分布式卫星星座.docx

分布式卫星星座.docx

《分布式卫星星座.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分布式卫星星座.docx（6页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

分布式卫星星座

分布式卫星星座

提升卫星生存能力的革命性技术作者：

吴　勤

现代军事2008年7期　　当前，航天技术正经历着一场新的革命，为军事航天技术的发展带来了新的契机。

在这场革命中，美国军事航天技术的发展尤为迅猛，因为美国坚信，要保持太空优势，就必须保持相应的技术优势。

　　美国军事航天技术的战略目标是，近期发展有助于降低国家太空危险的系统和技术；远期，努力开发高回报技术，获得当前未想象到的，可改变“游戏”规则的能力，这些能力将用以支持未来的各种冲突，同时在太空的研究和发展方面引领世界。

从近期的发展来看，在轨服务技术与“分离模块航天器”技术成为目前军事航天领域最具革命性的技术，将对空间技术和航天产业带来革命性的影响。

　　现有卫星技术的弊端及对策研究

　　目前的卫星从研制到发射，周期长达5～10年，即是成熟的产品也往往跟不上技术的进步，系统臃肿复杂，成本也直线飙升，一个小小的软件编程纰漏或者某个部件功能失效，就会导致整个计划的失败及不堪设想的后果。

军用卫星也不例外。

导致这些问题的主要原因有，①传统卫星物理结构的一体化，即有效载荷与使有效载荷正常工作的动力、指控和通信等分系统形成一个整体结构，各分系统互相嵌套、互相约束，研制过程中任何一个部件或分系统出现问题，都将影响到整个系统；②目前的卫星都是一次使用的，缺乏可维修的设计，发射后一旦任何子系统出现故障都将导致整个系统丧失功能。

　　目前，科技人员正在研究如下两个技术，以期解决上述问题。

一是在轨服务技术。

该技术建立在航天器模块化和标准化的基础之上，通过实现自主在轨加注燃料、模块更换或升级等技术途径和措施来提高航天器的生存能力。

2007年3月美国发射的“轨道快车”是这一发展思路的典型体现。

另一个则是发展分布式卫星系统，由一群小卫星编队飞行构成一颗虚拟的大卫星，来替代复杂的大卫星工作。

沿着这条思路，科学家们提出了“分离模块航天器”（fractionatedspacecraftmodules）的概念，希望能够把一个航天器按功能分解为有效载荷、动力、能源、通信等专门模块，这些模块物理分离，通过编队飞行和无线传输方式构成一颗虚拟的大卫星，以完成特定的任务。

这种“分离模块航天器”的概念一经提出，就得到了美国军方的高度关注，成为近年航天领域的热点问题。

2007年美国国防高级研究计划局（DARPA）为了试验这种理念提出了F6计划，该计划已成为“太空快速响应作战”（ORS）计划的一个重要组成部分。

　　在轨服务技术

　　是指对在轨运行的航天器进行各类操作，包括组装、维修、回收与释放等传统操作（已应用空间站的建设），以及捕获、补给、升级、干扰与攻击等可用于空间攻防对抗的新型操作（正在探索）。

研究中的在轨服务体系主要由主航天器与目标航天器组成。

根据在轨服务的能力与规模，主航天器可以进一步分为大型在轨服务平台与小型空间机器人。

前者主要提供大型航天器的在轨组装、维护等，也可运输与投送大型货物与航天器，后者主要为目标航天器提供灵活机动的服务，如对己方航天器进行燃料加注、更换，升级部件等，同时对敌方航天器进行监视、寄生、软杀伤和硬杀伤等。

　　在轨服务技术的应用

　　在轨服务技术并不是新出现的技术，但是以前都主要用于空间站，近年来各国才开始探索将其应用于提高军用卫星生存能力与空间对抗。

在轨服务技术凭借其成本低、风险小、军事利用价值高等特点，成为了目前乃至未来军事航天技术领域新的研究与发展方向。

　　对己方的航天器，在轨服务主要包括检测、维护、补给、升级和防护等服务。

检测是指主航天器飞至目标航天器附近，利用各种传感设备对其进行检查和测试，以了解目标航天器的状态。

维护指在检测的基础上，主航天器对目标航天器进行保养与维修。

补给指利用主航天器对目标航天器进行各种能源补给。

升级指对目标航天器的部件或软件进行替换或升级。

防护指利用在轨服务对目标航天器进行保护，包括清理碎片、对目标航天器进行变轨等。

　　利用在轨服务可以对敌方航天器执行监视感知以及软硬杀伤等操作。

监视感知是指在轨主航天器飞至敌方目标航天器附近利用各种传感器设备对其进行监测，获取各类参数等。

软、硬杀伤则是指对目标实施非致命性、致命性的毁伤。

　　关键技术

　　空间在轨服务技术体系十分庞大，涉及控制、机械、材料等多种学科技术。

空间自主在轨服务技术是未来空间在轨服务发展的新方向。

　　控制技术——控制技术涉及空间在轨服务的各个方面，主飞行器的姿态控制、轨道控制，对合作和非合作目标的交会对接控制，对目标的连接、抓取控制，结合后联合体的姿控、轨控，以及航天飞机等大型运载器的飞行控制，空间自主飞行器的自主控制技术等，它们中的每一项技术都能决定空间在轨服务成功与否。

　　机械技术——特殊的机械技术伴随空间在轨服务技术应运而生，包括主航天器本身和目标的机械结构，二者的交会对接机构，主航天器的抓取与维修机构等。

设计通用的交会对接机构有助于提高对接效率，而抓取服务机构应尽量减少对目标的损伤，同时还要保证抓取的效率。

　　机器人技术——空间自主在轨服务技术是应用智能在轨机器人实现自主服务的，因此设计高智能、能够独立决策、判断、思考的空间机器人是研究的关键。

　　材料技术——在复杂而恶劣的空间环境中，材料是保证安全的关键，不论是大型的航天飞机，还是小型的自主服务卫星，它们的生存都紧紧依靠着材料技术的水平。

因此，材料技术将在空间在轨服务中发挥重要作用。

　　目标探测识别技术——空间在轨服务技术中抓取、对接、服务等操作的前提是对目标实施探测识别，探测的结果直接影响到在轨服务的成败与效率，这就要求探测设备的图像识别与判断能力以及各方面的相关技术要满足实际服务时的需要，要有能力准确地观测出目标的外部情况，以便实施各种操作。

　　进展情况

　　空间自主在轨服务技术在各个方面都表现出强有力的适应性，并且具有成本低廉、军事利用价值高等特点，引起了各国的极大关注。

　　加拿大在轨服务体系的构建是以其领先的空间机器人技术为核心逐步开展的。

在研制用于航天飞机和国际空间站的两代空间机器人的过程中，加拿大发展了其先进的在轨服务空间机器人技术。

上世纪70年代，加拿大制造了空间机械臂系统（SRMS），在随后的60多次使用中，SRMS表现的非常完美。

鉴于SRMS的成功，加拿大被选中为国际空间站提供活动服务系统（MSS）。

MSS是一种能够提供在轨服务的高级空间机器人，主要由空间站遥控机械臂系统（SSRMS）、专用灵巧机械手（SPDM）和活动基座系统（MBS）组成。

2008年3月，加拿大研制的当今世界最先进的空间机器人Dextre发射升空，用于提供各种在轨服务。

　　上世纪80年代，随着美国第一个空间站的升空以及新的空间站研制计划的启动，美国开始重视发展自己的在轨服务技术，并制定了“飞行遥控机器人服务者”（FTS）空间机器人研究计划。

1992年，美国国家航空和宇宙航行局（NASA）启动了一项大型的空间机器人研究计划——空间遥操作机器人项目（STP）。

STP计划中止后，其研究内容缩减为Ranger机器人计划。

在开展Ranger计划的同时，美国对在轨服务重要性的认识也越来越深。

进入新世纪，美国又启动了多个新的在轨服务技术研究，如已经取得试验成功的DART、XSS-11、“轨道快车”以及正在进行研制的“前端机器人使能近期演示验证”（FREND）计划。

未来，美国将继续大力提高在轨服务技术研究水平，形成以空间机器人、航天飞机、轨道机动飞行器（SMY）为核心的服务航天器队伍，同时大力研发下一代可接受服务的目标航天器，形成完整的在轨服务体系。

　　日本空间机器人体系由3个核心计划组成，即日本实验舱机械手臂（JEMRMS）计划、工程试验卫星-Vll（ETS-VII）和H-2转移飞行器（HTV）计划。

上世纪90年代，日本为其实验舱（JEM）设计了机械手臂（JEMRMS）。

日本是最先意识到在轨服务重要性的国家之一。

为了掌握这一技术，1991年，当时的日本宇宙事业开发集团（NASDA）开始了“工程试验卫星-7”（ETS—V11）的研制计划。

ETS-VII于1997年发射成功，工作到1999年。

ETS-VII由2颗卫星组成，其中跟踪卫星2.5吨，目标卫星0.5吨。

ETS-VII星上机器人系统主要由机器人手臂、视觉系统、星上机器人控制系统以及目标卫星操作工具（TSTL）等在内的机器人手臂载荷等几个组成部分。

ETS-VII的发射成功是在轨服务空间机器人研制中的一个里程碑，它带动了各航天国家对在轨服务的研究。

通过ETS-VII的试验，日本意识到目前其在轨服务能力还不足，因此又研制了一种用H-2火箭发射的具有自主机动能力的HTV，用于往返地面与国际空间站之间进行大型货物运输，并计划进一步发展大型飞行器的营救和维护以及报废卫星离轨处理等在轨服务技术。

　　欧洲的在轨服务研究也是以空间机器人的研究为起点逐步展开的，其中德国的研究实力最强。

德国在研制空间机器人方面，非常重视机械臂本身的研究。

1991年德国宇航中心（DLR）研制出了第一代机械臂LBR。

同时，DLR也开始了类似加拿大SPDM的机械手的研究。

至2001年，第三代LBR以及第二代机械手分别研制成功。

目前正在进行的研制项目有SLES和TECSAS等。

SLES项目用于为通信卫星提供推进、定位与导航服务，同时还可作为空间拖船用于营救其他处于错误轨道位置的航天器。

TECSAS项目计划发射一颗可接受在轨服务的目标星和一颗装有机器臂与捕获系统的服务星。

通过进行远距离机动、近距离接近、绕飞检测、与目标星编队飞行、捕获目标星、结合体稳定调姿与轨道机动等，用于演示验证先进在轨服务技术。

　　分离模块航天器

　　“分离模块航天器”在功能上等同于一颗虚拟的大型卫星，其实质是将一个航天器的质量和故障风险分解到多个功能模块，代表了航天器设计与应用理念的转变，是卫星技术革命性的发展方向。

美国从2007年开始大力推进F6项目的研制，将加快“分离模块航天器”技术的突破与演示试验。

　　应用前景

　　“分离模块航天器”无论在军用、民用还是商用领域都有巨大的应用前景，一旦试验成功，将使整个航天产业和空间对抗方式发生重大变化。

（1）提高太空运输能力

　　如果F6计划成功，那么DARPA将能够使用大批私营企业的小型运载火箭将一颗大卫星分批发射入轨。

通过分解发射适应小型运载火箭快速或机动发射，大大提高了空间系统的快速响应性。

（2）降低成本与风险

　　采用分块发射后，即使发射失败也只损失卫星的一小部分，不会产生过于严重的影响，从而大大降低了发射费用与风险。

　　（3）航天器功能变化

　　对太空任务或服务需求有变化时，不需要再发射新型航天器，只需要发射有效载荷模块对在轨系统的功能进行快速变化、扩展或者升级，大大地增强了空间系统在轨部署能力，最大程度发挥在轨系统的综合效益。

　　（4）增强卫星防御能力

　　面对自然或人为的太空威胁时，当某一模块受到损坏时，通过快速发射补充模块，迅速恢复空间力量，提高了系统的生存能力。

　　F6计划

　　2007年，DARPA启动了一项名为F6项目的新研究。

F6为“未来、快速、灵活、自由飞行、模块化航天器”（Future，Fast，Flexible，Free—Flying.FractionatedSpacecraft）中6个英文单词的词头，项目的目标是验证一种完成空间任务的新方法。

F6计划的目标是以信息交换为纽带，构成未来的快速、灵活、自由飞行、模块化航天器。

其实质是建立一种面向未来的灵活、高效的航天器体系结构，将传统的卫星按功能分解为可重新组合的分离模块。

各模块可以独立发射，在轨运行时通过无线数据连接和无线能量传输，构成一个功能完整的虚拟卫星，使得该系统具备了系统重构和功能再定义的能力。

　　DARPA计划分4个阶段实施F6计划，第一阶段进行项目的概念设计，完成在轨动力学的研究，设计项目框架，同时完成预先设计。

除此之外，合同承包团队还将开发基于硬件回路的试验台，该试验台将对“分离模块航天器”的任务进行软件模拟：

第二阶段将完成系统的详细设计，同时在硬件试验环境下开发更多实用的硬件部件，第三阶段进行航天器硬件制造，广泛的地面试验和系统集成，研发团队必须演示满足网络试验和发射需求的能力，第四阶段将发射并在轨演示“分离模块航天器”系统。

　　F6计划在实施过程中提出了一些要求，主要包括每个航天器模块均为小卫星或者微小卫星级别，质量小于300千克，在项目开始后四年内进行首次发射，各个航天器模块通过多次发射形成分布式结构，发射运载器要使用美国本土制造的可用于商业发射的火箭，且火箭必须至少有过一次发射的经验：

完成最后一次发射的航天器在轨寿命至少一年。

　　关键技术

　　“分离模块航天器”的关键技术主要包括如下5项卫星模块化技术、无线传输技术、编队飞行控制技术、网络化技术和分布式计算技术。

　　模块化技术——这项技术是指为了开发具有多种功能的不同系统，不必对每种系统进行单独设计，而是设计出多种通用或标准模块，对其进行不同方式的组合来构成不同的系统。

这里包含两层意思，首先，对航天器进行分解，即按照标准化和可组装的原则进行分解，形成系列的通用或标准模块：

其次，对通用或标准模块选取和重新组合，以得到满足特定功能的航天器。

　　无线传输技术——无线传输技术是实现“分离模块航天器”的核心关键技术，包括无线数据和能量等在不同模块之间的无线传输技术。

无线数据传输技术是较成熟的技术，在实际工程中已有较多的应用。

其目标是建立适用于空间环境下无线传输的网络协议，在各模块之间实现安全、可靠的无线通信。

无线能量传输主要是指无线电力传输，该技术已经研究多年，具有一定的基础，但是距离实际工程应用还有一定距离。

　　无线电力传输技术最早来源于在太空建立太阳能电站，向地球传送电力的设想。

太空发电的原理是在宇宙空间的太阳能电站聚集大量阳光，利用光电转换产生直流电，并通过相应的装置将直流电变换成微波，以微波波束的形式传输到太空用户或者传输到地球上。

国外对该设想投入了大量的人力和财力，美国、日本、俄罗斯等国都进行了大量的研究，并取得了一定的突破，这给无线电力传输技术提供了很好的发展平台。

目前，各国的研究成果表明，无线电力传输主要有是微波和激光两种方式，激光传输模式系统重量和尺寸较小，但是传输时损耗较大，比较适于近距离使用；微波传输方式是设备重量尺寸大，能量不太容易集中。

目前这两种方式的最大问题在于能量传输效率较低，但由于“分离模块航天器”在太空中的距离较近，相对于太空太阳能的远距离传输，其能量损耗较低，因此，实现无线电力传输在近期将很快应用于工程实际。

　　编队飞行控制技术——随着分布式卫星系统发展的推动，该项技术已经属于成熟技术。

而且在编队飞行的控制和测量的精度要求上，实现分离模块编队飞行要比实现分布式卫星编队飞行的要求还低。

F6的设计目标是实现自主、安全、自防护编队导航、具有虚拟对接和队形变换的功能。

在部分模块失效和遭受敌方攻击时，系统具有快速重构编队的能力。

　　网络化技术——网络化技术的目标是使“分离模块航天器”构成一个自组织网络，具有高可靠性和高可用性，同时还具备即插即用的特性。

网络化技术还将发展标准化的软件和硬件接口，使得数据包和多种标准航天器组件进入网络时，可以进行唯一的地址标识。

　　分布式计算技术——F6计划的无线网络工作形式也意味着在不同模块之间进行分布式计算的必要。

所谓分布式计算是一门计算机科学，它研究如何把一个大型任务分成许多小的部分，然后把这些部分分配给许多计算单元进行处理，最后再把这些计算结果综合起来得到最终的结果。

F6计划对分布式计算技术的要求是实现具备可扩充性、自适应、容错性能的分布式计算能力，能够保证在轨运行的部分模块失效时，剩余的模块仍然能够“保持生存”（KeepAlive），直到替换模块插入时恢复系统功能。

“保持生存”主要是指两个方面：

一是指保持电力供应和安全的热防护，二是指能够接收命令，同时传输状态数据给其它模块。