天基快速响应体系概念研究

赵良玉 贺亮

（1 飞行器动力学与控制教育部重点实验室，北京 100081）

（2 北京理工大学宇航学院，北京 100081）（3 上海航天控制技术研究所，上海 200233）

1 引言

当今人类生产、生活已与空间系统密切相关，航天能力和空间技术已成为时代标志和一个国家综合国力的体现［1］。然而，空间环境的不断恶化［2］，使现有的空间体系已经变得越来越脆弱。与此相对应的是，以提供战略级服务为目的的传统空间技术，其发射准备时间过长，无法提供快速响应以应对突发战争、在轨故障、自然灾害等异常状况。美国的“作战（快 速）响 应 空 间”（Operationally Responsive Space，ORS）计划应运而生［3］，并以其明确的应用需求迅速成为各航天强国的研究热点［4-5］。

与目前被广泛关注和研究的快速响应空间计划更强调快速地面装配、快速地面发射、快速入轨、快速应用不同［6-8］，本文提出了一种基于在轨发射的天基快速响应体系（Space-based Operationally Responsive System，SORS），并对其总体方案、作用过程及相关的关键技术进行了分析和论证。该天基快速响应体系以在轨运行的航天器平台为发射基地，由空间运载器携带有效载荷（如微小卫星平台等）实现机动和变轨，完成突发状况或异常情况下的空间信息支援、空间信息保障等在轨服务任务。与现有从地面发射的快速响应空间计划相比，在轨发射的天基快速响应体系以“从卫星上发射卫星”的理念为指导，符合航天技术未来的发展趋势，可为增强空间系统应对自然故障或其他应用急需等不确定情况下的快速响应和有效部署能力提供参考。

2 天基快速响应体系的总体方案

2．1 天基快速响应体系的定义

借鉴更强调地面装配和地面发射的常规快速响应空间计划的定义［9］，将在轨发射的天基快速响应体系定义如下：以应对突发事件、自然灾害、异常状况等不确定情况下的需求为出发点，以在轨运行的航天器为仓储和发射平台，快速在轨发射有效载荷并使其迅速机动或变轨，以达到可靠补充或部署有效空间力量的目的，进而实施在轨故障维修、空间信息支援等任务，力求保证任何情况下的空间任务均具有最大的自由度。

要发展在轨发射的天基快速响应体系，可遵循三步走的策略。首先，充分利用或挖掘已部署的空间能力，即利用现有在轨运行的空间系统、卫星平台或其他有效载荷，针对快速响应的具体任务进行改进或修正，使其具备在轨发射、在轨服务的快速响应能力；其次，以现有的空间技术水平为基础，针对天基快速响应体系的特定任务需求，建设或部署新的空间有效载荷；最后，以天基快速响应体系的普适任务需求为指导，在其技术框架下设计和开发新的空间应用系统。从发展趋势来看，天基快速响应体系的建设必然会涉及很多新的概念和内容，这对现有的空间技术和能力是一个巨大的挑战，发展新的空间应用系统可能是一个必然选择，也会是建设天基快速响应体系的一项重要研究内容。

2．2 天基快速响应体系的组成要素

天基快速响应体系的基本组成要素包括航天器平台、空间运载器、有效载荷和地面基础设施，如图1所示。其中：航天器平台是承载空间运载器和有效载荷的天基母平台；有效载荷主要是指用于执行快速响应任务的子平台（如微小卫星）；空间运载器由各类在轨发射和在轨投送系统组成，主要是确保其自身和有效载荷准确、可靠地进入目标轨道，可以说是天基快速响应体系中的空间运输工具；地面基础设施包括测控系统、指挥系统与应用系统，与常规快速响应空间计划中的地面设施并无太大差别。

图1 天基快速响应体系的组成要素Fig．1 Components of SORS

航天器平台、空间运载器、有效载荷和地面基础设施构成“四位一体”的天基快速响应体系，只有四者有机整合、协同工作，才能最大程度地发挥体系效能。因此，在天基快速响应体系的建设中，应同时展开、同等重视这四个组成要素的研究工作。

2．3 天基快速响应体系的作用过程

结合天基快速响应体系的结构组成，可将其作用过程简单描述如下。

（1）当出现现有的空间系统无法有效支持的突发事件或异常状况时，使用方会向地面指挥和控制中心提出使用天基快速响应体系的请求；

（2）指挥和控制中心在收到使用方的应用请求后，对任务类型和任务级别进行详细分析，并在尽可能短的时间内完成快速响应决策，即以满足使用方的应用需求为条件，搜索可实施该需求任务的航天器平台，并最终选定一个或多个航天器平台，下达执行任务的命令；

（3）航天器平台接收到发射命令后，迅速启动空间运载器和有效载荷，根据发射命令所包含的任务参数计算并确定机动变轨方式，完成在轨发射任务；

（4）空间运载器携带有效载荷进入预定轨道后，快速完成在轨测试工作，并在必要的时候进行星座组网；

（5）有效载荷开始工作，空间运载器可以重新回到原航天器平台，也可以就地销毁，前者是针对可重复使用的空间运载器，后者是一次性使用的低成本空间运载器；

（6）有效载荷将获取的信息或执行任务的效果传送回地面指挥系统，地面指挥系统对收到的信息进行分析和处理后反馈给使用方，天基快速响应体系任务流程结束。

天基快速响应体系的作用过程（从低轨道向高轨道投送有效载荷）如图2所示。

图2 天基快速响应体系作用过程示意图Fig．2 Working process of SORS

通过天基快速响应体系的作用过程可知：有效载荷由航天器平台在轨发射的空间运载器进行投送，不经过地面发射入轨的阶段，这就有效地避开了常规快速响应计划在进入空间受限时的威胁，因而隐蔽性和部署成功率都更高；天基快速响应体系采用在轨发射和投送方式，可轻易实现多任务同时开展，有助于拓展快速响应体系的覆盖范围；航天器平台、空间运载器和有效载荷均事先在轨道上运行，随时处于待命状态，只需进行唤醒、任务参数装订等操作，即可进行发射，并能在数小时内（甚至更短）完成机动和变轨，保证了响应的快速性。

3 支撑天基快速响应体系的主要关键技术

3．1 有效载荷的模块化和标准化

与快速响应空间计划类似［10-11］，天基快速响应体系倡导有效载荷的模块化和标准化设计，并充分利用空间科学技术的最新研究成果使其微小型化、轻量化。依据天基快速响应体系的特点，可将其模块化和标准化的设计思路描述为：

（1）将满足任务功能的有效载荷系统从顶层到底层进行模块分解，使得各个模块成为相互独立的个体，分解过程须遵循航天器模块化的特点［10］；

（2）相同功能的模块采用相同的标准化接口，如同样具有对地观测功能的模块和同样提供信息收发功能的模块等，且尽量保持模块尺寸大小的统一；

（3）不同功能的模块采用不同的标准化接口，如对地观测模块和信息收发模块应具有不同的即插即用接口，尽量保证一种功能对应一种接口，提高接插、移除和替换的效率；

（4）从硬件和软件两方面入手，保证模块的即插即用功能，且模块的移除仅影响该模块以及与该模块关联的系统功能。

模块化和标准化的设计理念，是提高有效载荷可重复利用性、灵活性和可重构性的基础，应在天基快速响应体系的建设中给予足够的重视。

3．2 天基快速响应体系的最佳部署策略

天基快速响应体系的最佳部署策略是该体系得以实用的前提条件，也是天基快速响应体系的核心关键技术。由于快速响应体系一般部署在低轨道（轨道高度小于500km），在执行任务时，可能涉及高轨道到低轨道、低轨道到高轨道的转移，也可能涉及同面轨道和不同面轨道的转移。因此，为了保证其具有足够的响应快速性，要针对不同的任务需求，在不同轨道高度、不同轨道平面部署数量不等的航天器平台，如图3 所示。在接收到任务请求后，地面指挥控制系统根据一定的规则，搜索可供执行该任务的若干航天器平台，并对指定的航天器平台和有效载荷下达执行任务的命令。

图3 天基快速响应体系部署示意图Fig．3 Deployment of SORS

从本质上来说，天基快速响应体系的最佳部署策略可以看作是一个含离散变量的多目标最优化问题。以执行空间信息支援任务的快速响应体系为例。如式（1）所示，可将设计目标定为部署天基快速响应体系的成本fcost最低和响应时间frst最短，设计约束为对指定方位实现24h不间断覆盖C24（在要求有一定时间间隔的情况下，可同类推之），设计变量x包括部署天基快速响应体系的个数、每个天基快速响应体系的轨道高度、部署每个天基快速响应体系的成本、每个天基快速响应体系的覆盖范围和覆盖时间等，任何一个设计变量xi都只能在其指定的定义域RiD中取值。在这些变量中，天基快速响应体系的个数为离散变量，且其余变量都或紧或疏的依赖于该变量，如何选择合适的优化算法是解决该问题的关键之一。

3．3 在轨发射与空间投送技术

在轨发射与空间投送技术同样是天基快速响应体系的关键技术之一，在轨发射是空间运载器及有效载荷与航天器平台可靠分离的保证，而空间投送技术则是确保有效载荷快速、准确到达任务区域的关键。从目前国内外研究比较多的自推力发射、弹射发射、自旋分离、机械臂释放等在轨发射方式来看［12-13］，为了追求响应的快速性和系统整体的轻量化，天基快速响应体系宜采用自推力发射模式。为了避免自推力发射产生的燃气对航天器平台的污染，可以考虑采用弹簧弹射、压缩气体弹射等冷发射模式进行辅助。当空间运载器完全脱离航天器平台且达到一定的安全距离后，再启动自推力发射模式，完成机动和变轨。由于航天器平台自身的稳定性比较高，且具有很强的姿态调整能力，因此可以不考虑弹簧弹射或压缩气体弹射对航天器平台的速度和姿态干扰。

考虑到天基快速响应体系的任务特点，其有效载荷应以微小卫星平台为主，这就决定了有效载荷很难具备大范围变轨或机动的能力，因此，天基快速响应体系的空间投送部分宜由空间运载器来完成。目前，国内外都对以在轨服务为目的的空间运载器研究比较多，典型的如美国计划在2015年部署的可重复使用的轨道转 移 飞 行 器（Orbit Transfer Vehicle，OTV）［14］。从空间投送成本及任务特性考虑，可根据任务的不同选择一次性使用空间运载器、可部分重复使用空间运载器或完全重复使用空间运载器。

由此，可将天基快速响应体系的在轨发射与空间投送过程描述为：在航天器平台接到任务命令后，迅速调整其速度和姿态至发射状态，首先采用弹簧弹射（或压缩气体弹射）使空间运载器和有效载荷脱离航天器平台；在达到一定的安全距离后，空间运载器启动自身发动机沿轨道运行的反方向助推（高轨道到低轨道转移情况）；当空间运载器和有效载荷获得足够的轨道转移动量后，助推发动机关机，空间运载器利用自身的姿态控制和轨道控制发动机携带有效载荷抵达任务区域，并辅助有效载荷完成调姿、入轨等机动。

3．4 天基快速响应体系的效能评估方法

为了评估天基快速响应体系的性能优劣，要建立针对天基快速响应体系的响应效果评估机制；只有以适合的评估机制为基础，才能有针对性地进行天基快速响应体系的结构优化设计和部署轨道设计，同时为天基快速响应体系的发展提供决策和建议。

无论是基于地面发射的快速响应系统，还是基于在轨发射的天基快速响应体系，其终极目标都是高效、可靠地完成规定的任务［10］。因此，可将天基快速响应体系的效能定义为：天基快速响应体系在一定条件下完成规定任务的各系统综合能力的高低。

对于在轨发射的天基快速响应体系来说，影响其完成指定任务的因素主要包括天基快速响应体系的总响应时间、有效载荷的部署成功率和有效载荷实施指定任务后的实际效果（称为任务完成度）。综合考虑上述指标，可以将天基快速响应体系的效能指标Ers表示成响应时间、部署成功率和任务完成度的函数，如式（2）所示。

式中：trs为实际的响应时间；为理想情况下的响应时间；为理想情况下的部署成功率；pd为实际情况下的部署成功率，当快速响应系统各组成部分都正常工作时，pd＝＝100%；为理想情况下的任务完成度；pc为实际情况下的任务完成度，在任务被完美执行时，如实施空间信息支援任务的有效载荷完整收发和传输了用户方信息，pc＝＝100%；a，b，c为比例系数，可根据不同的任务性质灵活选取，相当于用户方对各项指标的权重要求，且a＋b＋c＝1。

由上文的分析可知，Ers是一个小于等于1．0的值，且理想情况下的响应时间可表示为

式中：为指挥员分析任务并下达执行命令的反应时间；指航天器平台的发射准备时间；为轨道转移的时间；为从天基快速响应体系的有效载荷入轨到开始执行任务的时间；为天基快速响应体系开始执行任务到信息数据被地面指挥系统接收到的延迟时间，对特定的任务（如空间攻防）来说，t05为零；～均为理想情况下的时间度量。

为了简捷、直观地验证天基快速响应体系的各项关键技术，同时为地面指挥控制系统提供友好的操作界面，有必要开发一套基于任务定制的虚拟视景仿真系统。虽然卫星工具包（STK）在卫星轨道设计和仿真方面得到了广泛的应用，但对天基快速响应体系的虚拟视景仿真来说，缺乏必要的灵活性和自由度。综合比较现有的用于虚拟视景仿真的软件包，Vega Prime是一个更好的选择，可以利用其与微软开发库（MFC）良好的用户接口，定制虚拟视景仿真系统的交互界面，真正实现任务驱动的天基快速响应体系虚拟演示验证系统。

4 结束语

天基快速响应体系是一项着眼于未来空间在轨服务、应对突发事件和异常状况需求的空间技术，作为传统战略级空间力量和常规快速响应空间计划的补充，具有明确的应用需求和广阔的应用前景。它由航天器平台、有效载荷、空间运载器和地面基础设施组成，有效载荷经由航天器平台在轨发射，并由空间运载器携带完成在轨投送任务。天基快速响应体系的作用过程保证了其发射的隐蔽性、入轨的安全性、响应的快速性和任务覆盖范围的多样性。本文在介绍天基快速响应体系组成要素和作用过程的基础上，明确了有效载荷的模块化和标准化设计、在轨发射和空间投送方式、最佳部署策略和效能评估方法等在内的若干支撑天基快速响应体系的关键技术。若对这些关键技术进行深入研究并付诸工程实施，对建设基于在轨发射的天基快速响应体系将具有重要的参考价值。

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