纳型卫星编队飞行技术现状及发展趋势
2017-11-15林来兴张小琳
林来兴 张小琳
(1北京控制工程研究所,北京 100190)(2北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)
纳型卫星编队飞行技术现状及发展趋势
林来兴1张小琳2
(1北京控制工程研究所,北京 100190)(2北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)
对纳型卫星编队飞行进行了较全面综述,包括编队飞行、特点与现状以及空间飞行试验。根据空间市场预测,未来纳型卫星年发射量将占全球卫星总发射量1/3以上。文章据此论述了15个典型的纳型卫星编队飞行应用实例,总结了纳型卫星编队飞行的最新应用特点和发展方向,对我国发展纳型卫星编队飞行具有借鉴意义。
纳型卫星;编队飞行;应用;空间市场预测
1 引言
从20世纪末期开始,航天器编队飞行技术成为空间活动研究的热点。至今国际上仅讨论“航天器编队飞行任务和技术”的学术研讨会就已召开六届。在这段时期,航天器编队飞行大部分停留在理论研究、概念性方案设计和空间飞行验证试验等方面,也曾有具有很高应用价值的航天器编队飞行案例。例如20世纪末期的技术卫星-21(Techsat-21)任务,其分布式空间雷达由8颗微小卫星组成圆形编队飞行,分布在不同轨道,因保持队形受地球引力J2摄动,消耗推进剂的质量是卫星干重的数倍,最后由于技术难度大而被迫取消。目前能够进行的编队飞行大部分在同一轨道平面,卫星数量为2～4颗(此种编队飞行保持队形受地球引力J2摄动影响小)。过去的编队飞行卫星质量都在几百千克乃至1 t以上,其应用价值仅体现在进行空间演示飞行验证方面。近年来,由于纳型卫星的飞快发展,其中出现多个纳型、皮型、飞型卫星编队飞行,虽然多数也只是进行空间飞行试验和新技术与新概念研究,但是未来将有很大应用价值。近期又出现了电磁卫星编队飞行技术,利用电磁力及电磁力矩,可实现对卫星编队飞行的控制。由于电磁编队飞行采用电能,而电能可通过太阳能获取,所以这一方案既避免了近距离羽流污染及冲击问题,又解决了推进剂用量限制问题,然而电磁编队飞行控制系统较复杂,要求星上电源功率很大,还需要进一步研究,改善其存在问题,才能真正发挥作用。
目前,编队飞行已成为国际商业公司关注的投资项目。本文将系统地介绍一些典型实例,总结其最新应用特点和发展方向。
2 编队飞行技术优势
编队飞行具有以下技术优势:
(1)编队飞行可构成空间应用的一种新概念——虚拟卫星(由若干颗卫星以分布方式构成编队飞行,这些编队飞行卫星共同观测一个目标,其功能超过一颗大卫星)[1]。
(2)可提供极大测量基线,从而促进如星载干涉器、全球遥感同步目标跟踪等空间领域的发展。例如:分布式空间雷达卫星,光学干涉仪卫星。
(3)可由轻巧灵活的小卫星代替庞大复杂的大卫星。
(4)编队飞行卫星可以随时加入和退出(发生故障)编队,使卫星系列具有很高的重构性、冗余性、安全可靠性等。
微纳卫星最适宜编队飞行,所以进入21世纪以来,纳型/微型卫星(1～50 kg)的发展速度很快,图1表示纳型/微型卫星最近15年来的发射数量,从图中可看到,在最近4～5年中,纳型卫星(1～10 kg)的发射数量急剧上升。
美国Space Works咨询公司2016年8月在第30届小卫星国际会议上发表论文称(图2):未来7年(2016—2022年),将有纳型/微型卫星(图中深蓝色表示)2343颗要发射,若与前7年(2009—2015年)相比,发射数量将增加5倍,若按市场潜力计算(图中浅蓝色表示)将增加6.3倍[2]。
分析上述纳型/微型卫星发展原因是:成本低,研制周期短,应用领域不断扩大,应用效益日益增长。加上最近几年来运载火箭快速发展,发射费用下降,其中还有一个重要因素:纳型/微型卫星采用编队飞行,实现多星联合应用方式,这是以前单颗卫星应用效果无法相比的。多星联合应用主要方式是星座和编队飞行[3]。有关星座将在另一篇文献论述。本文主要讨论纳型卫星编队飞行最近进展[4]。
3 纳型卫星编队飞行进展
这里讨论的纳型卫星编队飞行,其编队卫星数量在2～6颗之间,包括纳型、皮型和飞型卫星3种,卫星质量均小于20 kg。
3.1 立方体星编队飞行
伊利诺伊大学和NASA喷气实验室(UIUCJPL)联合进行的立方体星编队飞行概念性设计研究,即在500 km轨道上采用3U立方体星4颗或6颗(组成椭圆形)构成两种编队飞行方式。
该飞行概念性的研究内容:①由4颗卫星组成四方形编队飞行,研究空间队形保持性能,其仿真实验结果,队形保持位置精度为5 m,保持时间为100个轨道周期;②由6颗卫星组成椭圆形编队飞行,考虑地球引力J2项的影响下,研究轨道位置机动要求。星上采用的敏感器和执行机构均为商用现货产品(详见参考文献[5])。该项目对多颗卫星编队飞行的合成孔径雷达、分布式空间敏感器网络进行了预选方案设计。
3.2 傅里叶变换光谱仪(FTS)立方体星编队飞行
该项目由美国Exelis地理系统和密歇根大学负责研究。采用3颗6U立方体星组成编队飞行,如图3所示。星上携带作为有效载荷的傅里叶变换光谱仪。3颗卫星共同协同测量全球三维风场模型,并且可以进行长期气候预报。通过编队飞行对全球任何一个地区保持12 h重访时间(详见参考文献[6])。
3.3 AuroCube-4编队飞行
由美国Aetospace公司研制的1U立方体星,卫星质量1.2 kg,由3颗立方体星(AuroCube-4)组成编队飞行,轨道高度450/750 km,倾角65°;立方体星结构见图4。星上两侧设有可控伸展机翼和GPS接收机(用来确定卫星轨道位置)。卫星姿态测量由地球敏感器、太阳敏感器、高精度三轴速率陀螺和惯性测量单元组成,姿态控制精度可达1°,GPS接收机测量卫星轨道位置精度为20 m。
编队飞行轨道位置控制,由两星飞行阻力改变(由可伸展机翼位置变化)来实现。现在已完成空间飞行演示验证任务[7]。
3.4 加拿大纳型卫星编队飞行
加拿大纳型卫星(Can X-4/5)由加拿大空间局资助的多伦多大学研制,编队飞行轨道如图5(a)所示,两星前后相隔距离由1000 m到500 m。卫星质量7 kg,星上姿态控制系统由三轴磁力器、6个太阳敏感器、3个速率陀螺和3个正交安装的反作用轮等组成,姿态控制精度为1°。卫星轨道位置由GPS接收机测量,精度1 m。星上装有加拿大研制的纳型卫星推力系统,有4个喷嘴液化冷气推力器,推进剂为六氟化硫,比冲35s,总速度增量ΔV为14 m/s,最大推力为5 m N。采用现有技术,实现纳型卫星编队飞行自主控制,飞行演示验证试验保持编队飞行队形距离从1000 m到500 m。Can X-4/5纳型卫星外型结构如图5(b)所示[8]。
3.5 光通信和敏感器空间飞行验证试验
美国宇航公司(Aevospace Corp)研制了微型卫星光通信和敏感器(Optical Communication and Sensors),然后通过2颗1.5U立方体星组成前后串联编队飞行,最后完成空间验证试验。研制目标如下:
(1)验证光通信从地球低轨道立方体星向地面站30 cm直径天线发射,数据传输率为5～50 Mbit/s;
(2)验证临近跟踪合作卫星的测距仪性能,该测距仪采用商用现货产品;
(3)验证姿态确定微型高精度星跟踪器性能;
(4)验证采用阻力改变实现轨道控制的技术;
(5)验证采用蒸汽压力推力器实现轨道控制的技术。
以上空间验证飞行原计划在2015年秋季进行。编队飞行轨道两个立方体星相距200 m,见图6(a),立方体星外形结构见图6(b)。
立方体星姿态指向控制精度为±0.1°,星上采用太阳敏感器、地球敏感器、磁强计、星跟踪器、3个磁力距线圈和3个反作用轮,飞行轨道为太阳同步轨道(500 km)。该项目可详细参阅文献[9]。
3.6 空间自主群星任务和地理定位纳型卫星
由以色列技术研究所研发的地理定位纳型卫星(SAMSON)任务[10],其目的是验证多星编队飞行的长期运行情况。该任务由3颗6U立方体星组成编队飞行(图7)。星上装有冷气推进器、原子钟、星间通信系统和可展开太阳电池翼。卫星编队飞行实现的相对距离从100 m到250 km。最初计划在2010年发射,因故推迟后尚未报道确定的发射时间。
3.7 系绳卫星编队飞行
日本九州大学和美国有关大学联合进行系绳卫星组成编队飞行概念性研究。2颗立方体星相对距离2 km,由系绳组成编队飞行。主星为20 kg,副星为10 kg,系绳直径0.33 mm,轨道高度500 km。研究任务目的是采用类似重力梯度稳定原理保持编队飞行队形。系绳卫星编队飞行见图8所示,详见文献[11]。
空间飞行试验首先把另外一颗立方体星释放,相距2 km,成为系绳形式编队飞行,编队队形稳定依靠重力梯度。然后又开始把系绳收回,两星合并在一起。
3.8 实时定位概念研究
由以色列技术研究所研制项目内容,采用在地球低轨道2～3颗小卫星编队飞行,测量按顺序到达时间差,从而确定由地面发射脉冲的精确位置。其目的是为空间传播地理定位,提供一种火星探测器的准确跟踪。探测器准确跟踪数据图像见图9所示。
这种方法与目前采用的信道非常拥挤的GNSS导航方法相比,成本较低而且冗余度更高,详情参考文献[12]。
3.9 加拿大和日本共同研制的纳型卫星编队飞行
日本和加拿大合作共同研制纳型卫星编队飞行,由2颗完全相同的立方体纳型卫星组成,每颗纳型卫星质量为18 kg,尺寸为35 cm×35 cm×15 cm;,日本和加拿大各自负责1颗;轨道为700 km太阳同步轨道;工作寿命1年,计划搭载日本H-2A火箭发射。星上有加拿大研制成功的微型无制冷辐射热量计,将在轨道上进行空间演示验证试验。
卫星编队飞行在轨飞行状态如图10所示,图10(a)为发射后入轨状态,两星尚未分开,图10(b)为卫星串联编队飞行状态,分开后两星按各自轨道飞行。
编队飞行控制空间飞行试验:采用空气阻力实现纳型卫星串联编队飞行。依靠两颗垂直于飞行方向的俯仰角差别所产生的阻力差控制卫星的前后飞行距离。可以控制范围在100 m～5 km之间变化。
4 纳型卫星群编队飞行
这里讨论的纳型卫星群编队飞行包括纳型、皮型和飞型卫星3种。
4.1 硅片集成飞型卫星组成群星
硅片集成飞型卫星(100 g)组成大型群星(Swarms)任务由美国国防先进研究计划局(DARPA)资助,NASA喷气实验室(JPL)等单位负责研制。采用众多飞型卫星(100 g)组成群星,在地球低轨道飞行,如图11所示。该任务研究目的是由群星组成稀疏孔径阵列和空间分布式敏感器网络。群星在轨道上形成三维编队飞行。星上装有通信系统、三轴姿态和位置敏感器、星上坐标机、电源分系统、微型作用轮和一套微小型肼推进系统等。
硅片集成飞型卫星的数字微推力系统,总功率为1.6 W,总质量95.5 g;小型热气肼系统,总功耗1.7 W,总质量104.7 g。
在轨道飞行演示验证试验中,仅要求保持编队飞行队形持续时间约为1000 s。是否能够成功或者能否取得飞行试验成果,尚需此次空间演示验证试验的结果才能知晓,详见参考文献[13]。
4.2 自主纳型卫星技术群星
在太阳系中,火星轨道与木星轨道之间,存在一条小行星带。这些小行星是未能成形的岩质行星的残余,约有50多万颗。体积大小差异很大,最小的直径仅有1 km左右,最大的直径有上千千米。它们与太阳的平均距离为2.8天文单位(AU)。由于缺乏有效的观测手段,过去很长历史时期对小行星带的探测收获很小。为此,NASA计划在2025-2030年在小行星带建立一个“自主纳星技术群星”(Autonomous Nano Technology Swarm,ANTS),从而可以长期探测小行星带。这个自主群星准备由1000颗纳型卫星组成,每颗卫星质量为几千克。它分批由运载火箭发射至太阳与木星间的拉格朗日点上,然后择机进入小行星带,组成自主纳型卫星群星。
立方体星在轨道上如何组成各种功能模块,如图12所示,详见文献[14]。所谓群星是类似于被动编队飞行,它依靠一种仿自然界昆虫的组织方式,例如参照蚂蚁觅食、蜜蜂筑巢行为的人工智能方法,使群星内所有纳型卫星可以自主保持松散队形,也就是说不会发生某些卫星走失,而且不消耗燃料。这项飞行任务,目前还处在研究和方案设计阶段。
空间飞行试验任务技术指标如下:任务执行寿命5～10年,轨道距地球1～3.5 AU,纳型卫星(立方体星)质量≥1 kg,星上电源功率100～300 m W,姿态采用三轴稳定。
4.3 纳型卫星编队飞行观测台
“空间超低频射电观测台”(Space Ulta-low Frequency Radio Observatory,SULFRO)在日地间的拉格朗日点L2上,由13颗纳型/微型卫星组成一个编队飞行系统。它由2部分组成:12颗纳型卫星组成编队飞行称为子星,一颗微型卫星称为母星。
子星编队飞行分布在30 km×30 km的正方形区域,每颗纳型卫星装有3根双极小天线。12颗编队飞行纳型卫星组成射电望远镜阵列。这些纳型卫星天线检测超低频的无线电波把数据传输给母星,经过数据关联和信号处理后,压缩传输数据容量,然后传递到地球。
母星为微型卫星,质量为几十千克量级,子星为纳型卫星,质量为几千克量级。计划采用中国“长征”系列火箭发射到L2点,由于L2点基本处于失重状态,各颗子星在编队飞行状态轨道摄动差很小,同时编队飞行是离散形的,对队形保持要求不严格,每年需要保持卫星间轨道位置的燃料消耗很少,速度增量约为几米/秒。
该系统检测的射电频率为1～100 MHz。这个频段在地表上由于受到地球电离层影响和地表各种人为无线电干扰,是无法实现检测的。地面上射电天文检测频率都在100 MHz以上的高频段。因此,这个编队飞行空间超低频射电观测台正好弥补地面射电检测不足,将获得地面观测尚未得到的检测结果[15]。
5 合作编队
合作编队为编队飞行一种类型,编队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,例如空间交会对接,也就是两个航天器在有合作条件下实现交会对接。空间交会对接已有40多年历史,应用实例很多,但是过去都是在中、大型航天器间实现的,近期才出现这种纳型卫星编队飞行,这里仅介绍几个应用实例。
5.1 可自主装配变结构空间望远镜
这是基于纳型卫星对关键技术进行空间飞行验证试验。现在的空间望远镜光学孔径最大已经达到直径6.6 m,今后再难进一步发展,因为受到运载火箭尺寸限制。未来空间望远镜可采用自主装配多个小型孔径编队飞行组合结构,光学孔径将超过20 m。从而避开受运载火箭尺寸限制,这种空间望远镜结构如图13(a)所示。但是这种空间望远镜结构成本较高、技术难度也大,保持长期编队飞行队形稳定更为艰难,为此,美国加州理工大学和英国萨瑞空间中心共同提出一项关键技术进行空间飞行试验。采用2颗3U立方体星,可自行脱开又可与中央为核心的9U纳型卫星自主对接,中央纳型卫星收存2个固定反射镜和可伸展2 m长杆焦平面组合,参见图13(b)所示。
两颗3U立方体星各自携带电驱动的自适应反射镜。这些卫星姿态三轴控制精度可达到±1°,漂移角速度小于0.5(°)/s,采用GPS接收机、三轴磁强计、商用现货产品太阳敏感器和地球敏感器组合件、三轴磁力矩器与三轴微型反作用轮。有关资料可参阅文献[16]。
5.2 立方体星接近操作空间飞行验证
立方体星接近操作空间飞行验证(CPOD)项目是根据美国NASA小卫星发展计划需要而确定的,因为今后将有许多小卫星需要应用交会对接技术。为此应用2颗3U立方体星进行交会、接近操作的空间飞行验证。2颗立方体星接近飞行轨道如图14所示。该任务由美国Ty Vaic纳型卫星公司等机构承担研制,2颗卫星同时发射入轨,然后分开为交会保持接近飞行状态。
立方体星为3U结构,位于太阳同步轨道,在星体两侧有可展开的太阳电池翼。3U立方体星技术指标为:平均功率17～30 W(全部系统工作平均功率15 W);姿态指向精度＜0.15°(采用星跟踪器测量);下行数据速率为60 Mbit/天,采用UHF和S频段;速度增量ΔV小于30 m/s,采用冷气推进系统;卫星质量5.99 kg(含太阳电池翼)。
此3U立方体星外形结构如图15所示。3U立方体星由3个立方体星组成,各系统具体结构如图16所示。第1个立方体装有导航设备和有关GPS接收机与软件及对接机构;第2个立方体装有冷气推进系统;第3个立方体前0.5 U装有姿态确定和控制系统与数据处理等设备,后0.5 U装有星上电源分系统和UHF与S频段收发机等设备。
姿态控制系统有3个反作用飞轮,技术指标为:10 000 r/min(最大转速);角动量10 m N·m·s;力矩3 N·m;2个跟踪器俯仰、偏航精度为10角秒,滚动精度为80角秒;三轴磁力矩器的力矩均为0.1 A·m2;两个星上处理器分别用于姿态控制和数据处理。
2015年已经对立方体星的空间对接近操作涉及的所有设备,完成地面半物理仿真试验。原计划在2016年6月搭载发射,因运载火箭问题推迟。计划在2017年10月18日搭载金牛星火箭发射,详见参考文献[17]。
5.3 空间系绳自主机器人卫星
由日本香川大学和高松国立科技大学联合研制一对母星和子星。母星质量4.2 kg,子星质量3.8 kg。研究目的在空间演示验证,由系绳联系母星和子星交会对接。
首先母星用系绳以可行的初始速度展开,系绳长度10 m,直径为0.4 mm。展开后母星与子星轨道结构如图17(b)所示。图17(a)为母星与子星联结在一起的初始状态。展开的系绳收集空间等离子环境下的电子,产生电流。这项任务在2016年12月9日在日本种子岛发射基地用H-2B火箭成功发射入轨,详见文献[4]。
母星姿态确定由GPS接收机、磁强计和陀螺仪来实现,用磁力距器进行卫星控制,子星姿态由母星上相机图像来确定,然后控制连接系绳的张力来实现,这项空间试验已顺利完成,但是存在稳定性问题。
6 结束语
本文研究分析了纳型卫星编队飞行最新进展和当前先进的15个编队飞行应用实例。可以获得以下结论:
(1)空间飞行试验是创建新空间应用的必经之路,纳型卫星质量轻、研制周期短、成本低,是空间飞行试验最佳选择。本文论述这些纳型卫星编队飞行,飞行试验成功后大部分都会成为高水平的空间创新应用项目。
(2)Can X-4/5纳型卫星编队飞行已经成功发射,而且完成预定空间飞行任务。采用技术水平是目前最先进的,应用差分GPS获得很高的测量和控制精度:绝对相对位置均方差精度为2～5 m,相对位置均方差精度为2～5 cm,相对位置控制均方差精度为1 m。其他设备,例如敏感器和微推力器都具有高的技术水平,对实用卫星编队飞行提供了有力支持。
(3)由上百颗飞型卫星组成大型群星,其目的是进行由星群组成稀疏孔径阵列和空间分布式敏感器网络的空间飞行试验。此技术水平是最高的,技术难度也是最大的。若飞行试验成功,则将开发实用稀疏孔径阵列和分布式敏感器网络编队飞行,实现卫星编队飞行最好的功能。
(4)采用几十到几百颗纳型卫星组成大型群星,在经济上是可以接受的,关键是发射工具与信息在遥远太阳系传输存在困难。当然其观测结果对天文学有巨大贡献,可以作为未来研究发展方向。
(5)过去交会对接技术的卫星质量最轻也要1～2 t,限制了对它的使用,而本文介绍采用纳型卫星质量轻(千克量级),飞行试验成功后,这种交会对接技术对军民用都将有很大的应用价值。
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Current Status and Developing Trends of Nanosatellites Formation Flying
LIN Laixing1ZHANG Xiaolin2
(1 Beijing Institute of Control Enginerring,Beijing 100190,China)(2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)
This paper gives a comprehensive overview of the nanosatellites formation flying,including the characteristics and current situation of formation flying,and space flight experiments.According to space market forecasts of future nanosatellites launch will account for the total global satellite launch more than 1/3.As well as 15 typical examples of flying formation and summarizes the latest application characteristics and development tendency of formation flight.The paper is of reference value for China's development of satellite formation flying.
nanosatellites;formation flying;application;space market p rediction
V11
A
10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.011
2016-01-26;
2017-09-29
林来兴(1932-),男,研究员,从事航天控制、小卫星编队飞行研究。Email:laixing_lin@sina.com。
(编辑:张小琳)
