分布式空间系统——小卫星内藏大乾坤

□ 林来兴

“寸有所长，尺有所短”，不管现代小卫星有多少优点，同样也存在某些缺点。比如：单颗小卫星有效载荷质量和功率有限；对单点故障敏感；短期运行寿命和高风险；难以找到廉价可行的发射工具（相对大卫星而言，每千克发射费用高）。如何扬长避短呢？在应用上，通过采用分布式空间系统，就能克服小卫星的种种弱点，让小卫星应用焕发出巨大的发展潜力。

分布式空间系统的定义是：由2个或2个以上航天器，按一定要求分布在1种或多种轨道上，共同合作完成某项空间飞行任务（例如：观测、通信、侦察、导航等），从而获得更大的价值。

分布式小卫星系统有如下优势：单颗大卫星功能可由若干颗小卫星来替代，还可能获得更好的技术性能；可以实现全球实时观测；可提供甚长测量基线，从而促进星载干涉仪、全球遥感和同步目标跟踪观测等领域的发展；编队飞行卫星可以随时加入和退出队列(因故障等原因),系统具有很高的重构性、冗余性、安全可靠性；系统技术性能可以定期获得改善和提高；系统偶然性经费很低，也就是说，消除故障费用很少。

编队飞行

在轨道上，分布式空间系统的各个航天器之间在动力学方面没有任何关系，各个航天器按自己的轨道特性运行，只有外加闭路控制系统才能保证它们按编队飞行要求保持队形。也就是说，分布式空间系统各个航天器必须有外加闭路轨道控制系统才能成为编队飞行。又根据对外加闭路控制系统要求的不同，编队飞行可分为以下3种：

2002年3月美国发射的GRACE双星探测地球引力

一、精确编队。对外加闭路轨道控制系统要求非常严格：高精度相对导航，保持精确编队飞行队形，保持精度有米级、厘米级、毫米级，甚至更加精确。由于这种控制系统频带很宽，系统响应速度很快，交换信息量很大，一般都要求星上自主，例如：“类地行星探测器”1（TPF－1）、“恒星成像”（SI）等。

二、知识编队。对外加控制系统，除了对相对导航有明确要求以外，对编队飞行队形没有严格要求。也就是说，编队队形是随时进行测量，以满足编队飞行任务的要求。因为系统响应速度比较慢，所以知识编队可以在星上自主，也可以通过地面来实现，例如：“激光干涉仪空间天线探测器”（LISA）, “重力测量和气候试验卫星”（GRACE）,“三维定位系统”电子侦察卫星。

三、合作编队。外加闭路轨道控制系统仅在某一阶段或者某一时期进行，不需要长期进行控制与测量，其精度由自主交会对接系统要求来确定。例如：在轨自主空间组合、自主交会。

星座

分布在轨道上的各个航天器（或卫星）主要目的是增加对地面的覆盖面积，或者缩短重访时间。对通信来说是实现无缝隙覆盖。为此，这里不需要外加闭路控制系统。由于卫星受到轨道摄动，会使轨道位置发生变化，一般通过地面站对单颗卫星进行轨道位置调整就能满足星座要求。星座轨道保持控制是定期的，例如几天或几十小时进行1次控制，周期长短决定于星座轨道摄动大小和星座位置保持精度。

星群

根据空间飞行任务要求，设计各颗卫星在轨位置，当卫星发射成功以后，在运行时期不需要进行轨道操作，卫星若受到轨道摄动，所产生的位置变化也不影响飞行任务的完成。也就是说，星群不需要外加闭路控制系统，也不需要轨道操作，它是分布式空间系统最简单的一种形式。星群大部分用于空间环境参数的观测任务。

MMS星座预计2014年发射

根据上面的论述，我们不能随便把编队飞行说成是分布式空间系统，关键在于是否有外加闭路轨道控制系统。而且，外加控制系统必须具备3项关键技术：

1）相对导航。导航精度由编队飞行任务来决定，目前较多采用的是相对GPS技术。

2）星间通信。通信容量和数据传输率由编队飞行任务决定。大部分采用激光通信，也有个别编队飞行（例如知识编队的电子侦察卫星），若不要求实时，有些数据处理可在地面站执行。采用激光星间通信，要求编队飞行相对姿态需要精确控制。

3）编队控制。主要是保持编队队形,克服轨道摄动需要燃耗，特别是在地球轨道，地球扁率J2项摄动量比其他摄动项高出1个～2个数量级。需要很大的燃耗，甚至达到难以接受的程度。这也是目前地球轨道编队飞行任务实现比较少的原因。

分布式小卫星系统技术发展水平

编队飞行是空间技术在应用领域一个重大创新。这是因为编队飞行具有一系列优势,例如：编队飞行可构成空间应用一种新概念——虚拟卫星，而虚拟卫星获得观测效果是单颗卫星无法相比；可提供极大测量基线，从而促进星载干涉仪、全球遥感和同步目标跟踪观测等领域的发展；可由轻巧灵活的小卫星代替庞大复杂的大卫星；编队飞行卫星可以随时加入和退出（故障），系列具有很高重构性、冗余性、安全可靠性；

具有任务背景的航天器编队飞行应用项目越来越多，同时也证明上述编队飞行优势越来越大。为此可以预测随着时间推移，这个优势还会增加。例如：由若干颗雷达卫星组成编队飞行，当编队队形保持和相位控制达到一定要求，雷达卫星编队飞行相比单颗雷达星可以获得更好结果，例如：

1）提高地面目标分辨率；2）获得高程精度(优于1米)；3）可测到地面目标移动速度(3米/秒～4米/秒) ；4) 增加覆盖宽度。

当今小卫星编队飞行正处研究探讨和空间飞行演示验证阶段，真正大量应用还没有开始。

小卫星编队飞行技术性能汇编