瑞典卫星交会、编队飞行技术的“验证者”——“研究仪器样机与空间先进技术”卫星

朱贵伟（北京空间科技信息研究所）

□□近年来，航天器交会和编队飞行技术成为各国发展的重点。其中，瑞典实施了“研究仪器样机与空间先进技术”（PRISMA）项目，期望通过试验卫星演示验证一批先进有效载荷和交会、编队飞行技术。

自2004年年底起，瑞典空间公司（SSC）广邀欧洲的卫星研制单位加入“研究仪器样机与空间先进技术”项目，并先后得到了德国航空航天中心（DLR）、法国国家空间研究中心（CNES）、丹麦技术大学（DTU）等单位的支持。“研究仪器样机与空间先进技术”卫星将在2010年6月由俄罗斯“第聂伯”火箭发射，它验证的多项技术将应用于许多科学观测任务。

1 任务系统

“研究仪器样机与空间先进技术”项目包括2颗卫星，即称为主星（Mango）的高级、高度机动卫星和称为目标星（Tango）的较小、无机动能力卫星。发射时，2颗卫星连在一起，进入高约700 k m的太阳同步圆轨道，升交点地方时为06：00或18：00；入轨后2颗卫星暂不分离，期间主星展开太阳电池翼，获取太阳位置数据，与地面通信并进行关键系统检查；在2颗卫星分离后，主星将进行编队飞行和自主交会等一系列试验。该任务将持续8个月，通过位于瑞典北部的Esrange地面控制站进行控制。

2 卫星结构

“研究仪器样机与空间先进技术”主星的主结构为铝制蜂窝板，内部还有一块垂直面板，用于安装推进系统。星体外侧装有2副可展开太阳电池翼，总面积为2 m2；顶部主要安装了视频摄像头，远距离和近距离图像传感器（VBS），以及3副编队飞行射频（FFRF）天线；内部安装了肼推进系统、高性能绿色推进（HPGP）系统和微推进系统。

目标星的主结构也为铝制蜂窝板，星体一侧装有太阳电池板。它配备了红外发光二极管（LED）识别设备，在图像传感器技术验证试验中用于与主星协同配合。

主星结构图

“研究仪器样机与空间先进技术”卫星封装图

目标星结构图

“研究仪器样机与空间先进技术”主星和目标星性能

3 试验内容

“研究仪器样机与空间先进技术”任务开展的技术验证主要包括：制导导航控制（GNC）机动试验，基于GPS的导航和天基自主编队飞行试验（SAFE），图像传感器技术验证试验，编队飞行射频技术验证试验。另外，还包括先进平台技术验证，如高性能绿色推进系统和微推进系统技术验证试验。

制导导航控制机动试验

此试验主要由瑞典空间公司负责，包括下列操作。

自主编队飞行 可分为3个部分，分别由瑞典空间公司、德国航空航天中心，以及法国国家空间研究中心和西班牙工业技术中心（CDTI）负责。试验中两星相距20～5000 m，主要使用GPS传感器。

归航与交会 验证在GP S系统不可用的情况下远距离跟踪与交会的能力。试验中两星相距10～100 k m，主要使用图像传感器。

接近操作 由瑞典空间公司负责，验证主星绕目标星飞行的能力。该试验使用GP S或图像传感器分2次进行，试验中两星相距5～100 m。

最终逼近和后退机动 由瑞典空间公司负责，验证利用图像传感器进行最终逼近和后退机动的能力。试验中两星相距0～5 m。

基于GPS的导航和天基自主编队飞行试验

此试验由德国航空航天中心负责。主星和目标星都安装了GPS接收机，在基于GPS的导航试验中，目标星GPS接收机中的位置和原始数据通过星间链路发送给主星，与主星GPS数据一起在主星计算机中处理。处理中使用动态滤波器和星载轨道模型，相对位置的实时精度可达分米级。基于GP S的天基自主编队飞行试验用于验证卫星完全自主、精确的编队飞行。两星之间的典型距离为100 m。

图像传感器技术验证试验

在“研究仪器样机与空间先进技术”主星上，除了2台普通的恒星相机外，还安装了专用的图像传感器。该图像传感器由丹麦技术大学开发，具备非恒星物体跟踪能力，并可测定物体的方位。其中：远距离图像传感器用于帮助主星在数百千米以外寻找目标星，并提供精确确定目标星轨道所需的数据，协助执行逼近机动。近距离图像传感器的图像信息用于执行接近操作，以及线性逼近和后退机动。

主星编队飞行射频传感器（黄色）

恒星相机和图像传感器都连接到由丹麦技术大学开发的微型先进恒星罗盘（ASC）系统上。此系统为完全备份，可同时处理上述4个仪器的数据，其控制算法由瑞典空间公司开发。

编队飞行射频技术验证试验

编队飞行射频传感器是由阿尔卡特-阿莱尼亚航天公司在法国国家空间研究中心授予的合同下开发的，该传感器原计划用于“达尔文”编队飞行任务（已取消）。主星和目标星各自配备了一套编队飞行射频传感器（包括射频终端和天线），它们之间通过S频段进行通信，并利用时间和相位测量来确定对方的位置、距离和角度。法国国家空间研究中心希望利用这次试验测试编队飞行射频传感器设备在实际空间飞行条件下的性能，特别是多径、射频获取的稳定性、精度等方面的性能。此外，该中心和西班牙工业技术中心将负责一系列基于编队飞行射频传感器的制导导航控制试验，旨在验证粗略编队飞行和碰撞避免算法。

主星推进系统

高性能绿色推进系统技术验证试验

“研究仪器样机与空间先进技术”主星将验证高性能绿色推进系统的性能。该推进系统是由生态先进推进系统公司（ECAPS，由瑞典空间公司和沃尔沃航空发动机公司组建）研制的，获得了欧洲航天局（ESA）的支持。

微推进系统技术验证试验

主星微推进系统采用微型低温气体推力器，该推力器由瑞典纳米空间（Nanospace）公司开发，得到了欧洲航天局的支持，能够提供10 μN～1 mN之间的连续推力。推力器采用微机电系统（ME MS）技术，可提供微小、无扰动推力，推力反馈控制可在最低和最高推力之间实现无离散脉冲位的连续节流。■