微纳卫星在卫星导航中的应用探讨

2015-12-31李献球李春霞蒋东方

现代导航 2015年5期

李献球，李春霞，蒋东方

（1 中国卫星导航定位应用管理中心，北京 100088；2 北京卫星导航中心，北京 100094）

0 引言

20世纪80年代末期以来，国际上出现了小卫星研究的热潮。目前小卫星技术已发展至第三阶段，即以微米、纳米技术为基础，依托以提高“功能密度”为核心的系统小型化、轻量化和低功耗等技术，采用全新的设计思想和概念，即更高度的三维集成化、一体化、模块化和功能软件化，把卫星做到100 kg左右或100 kg以下，形成所谓的微/纳（即微纳）卫星[1]。

国内关于微纳卫星的研究可分为两大方面，一是微纳卫星的研制、发射技术[2,3]；二是微纳卫星的应用技术。微纳卫星的应用研究包括空间信息对抗、空间天气研究、大气-电离层探测等[1,4,5]。本文试图探讨微纳卫星在卫星导航领域的应用。首先分析微纳卫星的特点及发展现状，在此基础上给出微纳卫星可能的应用领域及其应用模式，包括区域增强、导航对抗、电离层观测与试验等，并重点对区域星座增强应用模式进行了星座设计。

1 微纳卫星发展现状

1.1 国际微纳卫星应用现状

1.1.1 现状

微纳卫星技术被视为 21世纪国家技术与经济发展的制高点。发达国家都十分重视微小型技术在航天领域的应用并制定了相应的发展规划，如智能卵石计划、新千载计划、铱星计划、全球星计划等，并显示出良好的技术、经济和社会效益。美国还开展了一系列的面向战术应用的微纳卫星项目，如图1所示。

从应用领域来看，除了在通信、遥感、电子侦察等领域获得了较为广泛的应用，目前微纳卫星的应用已经拓展到了导航领域、技术试验领域、空间对抗领域、体系概念创新领域、工程培训领域[6]。在导航领域，美国空军研究实验室（AFRL）与萨瑞卫星技术美国公司（SSTL）签署合同，开展中地球轨道（MEO）导航小卫星概念论证，以提供信号辅助增强，降低系统成本，提高系统的强健性、覆盖范围和精度。在技术试验领域，随着“立方体卫星”技术和标准逐渐成熟，美国军、民航天部门均制定了大规模的基于“立方体卫星”的空间试验验证计划。在空间对抗领域，近 10年，美国利用小卫星开展了交会接近、近距离机动、巡视、在轨操作等一系列技术验证试验，形成了一定的空间对抗能力。在体系概念创新领域，美国先后开展了“作战快速响应空间”（ORS）、“提高军事作战效能的空间系统”（SeeMe）、“未来快速、灵活、自由飞行分离模块航天器”（F6）系统等项目。在工程培训领域，小卫星在航天工程教育和培训以及国际合作中也发挥了重要的作用。

图1 美国面向战术应用的微纳卫星项目

总结小卫星在各领域的应用现状，可以归纳出当前国外微纳卫星领域发展特点如下：

（1）卫星已由技术试验阶段向业务化运行阶段发展，卫星性能持续提升，应用领域和功能不断拓展；

（2）已突破传统概念束缚，成为面向战术应用探索的新生力量；

（3）因其体积小、隐蔽性好、机动灵活等特点，微纳卫星已成为空间攻防的发展热点和高轨空间对抗的主要手段；

（4）微纳卫星相关技术代表了航天技术发展的前沿和方向，是新技术、新系统、新概念演示验证的重要方式；

（5）微纳卫星已成为开展工程培训和航天教育的重要途径，国际合作的范围和规模不断扩大。

1.1.2 发展趋势[7]

微纳卫星单星性能相对较低，通过星座组网、编队飞行等途径，可显著提高系统的时间分辨率和覆盖区域。通过快速、灵活、大规模部署及在轨重构，可大幅提高空间系统的生存能力和空间体系的弹性。星座多星、多任务、多路径和多模式综合应用，可形成新的工作体制，实现单颗大卫星难以实现的功能和性能。

目前，国外在通信、遥感、战术应用、技术试验等领域均提出了大规模的小卫星星座计划。星座组网已经成为微纳卫星发挥应用效能的重要途径，也是未来微纳卫星发展的主要趋势。

1.2 国内微纳技术发展现状

国内微纳卫星尚处于研究阶段。20世纪末、21世纪初涌现了一股微纳卫星研究的热潮。100kg的微小卫星方面，哈尔滨工业大学与航天科技集团第五研究院（航天五院）合作开展了100 kg量级“探索1号”立体测绘微小卫星的研制。50 kg的微型卫星方面，清华大学、航天机电集团与英国萨瑞大学合作完成的一颗 50 kg三轴稳定微型卫星已于2000年6月成功发射，并获得了大量的遥感图片；中国科学院上海冶金所与航天科技集团第八研究院研制了一颗50 kg量级的存储转发型通信卫星；2008年 9月中科院上海微小卫星中心研制的重约40 kg的伴飞小卫星跟随神舟七号载人飞船成功实现了同时发射，该伴星具有空间多方位观测、测控及数传、轨道机动接近绕飞等功能。10kg的纳型卫星方面，清华大学宇航中心与微米/纳米技术研究中心、中国科学院上海冶金所、电子部 13所，已开展纳型卫星的设计与关键技术攻关。除了上述单位，航天科技集团第八研究院、中国科学院空间中心、北京航空航天大学、国防科技大学等均开展了微小卫星关键技术研究并取得了众多研究成果[2]。

近年来，立方体纳卫星成为纳卫星领域的研究热点。浙江大学研制的皮星-1A卫星，质量约3 kg，采用15 cm×15 cm×15 cm的立方体体装式结构，于2010年发射升空，已成功地进行了半球成像全景光学相机、微机电系统（MEMS）等多项飞行试验，但是由于尺寸未遵循立方体纳卫星标准，尚不属于真正意义上的立方体纳卫星项目[8]。

2 微纳卫星特点及在卫星导航中应用的可行性

2.1 微纳卫星特点

微纳卫星具有体积小、重量轻、功耗低、开发周期短、性价比和功能密度高、隐蔽性好、机动灵活，可编队组网、以更低成本完成很多复杂空间任务的优势。

由于体积小、功耗低，微纳卫星单星性能相对较低。微纳卫星本体的体积、重量和成本大大下降，引发出来的弱点是不能携带大的太阳电池帆板以提供大的电功率，也不能承载高增益天线以传输高速率数据。但可利用它靠近目标，近距离采集图像传输给大卫星转发地面或将数据存贮起来直接回收使用。由于微纳卫星体积小、重量轻，易于回收，而且工作时间短，供电问题易解决，利用后一特点在发射运载器时，同步发射一颗或数颗微纳卫星拍摄级间分离图像和战斗部打击敌方的效果，并发射成亚轨道在国内回收再使用。

2.2 微纳卫星用于卫星导航的可行性分析

卫星导航系统通常由中轨卫星或地球静止轨道卫星向地球发射信号，以向全球或大区域提供导航、定位、授时服务。导航卫星由于轨道高度20000 km以上，为了使到达地面的信号能够被接收，其发射EIRP通常在30 dBW以上。而微纳卫星重量轻、难以搭载大功率发射器，飞行轨道低、难以大范围覆盖，用于导航系统组网目前尚存在较大差距。

然而在卫星导航的开发及应用中，有的领域如区域增强、导航对抗、电离层观测等对覆盖范围要求不太高。在这些领域应用微纳卫星是可行的，而且可对导航卫星起到一定的辅助、弥补作用。

3 微纳卫星在卫星导航中的应用模式

3.1 区域增强

在重点区域上空发射微纳卫星，可以辅助卫星导航系统实现区域星座增强、区域信号增强。

3.1.1 区域星座增强

在卫星导航系统支持下，微纳卫星能够增加用户可视卫星数量，改善用户定位几何因子，提高用户定位精度，其中微纳卫星依靠卫星导航系统完成自身位置确定。

在军事应用中，微纳卫星区域星座增强，可有效改善卫星导航系统战时空间星座不可用，用户定位几何因子变差的情况，从而提高区域范围内用户的定位精度、精确制导武器的制导精度以及可靠性。

为了增加可视卫星数，需要发射一定数量的微纳卫星。为了使所需要发射的微纳卫星数量最少，应设计卫星发射波束为到达视线范围后指向服务区的固定波束。下面以服务区域直径2500 km为例，设计微纳卫星星座。

如图2所示，直径2500 km对应地球张角θ计算如下：

其中，R=6378 km，表示地球半径。为了保证卫星进入视线范围内就能够对整个2500 km区域视线指向覆盖，要求轨道高度H最小值Hmin为

图2 微纳卫星覆盖区域及轨道高度示意图

当微纳卫星发射固定波束时，不同可视微纳卫星数量需求下的微纳卫星星座设计见表 1。需要至少连续可视1颗微纳卫星时，可发射星下点轨迹处于服务区域中线的单轨道卫星星座，卫星数量为360/θ=16；需要至少连续可视2颗微纳卫星时，可发射星下点轨迹处于服务区域2条平行边缘线的双轨道卫星星座，卫星数量为16×2=32；依次类推。可见，为了保证增强区域连续可用，即极端情况下当导航卫星均不可用时，为了保证连续可视4颗微纳卫星，至少需要发射64颗微纳卫星。

3.1.2 区域信号增强

在卫星导航系统支持下，微纳卫星能够增强导航信号功率，提高用户的抗干扰能力，其中微纳卫星依靠卫星导航系统完成自身位置确定。其原理是微纳卫星轨道高度为1000 km以内，比导航卫星（轨道高度约20000 km）到地面用户的距离近20倍，相同发射功率条件下到达地面信号强26 dB，可保障用户在更强干扰信号条件下正常工作。

微纳卫星区域信号增强，可有效改善干扰环境下，用户无法正常工作的情况，从而提高用户端的抗干扰指标。

表1 不同可视微纳卫星数量需求下的微纳卫星星座设计

3.2 导航对抗

微纳卫星在导航对抗中的应用涵盖侦察、进攻与防御三个领域，分别为电磁环境监测、反卫星攻击、导航卫星安全防卫。

3.2.1 电磁环境监测

作为态势感知的一个重要领域，电磁环境监测一直发挥着重要作用。微纳卫星充当电磁环境监测，可作为一种有效的侦察手段在态势感知领域发挥重要作用，包括：监测卫星导航干扰信号，实现卫星导航干扰的监测与定位。

3.2.2 反卫星攻击

反卫星卫星（亦称截击卫星）就是通过软杀伤和硬杀伤手段干扰和摧毁敌方的卫星系统。反卫首先需要接近目标，微纳卫星体积小，可探测性低，隐蔽性好，生存能力强；同时微纳卫星质量轻，轨道机动能力灵活，利于攻击作战；而且微纳卫星成本低，攻防博弈费效比优。由于上述优点，微纳卫星既可充当硬杀伤武器摧毁敌方卫星，亦可作为软杀伤武器使敌方卫星失效。美国国防部太空武器清单中名列榜首的就是一种微纳卫星，叫做“微卫星动能杀手载荷（MKKP）”，它们从可重复使用军用轨道器中被释放，然后高速尾随目标卫星并伺机将其摧毁。微纳卫星最简单的反卫方式是在微纳卫星上配置导航干扰功能，根据任务需要实时对敌实施卫星导航信号干扰。还有一种微纳卫星具备勾住对方的特性，能够与敌方卫星对接并使其重新定向，从而使其失效。

3.2.3 导航卫星安全防卫

对于导航卫星等高价值的任务卫星，可以在高价值任务卫星周围部署多颗微纳卫星进行伴飞，形成分布式卫星攻防系统，这些微纳卫星分别是诱饵卫星、告警卫星和杀手卫星等，共同为高价值任务卫星保驾护航。