星间飞行,微纳卫星星座和编队组网技术研究进展

星间飞行,微纳卫星星座和编队组网技术研究进展

1.简介

微纳卫星自1980年代微电子、微机电技术等技术的发展至今已有30多年的历史。目前，全球研究机构普遍认为，微纳卫星在小型化、功能密度、开发成本、发射难度、灵活性等方面具有很大优势，具有广阔的应用前景；但同时，受制于其规模限制，单颗卫星的在轨功能有限，这也成为阻碍微纳卫星广泛应用于各种航天任务的最大限制。采用多颗卫星协同工作，可以显着发挥微纳卫星的优势，同时克服单颗卫星工作的不足。

与分布式卫星（如星座）的简单概念不同，协作卫星更注重结构功能，即多颗卫星相互协作完成任务。协同微纳卫星系统的定义是多颗（2颗或更多颗）微纳卫星按一定要求分布在一个或多个轨道上，协同完成一定的空间任务（如观测、通信等） .)、侦察、导航等），使航天飞行具有更大的应用价值。其中，星座组网和编队组网是微纳卫星协同系统最重要的两种形式。

2.微纳卫星星座组网特性及应用

2.1个微纳卫星星座

2.1.1微纳卫星星座的概念

微纳卫星星座是多颗微纳卫星的集合，它们协同工作以完成特定的太空任务。星座中的多颗恒星协同作用以增加地面覆盖率或缩短重访时间。由于星座在任务执行过程中没有固定的分布配置要求，通过单星轨道控制来保持地面覆盖特性，卫星之间不需要实施闭环控制，可能没有卫星之间的信息交换和服务。

2.1.2个微纳卫星星座特征

微纳卫星通常工作在低轨道（500km-1500km），发射和配置简单，没有高轨卫星所具有的高通信延迟，对地分辨率高，建设星座优势明显。另一方面星间飞行，单颗微纳卫星功能简单星间飞行,微纳卫星星座和编队组网技术研究进展，构成星座的卫星数量多，卫星寿命较短，使得微纳卫星星座系统庞大而复杂，在同时给地面测控带来很大压力。结合这些特点，微纳卫星星座建设应平衡任务需求与实施方式的决策，以实现最优星座性能。

微纳卫星星座的性能可以总结如下：

2.1.3微纳卫星星座的应用与发展

卫星星座的发展可以追溯到 1960 年代。随着空间技术的进步和应用需求的提高，卫星星座的应用越来越多。微纳卫星技术研究热潮到来后，自1990年代以来，世界各国相继开展微纳卫星星座的研究和建设。从已建立的各种微纳卫星星座来看，星座可分为导航星座、通信或数据中继星座、遥感星座（侦察、预警、环境监测等）、科学实验星座等下面介绍几个具有代表性的微纳卫星星座，说明微纳卫星星座的技术发展水平。

a)Orbcomm 通信卫星星座

Orbcomm卫星通信系统是美国三大低轨移动星座卫星系统之一，可实现短数据（非语音）全球通信。具有投资少、周期短、通信定位兼备、卫星重量轻、用户终端小巧便携、星座运行自动化程度高、自主功能强等优点；适合市场需求，应用广泛，性价比高。它是世界上第一个也是唯一一个双向短数据低轨微纳卫星通信系统。

图 1 Orbcomm 通信卫星星座

自1991年以来，Orbcomm星座卫星系统先后经历了35颗Orbcomm-1、1 Orbcomm CDS-3、5 Orbcomm Quick Launch、2 VesselSat和18 Orbcomm OG2的系列测试卫星。 Orbcomm系统支持的业务种类越来越多，卫星功能越来越强大，用户数量不断增加，发展前景还是很乐观的。

b)Aprize 通信卫星星座

Aprize系统归美国公司AprizeGlobal所有，为全球行业公司和交通部门提供移动和固定监控终端。窄带数据传输服务。公司利用商业化的微纳卫星星座，运行AprilizeStar网络，开发用户设备，包括传感器、通信机和增值服务，并推动行业应用，如集装箱、石油的现场实时跟踪和监控储罐、化学品仓库等，以及车辆驾驶。路线跟踪。 Aprize 星座预计由 24-64 颗微纳卫星组成。每颗卫星重约10公斤，轨道高度为650公里。单颗卫星造价120万美元，设计寿命10年以上。第一颗卫星于 2002 年发射，截至 2014 年星间飞行，已有 12 颗卫星在轨。

图 2 AprizeSat 卫星

该星座于2003年投入商业运营，采用低成本系统架构，搭载发射。大大降低用户设备成本和服务费用。

c)鸽子卫星星座

Flock 卫星星座（Flock 遥感卫星星座）是世界上最大的地球成像卫星星座，由美国卫星成像初创公司Planet Labs 开发。鸽子星座由约350颗卫星组成，每颗为3U标准微纳卫星，配备自主研发的光学系统和摄像头，设计寿命3年以上。该星座分布在轨道高度420km、轨道倾角58度的国际空间站轨道和轨道高度475km、轨道倾角98度（或更高）的太阳同步轨道两个轨道上，使用高密度排列在同一轨道上的不同相位的卫星。增加地面覆盖面积的方法。

图3 Dove星座的遥感覆盖范围和当前部署覆盖范围

Pigeon Constellation是世界上唯一具有全球高分辨率、高频率和全覆盖能力的遥感卫星系统。从图3可以看出，Dovesat卫星星座目前已经实现了全球观测，对大部分热点地区和国家甚至达到了每天100多次的观测。 Planet Labs积累了超过80亿平方公里的地球遥感数据，其中鸽子星座本身可以达到3m到5m的地对地分辨率，每日总观测面积高达1.@ >5亿平方公里；该星座每天可提供高达500万平方公里的高精度遥感数据。

d)“珠海一号”卫星星座

“珠海一号”遥感微纳卫星星座是由我国珠海轨道公司规划、航天东方红卫星有限公司研制的。该星座由12颗视频微纳卫星、4颗高光谱微纳卫星和2颗SAR微纳卫星组成，形成高效的空间遥感微纳卫星星座，预计未来2年发射部署。至 3 年。它的前两颗轨道视频卫星 1A 和 1B（OVS-1A 和 1B）于 2017 年 6 月在长征四号乙运载火箭上在酒泉卫星发射中心发射。这两颗卫星是视频成像卫星，可以实现大范围的侧摆和快速凝视。单颗卫星质量55kg，光学分辨率1.98m。它有两种工作模式：凝视视频和条带成像。这颗恒星一年可以覆盖地球两次。星座部署完成后，珠海一号星座每5天更新一次全球遥感数据。

图4珠海一号遥感微纳卫星星座

该星座在全球范围内收集可见光图像、可见光视频和高速卫星。海量地球遥感数据的光谱图像等高时空分辨率，形成全天、全天候的地球观测能力，可为同一观测对象提供多种类型的遥感数据，实现全方位精准遥感。数据通过地面应用系统接收处理，形成高价值卫星大数据产品，可为全球政府、企业和个人提供新的卫星数据服务。珠海一号是我国首个由民营上市公司投资运营的遥感微纳卫星星座，也是我国在遥感微纳卫星星座领域的开创性举措。

2.2微纳卫星编队飞行

2.2.1颗微纳卫星编队飞行概念

微纳卫星编队飞行是指几颗卫星形成一个特定的形状，而这个特定形状的每颗卫星一方面保持这个形状，同时围绕行星中心旋转。编队飞行时，单颗卫星基本上不能单独运行，需要各卫星相互配合；每颗卫星与其他卫星保持联系，共同承担信号处理、通信和有效载荷工作。每颗卫星都按照编队飞行的要求保持编队，只有依靠卫星之间的闭环编队控制才能实现。

2.2.2颗微纳卫星编队飞行特性

编队网络中微纳卫星的任务功能是，在整个编队中飞行的每颗卫星共同完成，整个星座构成一个大型“虚拟卫星”。这不仅弥补了单颗卫星的功能限制，而且利用轻巧灵活的微纳卫星替代了大型复杂的大型卫星，大大提高了整个系统的规模和能力，提供了很好的测量基线，并且还可以实现对目标区域观测数据的干涉和合成，可以获得极高的观测精度。编队网络中的微纳卫星通常具有灵活的加入和退出机制，具有很强的可重构性、冗余性和可靠性；由于协同工作，卫星之间的信息交换量大，同时自主性很强，减少了对地面站的依赖。

根据编队飞控要求的不同，编队微纳卫星可分为以下三类，其技术水平和实施难度依次增加。

2.2.3 微纳卫星编队飞行的应用与发展

微纳卫星编队飞行正在通过航天试验研究验证阶段，大部分是动力学理论研究和设计方案论证，另外一小部分是最简单的两星系列飞行航天试验虽然近20年来微纳卫星编队研究规模和深度逐渐增加，具有很大的应用价值，但由于其技术难度大，特别是复杂编队的控制问题一直没有解决，真正的应用还没有开始。下面列举几个已经实施或正在开展的微纳卫星编队飞行试验，说明微纳卫星编队组网技术发展水平。

a)Techsat-21 计划

自 1998 年以来，空军研究实验室开展了一项名为 Techsat-21 的雄心勃勃的计划。其目的是利用低成本的小卫星组成三维编队飞行星座。 TechSat-21卫星是一个细长的六角棱柱，高7m，直径约1.3m，质量约99kg。该编队构成一颗虚拟的大卫星，其生命周期成本低于具有相同功能的大卫星。卫星的主要测试任务包括：编队飞行、星座管理、精确授时与授时、分布式疏散孔径雷达信号处理等。不幸的是，由于技术困难、非常严格的相位同步和干扰要求以及预算超支，该计划于 2003 年被取消。

图 5 TechSat-21 计划构想

b) 3Csat 编队

3Csat（3 Corner Sat）三角形纳米卫星由美国三所大学开发。目的是实现纳米卫星编队飞行，展示气象立体成像技术。编队由3颗卫星组成，单颗卫星质量为15kg。其中，科罗拉多大学博尔德分校和亚利桑那州立大学研制的两颗卫星于2004年发射；新墨西哥州立大学研制的一颗卫星研制延迟，未能赶上发射时间。由于 Delta 4 Heavy 火箭首次发射出现问题，两颗卫星在发射过程中未能到达预定轨道。

图6 3Csat中的两颗已完成的卫星

c)ION-F 形成

ION -F (Ionospheric Observation-Nanosatellite-Formation) 电离层观测-Nanosatellite-Formation 由美国三所大学开发，用于测量电离层密度不均匀对无线电传播（包括通信、导航、全球定位系统、等）卫星编队。该编队由三颗卫星组成，每颗为一颗质量为15kg的三轴地稳卫星。三颗卫星组成一个珠状卫星编队，两颗卫星配备推进系统来控制珠状编队的构型。 ION-F是世界上首次尝试进行微纳卫星编队进行近地轨道空间环境监测。

图7 ION-F的形成

d)F6 计划

System F6（Future, Fast, Flexible, Fractionated, Formation-Flying）计划，又称Fractionated Spacecraft，通过功能分解、结构分离、无线连接，提出标准化、模块化的编队飞行，实现航天器的多种组合。一颗或几颗大型卫星在太空中执行各种任务，这被称为航天器设计和研制的重大技术革命。 F6计划的概念可以追溯到1984年P. Molette发表的论文，但由于当时卫星的质量、体积和成本较高，未能进入实际研发阶段。 2006年，欧文·布朗在现有微纳卫星技术的基础上，提出了“F6”构想； 2007年，美国国防高级研究计划局（DARPA）牵头多家公司实施，随后进入开发和测试阶段。 2013年F6项目预审宣布暂停。

图8 F6计划构想

3.微纳卫星星座及编队组网关键技术

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3.1高功能密度微纳卫星技术

微纳卫星在星座组网应用中的优势是通过其极高的功能密度来实现的。所谓功能密度，是指微纳卫星每单位重量所能提供的功能。高功能密度微纳卫星中的“高”有两层含义：一是卫星平台各子系统和部件的功能密度高，消耗的系统资源（如质量、体积、功耗、等）并输出更高的性能指标；二是载荷占比高。目前，微纳卫星的负载比例一般在30%~40%左右。复杂太空任务的要求。高功能密度不仅是微纳卫星技术未来的发展方向，也是在星座编队系统应用方面相比常规卫星最突出的优势。将对整个协同卫星系统产生重要影响，具有广阔的应用前景。

3.2 星座与编队配置设计

星座编队配置设计面临的普遍问题是需要综合考虑收益、成本和任务要求、实施难度、运维能力等因素，因此配置性能的评价是一个复杂的问题。权衡取舍的问题，不能仅仅依靠数字仿真的方法来设计。另一方面，两者各有特点。对于微纳卫星星座的设计，覆盖是星座设计的基本点。不同的覆盖需求会导致星座形态、卫星数量、卫星分布等方面存在明显差异。目前微纳卫星星座基本采用delta星座、sigma星座、玫瑰星座和斜圆轨道星座，这些星座相对容易实现，已经实现了全球连续覆盖、区域连续覆盖、连续或不同任务的间歇性覆盖。区域覆盖等不同的覆盖要求。对于编队飞行的微纳卫星，其构型设计不仅要考虑编队构型满足科学任务的需要，还要重点解决维持构型所需的燃料消耗问题。尤其是在微纳卫星所在的近地轨道，初始编队飞行轨道构型建立，航天器在长期运行过程中由于轨道扰动需要保持编队构型星间飞行,微纳卫星星座和编队组网技术研究进展，都需要较大的推进资源的数量。因此，如何节省燃料和能源以满足航天任务的要求是一个重要的研究课题，新的控制方法和技术还处于研究和示范阶段。

3.3自主操作技术

星座和编队组网都涉及大量卫星的支持，因此微纳卫星系统的测控与运行管理模式相协调 从传统的地面测控发展是必然趋势操作模式改为智能自主操作模式。单航天器自主运行技术研究取得丰硕成果，如美国国家航空航天局研制的Remote Agent自主航天器，美国、中国、中国等国开展的空间自主交会对接、自主测姿控制等。日本。协同微纳卫星系统自主运行技术奠定了基础。目前，国内外对单星自主运行规划的研究较为深入和普遍，但对多星自主运行的研究尚不成熟。从广义上讲，微纳卫星协同系统自主运行技术的功能主要包括六个方面：1）卫星之间的相互协调与合作； 2） 系统资源分配与管理； 3） 异常情况监测与处理； 4） 在轨运行期间的任务规划和规划； 5） 控制命令的执行； 6） 任务数据分析和处理。微纳卫星星座如何与编队中的卫星开展任务协作，如何确定自主运行结构，如何有效传递通信控制，如何进行轨道规划和资源分配，如何建立自主运行架构协同控制仿真环境，以及如何提高系统可靠性，是未来微纳卫星星座和编队自主运行理论和实践需要解决的问题。

3.4 星间相对测控

星间相对测量技术主要包括星间距离测量、方位角测量和相对位置测量。对于协同卫星系统的卫星间相关测量技术，国内外开展的研究工作已经相当深入。主要有三种测量方式： 1） 基于视觉的相对测量技术：以光学传感器为测量元件，测量卫星间的相对距离和角度关系，用于计算相对位置、速度和卫星姿态； 2）基于全球定位系统（GPS）的差分相对导航；3）星间测距系统：通过卫星星载测距系统收发无线电信号，获得伪距或载波相位观测卫星之间的信息，可以获得高精度的相对位置、速度和卫星姿态信息。通过一定的滤波算法，前两种相对测量技术的相对测量精度可以达到厘米级，星间测距系统的相对测量精度甚至可以达到微米级。星间相对控制的主要任务是实现编队捕获、编队重构和编队维护。控制涉及6个自由度：三维轨道位置和三轴姿态。这些自由度通常是耦合的，很难单独解耦和求解。因此，对于星座的星间与编队的相对控制是一个复杂的多变量系统控制。控制策略应从系统层的顶层进行规划，然后对控制系统技术进行具体设计。目前，国内外学者针对不同的星间相对控制任务提出了比例微分（PD）控制方法、离散速度脉冲控制方法和鲁棒控制方法。

3.5高效轨道控制与转移技术

轨道控制能力是未来星座和微纳卫星编队的必备能力。轨道控制和轨道转移，是依靠高效微型推进系统来实现的。轨道控制和转移主要存在三个阶段： 1）卫星轨道阶段：由于微纳卫星的星座和编队数量众多，而且往往处于不同的轨道平面，直接发送难度更大，成本更高由载体进入轨道。高，需要微纳卫星完成从漂移轨道到工作轨道的转换； 2）运动控制阶段：系统中的一颗或几颗卫星需要根据任务要求进行轨道机动，或者进行故障卫星。替代品; 3）配置维护和维持阶段：星座中单个卫星的轨道维护，或编队卫星的相关控制。目前，国内外对微型推进技术进行了一定的研究。比较常用的有空调推进、液化气推进、电力推进、化学推进、MEMS推进等，但仍处于示范验证阶段，尤其是在微纳卫星上。应用还不成熟。随着协同微纳卫星系统的进一步发展，迫切需要高比冲、大推力、高速度增量的新型微推进技术。