星［8］和O3b［9］通信星座，DMC［10］和Flock［11］對地觀測星座。在過去的幾十年里，航天工業(yè)正經(jīng)歷著關(guān)注點(diǎn)的不斷轉(zhuǎn)移，從大型昂貴的衛(wèi)星轉(zhuǎn)向小型的、廉價(jià)的、大規(guī)模生產(chǎn)的衛(wèi)星。這種趨勢導(dǎo)致了巨型星座計(jì)劃的出現(xiàn)。國內(nèi)外的巨型星座建設(shè)如雨后春筍爆發(fā)，如國內(nèi)的虹云工程、鴻雁星座，國外有SpaceX 公司的星鏈計(jì)劃，一網(wǎng)公司的星座互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃以及亞馬遜的Kuiper計(jì)劃等。

另一個DSS方案是衛(wèi)星列車，如美國國家航空航天局（NASA）的Morning［12］和Afternoon［13］對地觀測星座。列車是一組協(xié)調(diào)衛(wèi)星，它們沿著同一軌道緊密地相互跟蹤。列車是混合架構(gòu)，以執(zhí)行獨(dú)立任務(wù)［14］的異構(gòu)組件為主。合并后，這些單獨(dú)的任務(wù)產(chǎn)生協(xié)同測量，從而滿足總體任務(wù)目標(biāo)。

許多DSS 概念背后的關(guān)鍵思想是編隊(duì)飛行。編隊(duì)一直是天文學(xué)和地球觀測領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，因?yàn)樗梢岳酶缮鏈y量和其他分布式觀測技術(shù)提供更高的空間和時(shí)間分辨率?；诰庩?duì)飛行的任務(wù)在21 世紀(jì)初就已經(jīng)被提出，如大型空間干涉儀，以及大型空間望遠(yuǎn)鏡陣列的在軌服務(wù)任務(wù)［15］等，然而許多設(shè)想中的大型干涉測量任務(wù)至今還沒有發(fā)射。早期的編隊(duì)飛行任務(wù)包括GRACE，TanDEM-X合成孔徑雷達(dá)和LISA激光干涉空間天線等。

星座等DSS的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)相對完善，而包含數(shù)萬甚至數(shù)千個小型航天器的星群仍處于積極的研究和開發(fā)部署階段。星群的力量在于其巨大的規(guī)模，星群中的獨(dú)立個體能力有限，但一大群衛(wèi)星可能會產(chǎn)生一個巨大的網(wǎng)絡(luò)空間系統(tǒng)，這將解決地方和全球范圍內(nèi)的問題［16］。集群可以以低得多的成本進(jìn)行大量的應(yīng)用，如描述行星大氣的特征、估計(jì)小行星的組成以及調(diào)查地球的電離層等任務(wù)。NASA和歐洲太空局（ESA）對以星群結(jié)構(gòu)進(jìn)行行星探索表現(xiàn)出了極大的興趣，如NASA 開發(fā)的類地行星探測器干涉儀概念［17］和由ESA［18］開發(fā)的達(dá)爾文任務(wù)等。

分體航天器的概念在80年代就被提出了［19］，但很大程度上被忽視。直到2006年美國國防部開始一項(xiàng)對分體航天器的研究和原型試驗(yàn)——F6 系統(tǒng)［20］，以探索分體衛(wèi)星系統(tǒng)如何改變太空商業(yè)運(yùn)作方式。解耦是分體架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)之一，它允許部署彼此獨(dú)立的單個傳感器。與單體系統(tǒng)相比，分體系統(tǒng)的響應(yīng)更快。此外，在故障或任務(wù)目標(biāo)改變的情況下，分體航天器允許更換或增加特定的子系統(tǒng)和有效載荷，這將潛在地延長任務(wù)壽命，顯著提高系統(tǒng)質(zhì)量。

聯(lián)邦衛(wèi)星系統(tǒng)是最新的DSS概念之一，其特點(diǎn)是完全獨(dú)立和異構(gòu)的航天器之間的機(jī)會協(xié)作，聯(lián)邦航天器可以有管理和操作的獨(dú)立性，但仍然能夠一起工作。聯(lián)邦衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)想了極具活力和不斷發(fā)展的軌道內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施，從而創(chuàng)造一個空間資源市場?？臻g資源市場可以向聯(lián)邦提供各種閑置功能，例如下行帶寬、存儲、處理能力。這種資源共享的想法部分源于這樣一個事實(shí)，即沒有一顆衛(wèi)星總是以最高性能運(yùn)行。在較低性能期間，未使用和可用的資源可以出售給其他衛(wèi)星［21］，類似于地面的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。

本文研究了DSS的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其應(yīng)用優(yōu)勢和潛在應(yīng)用場景進(jìn)行了分析，最后提出了DSS的發(fā)展建議。

2 典型DSS介紹

2.1 星鏈計(jì)劃

小衛(wèi)星技術(shù)及商業(yè)運(yùn)載火箭的蓬勃發(fā)展促進(jìn)了巨型星座計(jì)劃的出現(xiàn)，SpaceX 計(jì)劃在2019年至2024年間在太空搭建由約1.2 萬顆衛(wèi)星組成的星鏈網(wǎng)絡(luò)，其中1584顆將部署在地球上空550千米處的近地軌道，并從2020年開始工作。星鏈計(jì)劃是當(dāng)今最具有潛力的衛(wèi)星星座，旨在提供廉價(jià)、快速的寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，是迄今為止提出的規(guī)模最大的星座項(xiàng)目。天基通信網(wǎng)絡(luò)理論上可以覆蓋到任何陸基通信網(wǎng)絡(luò)不易和不能覆蓋的地區(qū)，例如山區(qū)、海洋、極地。SpaceX 團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未來20年，全世界將有近半數(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上天，無信息死角的數(shù)字地球?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實(shí)。星鏈計(jì)劃就是要打造一張覆蓋全球的天基自主通信網(wǎng)絡(luò)，徹底擺脫傳統(tǒng)陸基通信的區(qū)域限制。2019年5月，埃隆·馬斯克的SpaceX 公司發(fā)射了第一組60 枚星鏈衛(wèi)星。截至2020年6月4日，SpaceX 共成功發(fā)射并部署了八批60顆星鏈衛(wèi)星進(jìn)入軌道，使得入軌衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到482顆。

2.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2020年6月23日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運(yùn)載火箭將最后一顆北斗三號全球組網(wǎng)衛(wèi)星成功送入預(yù)定軌道。至此，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成。北斗三號由24顆中圓地球軌道衛(wèi)星、3 顆地球靜止軌道衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，共30 顆衛(wèi)星組成，其軌道構(gòu)型如圖2 所示。北斗三號是采用了三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯。同時(shí)，北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具備定位導(dǎo)航授時(shí)、星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位、短報(bào)文通信和國際搜救等多種服務(wù)能力［22］。

圖1 4400顆星鏈衛(wèi)星組成的星座Fig.1 The constellation of 4400 Starlink satellites

圖2 北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座Fig.2 BeiDou-3 global navigation satellite system

2.3 黑杰克項(xiàng)目

黑杰克衛(wèi)星項(xiàng)目尋求開發(fā)體積小、重量輕、功率和成本低的商業(yè)衛(wèi)星平臺，加上可快速更新升級的軍用載荷來構(gòu)建低軌軍事通信與偵察衛(wèi)星星座，其能力與當(dāng)前地球同步軌道系統(tǒng)相當(dāng)，而單顆衛(wèi)星的成本低于600 萬美元，并且更容易在太空對抗條件下生存與補(bǔ)充。項(xiàng)目最終目標(biāo)是發(fā)展一種由60～200顆衛(wèi)星組成的星座，運(yùn)行高度500～1300 km。項(xiàng)目將設(shè)立一個操作中心管理所有的衛(wèi)星及有效載荷，使星座有能力在沒有操作中心的情況下運(yùn)行30天。黑杰克有效載荷的數(shù)據(jù)處理將在軌完成，無需地面數(shù)據(jù)處理的支持。黑杰克衛(wèi)星項(xiàng)目實(shí)施分為3個階段，第一階段主要開展系統(tǒng)架構(gòu)研究與設(shè)計(jì)，第二階段進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與集成，第三階段開展發(fā)射和在軌飛行試驗(yàn)。美國國防部預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）計(jì)劃于2020年底和2021年將黑杰克項(xiàng)目的小衛(wèi)星發(fā)射到低地球軌道，驗(yàn)證先進(jìn)的衛(wèi)星星座自治和空間網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)［23］。這一技術(shù)的在軌驗(yàn)證將為空間機(jī)構(gòu)建立在軌網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和分布式衛(wèi)星系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)問題奠定基礎(chǔ)。

圖3 黑杰克項(xiàng)目概念圖Fig.3 DARPA’s Blackjack program concept

2.4 F6計(jì)劃

2007年7月，DARPA 發(fā)布了一項(xiàng)機(jī)構(gòu)公告，征求F6 系統(tǒng)的開發(fā)方案。DARPA 的F6 計(jì)劃是用包含各種有效載荷和基礎(chǔ)功能的異構(gòu)模塊組成無線網(wǎng)絡(luò)集群，取代傳統(tǒng)的高度集成的單體衛(wèi)星。模塊間采用物理分離、無線連接的方式進(jìn)行功能協(xié)同、資源共享，構(gòu)成一顆虛擬大衛(wèi)星來完成特定的任務(wù)，這種分體結(jié)構(gòu)能夠提供與單體衛(wèi)星相當(dāng)或更強(qiáng)的任務(wù)能力，并且具有顯著增強(qiáng)的靈活性和魯棒性。F6 項(xiàng)目的六大關(guān)鍵技術(shù)包括：自發(fā)現(xiàn)、自動配置、故障自愈的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；安全、可靠、抗干擾的無線通信技術(shù)；開放、可擴(kuò)充性、自適應(yīng)性、自主容錯的分布式計(jì)算技術(shù)；高效、可靠、無干擾的無線能量傳輸技術(shù)；自主、碰撞規(guī)避、星群分散重聚的星群導(dǎo)航控制技術(shù)；以及分布式有效載荷技術(shù)。DARPA 以研制并發(fā)射飛行試驗(yàn)系統(tǒng)為目標(biāo)，制定了跨度4年的實(shí)施路線圖，共分4 個階段。該計(jì)劃的第一階段為概念和系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，于2009年2月完成。考慮到分離模塊航天器概念的大量工作是研究以價(jià)值為中心的設(shè)計(jì)方法，其中需要對價(jià)值、成本、風(fēng)險(xiǎn)等多項(xiàng)因素進(jìn)行度量和分析，模型的構(gòu)建和參數(shù)選取需要大量歷史數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)，因此選擇工業(yè)部門牽頭，資助了四個團(tuán)隊(duì)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，并為不同的分離航天器系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。2013年，DARPA 認(rèn)為該項(xiàng)任務(wù)不值得繼續(xù)，最終取消了F6計(jì)劃。

圖4 F6系統(tǒng)概念Fig.4 DARPA’s System F6 network

2.5 ONION項(xiàng)目

ONION 項(xiàng)目由歐盟地平線2020 計(jì)劃資助，研究了分布式衛(wèi)星架構(gòu)如何應(yīng)用于地球觀測（EO），并提出了分體與聯(lián)邦衛(wèi)星系統(tǒng)的概念，以補(bǔ)充哥白尼空間基礎(chǔ)設(shè)施在2020年至2030年對于極地區(qū)域的監(jiān)測，為歐洲地球觀測系統(tǒng)帶來競爭優(yōu)勢。與地面網(wǎng)絡(luò)類似，這些系統(tǒng)設(shè)想了衛(wèi)星功能在多個合作航天器（被視為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）之間的分布，衛(wèi)星以機(jī)會主義的方式共享軌道上的資源，同時(shí)執(zhí)行獨(dú)立的任務(wù)，適用于從地球觀測到空間科學(xué)的各種應(yīng)用。

3 DSS的典型應(yīng)用優(yōu)勢與不足

雖然單體衛(wèi)星任務(wù)在準(zhǔn)確性和操作方面仍具有顯著優(yōu)勢，但新型分布式體系結(jié)構(gòu)有望提高靈活性、響應(yīng)能力和對結(jié)構(gòu)和功能變化的適應(yīng)性。DSS的典型應(yīng)用優(yōu)勢如下。

圖5 ONION項(xiàng)目概念Fig.5 ONION artist’s impression

（1）由于其分布式特性，DSS 的魯棒性和系統(tǒng)可用性強(qiáng)。分散功能可以消除單點(diǎn)故障，并允許在節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)給用戶提供服務(wù)，甚至在大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無法工作時(shí)仍可交付數(shù)據(jù)。如果提供了對故障做出反應(yīng)的必要內(nèi)部機(jī)制，則故障節(jié)點(diǎn)的服務(wù)和功能可能會被系統(tǒng)吸收，從而使系統(tǒng)具有更高的彈性。它們的功能和結(jié)構(gòu)劃分也允許在向系統(tǒng)添加新功能時(shí)，或者是為了克服永久性故障時(shí)替換或添加新節(jié)點(diǎn)，從而最小化故障補(bǔ)償成本。分布式衛(wèi)星系統(tǒng)具有更強(qiáng)的生存能力，可以吸收更多的點(diǎn)攻擊。它們也比單體衛(wèi)星更具機(jī)動性，以避免區(qū)域性打擊，可以在新的軌道位置進(jìn)行自組織和自重構(gòu)，并重新提供服務(wù)。

（2）DSS 響應(yīng)能力和適應(yīng)性也可以通過逐漸開發(fā)或部署策略得到增長。通過逐步地向DSS 增加新節(jié)點(diǎn)，可以滿足一系列計(jì)劃或性能遞增任務(wù)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的要求。在已經(jīng)部署的DSS 上增加新功能還可以使這些系統(tǒng)適應(yīng)不斷變化的環(huán)境或用戶需求，從而補(bǔ)充其靈活性。與單體航天器相比，分布式架構(gòu)的財(cái)務(wù)支出也可以分為幾個階段，當(dāng)成本無法一次性全部承擔(dān)時(shí)，選擇可以負(fù)擔(dān)的方式。

（3）DSS 通常采用更小、更簡單的衛(wèi)星，使衛(wèi)星的大規(guī)模生產(chǎn)和模塊化設(shè)計(jì)成為可能，減少了衛(wèi)星設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的時(shí)間。另一方面，小衛(wèi)星發(fā)射成本較低，因?yàn)樗鼈兏p，對運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力要求更低，因此更適合快速發(fā)射，能夠更快的組網(wǎng)、重構(gòu)并提供服務(wù)能力。同時(shí)，模塊化的設(shè)計(jì)使衛(wèi)星系統(tǒng)具有組織靈活、維修方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可有效提高空間系統(tǒng)的可維修性，降低空間系統(tǒng)建設(shè)成本，滿足空間應(yīng)用的多任務(wù)需求。

（4）DSS 可以有效的改善任務(wù)性能。一方面，從多個地理位置同時(shí)獲取數(shù)據(jù)將提高時(shí)間分辨率（即重訪時(shí)間）。分布式架構(gòu)允許節(jié)點(diǎn)間接下載其數(shù)據(jù)從而減少數(shù)據(jù)訪問延遲，并實(shí)現(xiàn)對大型目標(biāo)區(qū)域的近實(shí)時(shí)監(jiān)控。另一方面，增加觀測節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也可以在保證高分辨率的情況下獲得更大的覆蓋范圍，單個節(jié)點(diǎn)不需要更大的幅寬。該特點(diǎn)的一個實(shí)際例子是美國的Planet 衛(wèi)星群，擁有近200 顆在軌衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)每天監(jiān)測全球一次。除了時(shí)間、空間和頻譜范圍的改善外，DSS 還可以通過融合多個航天器的數(shù)據(jù)來提高角分辨率。

這些新的DSS 架構(gòu)提供了新的系統(tǒng)屬性，實(shí)現(xiàn)了突破性的功能。但同時(shí)也難免帶來一些負(fù)面影響。

（1）增加了接口、網(wǎng)絡(luò)和管理等方面的復(fù)雜性，這些技術(shù)在單體衛(wèi)星中更成熟也更簡單。

（2）小衛(wèi)星由于體積有限，載重非常小，功率也相對較低，而且運(yùn)行壽命相對于一般衛(wèi)星來說非常短，具有較高的風(fēng)險(xiǎn)。

4 新型DSS應(yīng)用場景

DSS 在對地遙感、通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是其應(yīng)用潛力不限于此。DSS 極大的延伸了系統(tǒng)的測量基線，因此能夠充分的應(yīng)用干涉技術(shù)，能夠極大地促進(jìn)光學(xué)與微波方面的空間遙測技術(shù)發(fā)展。DSS 的潛在應(yīng)用可分為行星科學(xué)、空間科學(xué)、在軌服務(wù)三大領(lǐng)域。

在行星科學(xué)領(lǐng)域，多顆近距離飛行的衛(wèi)星可搭載用于空間遙感和監(jiān)視，如合成孔徑雷達(dá)干涉儀或梯度儀。從同時(shí)照射給定目標(biāo)的分離天線獲得的雷達(dá)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行差分，以獲得地形高度的精確測量或?qū)崿F(xiàn)動目標(biāo)檢測。類似地，相近的飛行加速計(jì)或無拖曳衛(wèi)星可用于將地球重力場重建到前所未有的分辨率。精確的星間跟蹤可以提供多個空間方向的同步測量，以估計(jì)整個重力梯度張量。通過使用多個無拖曳衛(wèi)星對重力異常進(jìn)行快速測量，可能發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測石油或地下水變化以及儲量情況。

在空間科學(xué)領(lǐng)域，DSS 在飛行的過程中，能夠在傳統(tǒng)的空間觀測技術(shù)上發(fā)展和創(chuàng)新，進(jìn)行新興領(lǐng)域的探測，利用觀察到的天文數(shù)據(jù)和物理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，極大地促進(jìn)了空間科學(xué)的發(fā)展。例如，雙航天器望遠(yuǎn)鏡可用于對天文資源進(jìn)行詳細(xì)的光譜研究，并直接對系外行星進(jìn)行成像。紅外和可見光波段的多航天器干涉儀被認(rèn)為是新的天體物理學(xué)發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵。由三個或更多高性能的航天器組成DSS 可以形成重力波天文臺，能夠探測大質(zhì)量的黑洞雙星，甚至可以構(gòu)成極高分辨率的合成孔徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

在軌服務(wù)領(lǐng)域，DSS 可以通過合作或非合作的方式用于空間大型結(jié)構(gòu)的組裝、近地目標(biāo)的檢測和特征識別，以及航天器維修、燃料加注等在軌服務(wù)任務(wù)。從長遠(yuǎn)來看，新型的DSS，如分離航天器和聯(lián)邦航天器，將在空間中建立巨大的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)空間中的物聯(lián)網(wǎng)。

（1）應(yīng)用場景1：TanDEM-X

高精度數(shù)字高程模型是所有現(xiàn)代導(dǎo)航應(yīng)用的基礎(chǔ)，在民用和軍事領(lǐng)域都得到了廣泛關(guān)注。為滿足對所有陸地區(qū)域進(jìn)行全局、均勻且高分辨率覆蓋的要求，從而為各種應(yīng)用提供重要信息，德國航空航天中心提出了高分辨率干涉合成孔徑雷達(dá)（SAR）任務(wù)——TanDEM-X［24］。

TanDEM-X 任務(wù)概念基于對TerraSAR-X 任務(wù)的擴(kuò)展，該任務(wù)由兩個幾乎完全相同的TanDEM-X衛(wèi)星組成。兩顆衛(wèi)星以300～500 m 的典型跨軌距離近距離編隊(duì)飛行，從而提供了一種靈活的單通SAR 干涉儀配置，可以根據(jù)不同的任務(wù)需求選擇基線。TanDEM-X 編隊(duì)的主要目標(biāo)是生成與HRTE-3相對應(yīng)的全局、一致、及時(shí)的高精度數(shù)字高程模型。除此之外，TanDEM-X 還提供了可配置的SAR 干涉測量平臺，用于展示最新的SAR 技術(shù)和應(yīng)用，例如數(shù)字波束成形，單程極化SAR 干涉測量，長軌干涉測量等。

避免近距離編隊(duì)飛行碰撞是TanDEM-X 任務(wù)最為關(guān)鍵的問題，為此，提出了雙螺旋編隊(duì)的新軌道概念，以確保安全的軌道分離。為確保SAR干涉測量基線的穩(wěn)定和精確，德國航空航天中心開發(fā)了導(dǎo)航和編隊(duì)飛行軟件包——TAFF，實(shí)現(xiàn)TanDEM-X的自主編隊(duì)飛行。

圖6 TanDEM-X任務(wù)概念圖Fig.6 Artist’s view of bistatic observation by the TanDEM-X configuration

（2）應(yīng)用場景2：LISA

在頻率范圍0.1MHz～1Hz 之間的低頻頻段上，宇宙中充滿了強(qiáng)大的引力波源，但是由于基線長度限制和地球重力梯度噪聲的影響，地面上是無法對這一頻段的引力波進(jìn)行直接測量的。適用于在低頻頻段上測量引力波的儀器是臂長盡可能長且積分時(shí)間長的激光干涉儀，這是航天探測器的主要動力。

激光干涉空間天線（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）是一個由NASA 和ESA 合作的引力波探測項(xiàng)目。LISA 探測器由三個相同的航天器構(gòu)成，它們將組成一個高精度干涉儀，通過監(jiān)測航天器內(nèi)部自由落體測試質(zhì)量之間距離的微小變化來探測引力波。

LISA 概念的一個關(guān)鍵特征是三個航天器均采用與地球相同的日心軌道，保持了近等邊三角形結(jié)構(gòu)，不需要軌道修正，如圖6 所示［25］。LISA 與太陽的連線和地球與太陽的連線之間的夾角為20°，這種設(shè)計(jì)是為了盡可能減少地球引力造成的影響。在每一個航天器上都有兩個完全相同的光學(xué)臺，包含有激光光源、光學(xué)分束器、光檢測器、光學(xué)鏡組等組成干涉儀的光學(xué)器件。由于每兩個航天器之間的夾角為60°，每個航天器上的每一個光學(xué)平臺都會和相鄰的航天器上的光學(xué)平臺發(fā)生干涉。LISA的另一項(xiàng)關(guān)鍵特征是每個航天器內(nèi)部的自由落體測試質(zhì)量不受引力以外的外力干擾。無拖曳操作使航天器能夠跟蹤測試質(zhì)量，同時(shí)保護(hù)測試質(zhì)量不受外力的干擾。

圖7 LISA任務(wù)Fig.7 LISA mission（(a)Orbital configuration of LISA(b)Artist’sconception of LISA spacecraft）

5 發(fā)展建議

分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的一些概念在技術(shù)上還不成熟，在實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)和操作上都存在挑戰(zhàn)，針對這些挑戰(zhàn)，本文提出以下3項(xiàng)發(fā)展建議。

（1）發(fā)展衛(wèi)星自主運(yùn)行技術(shù)。航天器與地面站距離較遠(yuǎn)會導(dǎo)致通信子系統(tǒng)出現(xiàn)延遲，并且當(dāng)航天器位于地球背面時(shí)，將無法與地面站直接進(jìn)行通信，使得地面操作人員無法靈活地管理航天器。另一方面，當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)量很多時(shí)，將會給地面站對衛(wèi)星的管控帶來很大的挑戰(zhàn)，因此有必要發(fā)展衛(wèi)星自主運(yùn)行技術(shù)。自主衛(wèi)星可以進(jìn)行智能感知、任務(wù)規(guī)劃和執(zhí)行、分布式?jīng)Q策、故障管理、在軌數(shù)據(jù)處理，能適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件，避免錯過任何觀測機(jī)會，從而提供更好的性能。自主性也被認(rèn)為是帶來新的分布式地球觀測功能和允許新的結(jié)構(gòu)功能的一個必要特性。任務(wù)計(jì)劃和調(diào)度（MPS）框架是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星任務(wù)自主操作的關(guān)鍵組件。利用多智能體系統(tǒng)（MAS）對DSS 進(jìn)行建模是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的一個共同趨勢，MAS框架可以為系統(tǒng)提供性能改進(jìn)并允許復(fù)雜的功能。自主性的實(shí)現(xiàn)離不開人工智能技術(shù)，實(shí)際上，人工智能領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，并提出了多智能體學(xué)習(xí)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等十分具有應(yīng)用前景的技術(shù)。

（2）發(fā)展激光通信技術(shù)。下一代衛(wèi)星系統(tǒng)被設(shè)想為異構(gòu)衛(wèi)星的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以更高的分辨率覆蓋更大的大區(qū)域或最小化數(shù)據(jù)訪問延遲。這些新穎的架構(gòu)利用了已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地面應(yīng)用的概念和技術(shù)，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、多核計(jì)算或云服務(wù)。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)為它們的基礎(chǔ)設(shè)施提供數(shù)據(jù)服務(wù)，參與協(xié)作工作，甚至在它們之間無線交換資源。對于所有依賴于實(shí)時(shí)共享大量數(shù)據(jù)的DSS 概念來說，高帶寬通信是一種基本的支持技術(shù)，以便實(shí)時(shí)共享載荷數(shù)據(jù)、相互發(fā)送命令或遙測數(shù)據(jù)。另一方面，網(wǎng)絡(luò)安全對DSS 的成功運(yùn)行至關(guān)重要，對于數(shù)據(jù)或航天器功能由多個參與者擁有并在網(wǎng)絡(luò)中共享的商業(yè)或軍事應(yīng)用尤其如此。與射頻通信相比，激光通信的波長更短，在質(zhì)量和功耗上都具有優(yōu)勢，同時(shí)抗干擾性更強(qiáng)。分布式衛(wèi)星系統(tǒng)研究機(jī)構(gòu)對激光通信表現(xiàn)出極大的興趣，因?yàn)樗梢詤f(xié)調(diào)多顆衛(wèi)星并允許高性能的星間鏈接，同時(shí)最大程度地減少各部分之間的干擾。但是，它們需要精確的指向，以便能夠建立光學(xué)鏈接，因此衛(wèi)星平臺需要高精度的姿態(tài)確定和控制。

（3）提高計(jì)算單元的計(jì)算能力。隨著高度小型化系統(tǒng)和超低功耗技術(shù)的出現(xiàn)，微型和納米衛(wèi)星已成為實(shí)現(xiàn)多觀測節(jié)點(diǎn)對地觀測任務(wù)的適宜平臺。與此同時(shí)，這些技術(shù)的使用對航天器造成了限制，主要是在通信、計(jì)算和姿態(tài)控制能力方面。但是許多DSS 概念依賴于計(jì)算單元具有快速處理大量數(shù)據(jù)的能力，尤其是在攜帶能夠產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的儀器的地球觀測任務(wù)中，如高光譜成像儀或SAR，因此有必要提高星載處理單元的計(jì)算能力。

6 結(jié)束語

DSS 已成為衛(wèi)星應(yīng)用的一個重要發(fā)展方向，通過對分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的概念與內(nèi)涵分析，可以將其分為星座、衛(wèi)星列車、編隊(duì)、集群、分體衛(wèi)星系統(tǒng)和聯(lián)邦衛(wèi)星系統(tǒng)，并對研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。最后，分析了DSS 的特點(diǎn)和應(yīng)用場景，重點(diǎn)從工程實(shí)現(xiàn)的角度對關(guān)鍵技術(shù)的研究提出了思路與建議，為我國DSS的技術(shù)發(fā)展提供參考。