卫星星座运行管理方法研究

赵 娜,董 峥

(中国人民解放军61081部队,北京100094)

0 引言

近年来,随着空间战略地位的日益突出,卫星星座呈现出迅猛发展的态势。但作为一个庞大的空间系统,卫星星座的运行管理是一个很大的难题。首先,卫星数目多,不仅研制和发射费用高昂,而且维持和运行管理代价巨大。其次,系统的运行管理完全依赖于地面,平时的管理难度大,在特殊时期还可能出现无法管理的情况。再次,随着相同功能的地面系统以及单个航天器能力的日益提高,对星座的服务性能、长期稳定运行能力、协同工作能力等要求也越来越高。同时由于卫星寿命、经费和发射能力等因素的制约,星座的建设周期很长,往往会出现后面的卫星还未发射入轨,前面的卫星已经到寿命末期的情况。

因此,平衡星座成本与性能、降低运行维持代价、提高星座的稳定运行、协同工作与自主生存能力是星座运行管理的主要目标,这就需要从星座控制维持、备份和部署、自主导航和星座监测等方面寻求有效的技术途径。

1 星座构型维持方法

目前星座构型维持方法主要有2种:站位维持方法和摄动补偿方法。

维持星座构型通常采用站位维持的方法,即对卫星进行主动控制,将卫星的绝对或相对位置维持在设计位置,当卫星运行超出该允许漂移范围时,才对卫星进行控制。为了保持星座的长期稳定性和连续性,在星座设计时需要选择具有较好容错性和较大容许偏差量的星座构型,使得星座具有一定的降价运行能力,并且卫星偏离标称轨道一定范围时也不会影响星座的服务性能。星座构型保持是星座中所有卫星的整体控制,在控制时必须注意卫星之间完成任务的整体性和协同性,卫星轨道控制在控制参数、控制量和控制精度的要求上都发生了变化,因此必须从星座空间结构、任务需求、协同控制和性能影响等方面综合考虑。同时,星座构型保持控制时还应根据卫星的覆盖特性、过顶时间、最大不可视时间以及健康状况等信息确定具体的控制策略和控制方法。

通常认为,编队飞行的各卫星之间有动力学联系和约束条件;而星座则以单颗卫星轨道运动为基础,星与星之间的动力学联系并不紧密。事实上,由于星座的特殊结构,使得卫星之间也存在复杂的动力学耦合关系,而这种耦合关系决定了星座构型的整体变化趋势,同时也使得利用摄动补偿方法来提高星座的长期稳定性成为可能。摄动补偿方法通过对星座中卫星轨道的合理选择和参数调整来补偿某些可预测摄动引起的星座构型变化,从而达到保持星座整体构型的目的。当前世界各国研究者在星座相对运动和受摄分析方面进行了大量的研究,经过研究表明,地球非球形摄动和卫星的初始位置偏差是导致星座构型破坏的主要原因。因此,选择具有较高稳定性的轨道,同时利用摄动力的补偿设计可以提高星座构型的稳定性。摄动补偿方法是对已经设计好的星座构型的卫星轨道参数的一种小量偏置手段,并不改变星座的基本结构。通过摄动补偿设计对轨道参数进行调整能够减缓摄动外力对构型的破坏作用,使星座构型在较长时间内保持在容许范围内,同时对星座入轨后偏离容许范围的卫星施加控制,维持星座的整体构型,从而降低星座构型控制代价,减少控制频率,提高星座构型的长期稳定性。

经过摄动补偿设计后的轨道仍然有一些小偏差需要通过控制来修正,因此,采用站位维持控制和摄动补偿设计2种方法相结合来维持星座构型不但可以大大降低星座运行管理的成本和难度,同时还可以提高星座的可靠性和稳定性。

2 星座备份与阶段部署策略

2.1 星座备份策略与设计

在星座工作期间,为了提高整个星座的可靠性和稳定性,一般都会准备一定数目的备份卫星,在必要时替代故障卫星。虽然,在星座设计时通常会有一定的冗余度,即部署比满足任务要求更多的卫星,使得星座具备承受少数卫星故障而不会出现大幅度性能下降的能力。例如导航星座通常要求具有在2颗卫星失效的情况下仍然能够提供满足最低需求服务的能力。但为了保证星座的长期稳定运行,最好还是用能够正常工作的卫星替换故障卫星,即采用一定的备份手段来保证服务质量。

星座的备份通常包括在轨备份和地面备份2种方式,而在轨备份又包括备份卫星停泊在工作轨道上、备份卫星运行在工作轨道上融入星座工作、备份卫星停泊在高度较低的非工作轨道上等多种模式,这些备份模式通常每轨道面都至少备份1～2颗卫星,这样既能够较快地响应任务需求,及时将备份卫星调整到指定位置代替故障卫星工作,而又不需要消耗过多的能量。地面备份一般在星座中出现故障卫星后发射备份卫星,需要的时间较长,但是这种备份方式需要备份的卫星数目少,因此也是经常采用的方式。

考虑到卫星的交付、发射准备和调整入轨等因素,在轨备份具有对星座系统性能快速修复的优势,同时将备份卫星集成到系统中工作而不是停泊在轨道上的模式,即将卫星放置在故障概率最高的卫星附近组成卫星组,既能增强星座的可用度和覆盖性能,又可以提高星座系统的修复性能,使得星座具有更高的故障冗余度。

同时可靠的星座在采用备份策略的同时,星座本身还必须具有接受某段故障修复时间的能力,以使备份卫星能够完成对失效星的替换。

2.2 星座分阶段部署策略与设计

星座的部署不是一个短时期内能完成的任务,大多数星座都需要几年甚至十几年的时间才能够最终部署完成。因此,星座构型的分阶段部署,必须考虑星座每个阶段的系统性能,而不是以最终系统状态作为优化的唯一目标。星座的初始构型、中间构型和最终构型是相互牵连、相互制约的,在星座设计初期就应该予以充分考虑。应该在考虑工程实际约束的前提下最大化星座各阶段子星座的功能,使其在建设过程中实现台阶式的性能提升,使得在部署过程中,已经发射上天的卫星能够实现系统的部分功能,或者能够完全实现系统的功能只是未达到预期的水平要求。

同时在星座组网过程中针对每一次发射,还应当进行运载器的优选。运载器选择与星座系统的投资、运营计划直接相关,很大程度上影响到星座系统能否成功。根据星座部署总时间,卫星的质量、体积、卫星操作轨道的高度、倾角,充分考虑可选用的发射场和运载器可以大大降低整个星座系统组网过程的成本和风险。

3 星座自主导航与运行管理技术

星座的卫星数目越来越多,依靠地面测控站进行卫星的定轨与跟踪将难以承受其高负荷的数据传输与处理压力。同时,卫星星座如果过分依赖地面站的测控,在地面站受毁的情况下,其正常运行将难以得到保证。因此发展卫星星座系统的自主性成为星座运行管理的一个重要发展方向。

目前应用较为广泛地星座自主导航方案包括天文导航、导航星导航以及星间相对观测导航等。由于星座中的卫星数目较多,单纯采用单颗卫星自主导航则会忽略星座中星间相对运动的信息。充分利用星间运动的相对运动规律,采用星间相对测量信息进行相对自主导航已逐渐成为研究的热点。

美国的第三代GPS卫星BlockⅡR就是利用星间相对测量进行自主导航的一个具体应用,它具有交联测距和在轨处理导航数据的能力。各颗卫星使用星载处理器,计算导航参数的修正值,从而提供导航精度,增强自主生存能力。BlockⅡR采用一种TDMA式的测量通讯方法,设定36 s为一帧,其中每颗卫星分配1.5 s,并采用双频信号测量,用来修正电离层延迟效应。在每一帧的数据帧(Data Frame)中,每颗卫星在自己分配的1.5 s时间里发射与自身状态相关的参数,在测距帧(Ranging Frame)中,所有卫星进行伪距测量。在数据帧中,各种参数进行相互传递的同时,每颗卫星计算出伪距测量值。同时每颗卫星还可以自身估计位置和时钟,联合评估协方差,并利用双向测量的结果,将星历和时钟进行解耦,最终产生测量的距离和钟差,这些测量值通过估计器进行处理获得对预存星历的修正值。BlockⅡR能够在轨自主更新和精化GPS卫星的广播星历和星钟A系数,无需地面监控系统的干预。它能够自主运行180 d做导航定位服务,且在第180 d时,用户测距精度(URE)仍可达到±7.4 m。因此即使地面监控系统暂时毁坏,仍能维持高精度的GPS卫星导航定位,增强了GPS系统的抗毁能力。

Galileo导航系统也曾提出过采用星间观测的自主导航方案。该方案运用星间测量和星地测量相结合进行处理,用于日常星历的修正,提高卫星预报星历和时钟的精度,通过地面仿真实验,用户测距误差可达到分米级(低轨星历数据刷新率15 min,高轨2 h)。因此对于利用星间测量的星座的相对定位方法不仅能够实现星座的自主生存,还能通过提高日常星历的精度来提高用户的定位精度,从而提升整个导航系统的性能。

基于星间链路信息的星座自主导航,不能修正星座整体旋转误差、地球自转非均匀误差和极移参差,致使星座难以长时间自主运行。X射线脉冲星导航技术以脉冲星辐射的X射线信号作为外部信息基准,能够高精度地确定卫星轨道、时间和姿态参数,不存在星座整体旋转误差累积问题,为星座自主导航技术研究提供了一种新的思路和实现途径。

4 太空“交通”实时监测与管理

随着各国太空资源开发利用步伐的不断加快,多年来,世界各国的航天专家已经不止一次发出警告:在近地轨道日渐拥挤的情况下,难免会发生航天器相互碰撞、产生大量危险太空垃圾的事件。因此,加强太空“交通”实时监测与管理也应成为星座运行管理的重要内容之一。

为了确保星座的安全稳定运行,首先要加强对太空中各类物体的监测,使用光学望远镜观测高轨道,用雷达探测低轨道,对各种飞行物进行监测,对星座安全构成威胁的飞行物进行轨迹分析和预警,及时制定相应的应对方案。其次当卫星出现故障无法修复时,应根据卫星状况和任务需求等信息及时建立处置策略,使其不会影响整个星座的正常稳定工作。此外,加厚卫星的外壳,可以增强其抗撞击的能力,同时还可以在未来的卫星上装备预警系统,使之预先发现危险并主动改变轨道,从而免遭碰撞。

5 结束语

随着卫星星座的迅猛发展,为了确保星座长期高可靠、高性能稳定运行,完善的运行管理策略是必不可少的。主要从星座维持控制、备份与阶段部署、自主导航和太空“交通”实时监测4个方面论述了卫星星座运行管理策略和技术方法。在不断完善和提高星座运行管理策略和技术的同时,国家从整体利益出发制定政策规划也是非常重要的,只有将卫星星座运行管理置于国家战略的高度进行协调部署,才能保证卫星星座的长期稳定运行。

[1]张育林,范丽,张 艳,等.卫星星座理论与设计[M].北京:科学出版社,2008.

[2]寇艳红.GPS原理与应用(第 2版)[M].北京:电子工业出版社,2007.

[3]蒙 波,叶立军,韩 潮.卫星星座组网过程的策略规划[J].北京:宇航学报,2009,30(1):150-154.