分布式空间系统研究进展与应用分析

2021-01-06张治彬李新洪李伟杰张国辉

无人系统技术 2020年5期

董勇，张治彬，李新洪，李伟杰，张国辉

（1. 北京空间飞行器总体设计部，北京100094；2. 航天工程大学，北京101416）

1 引言

分布式空间系统（Distributed Space System，DSS）定义为由多个空间元素组成的任务体系结构，这些空间元素相互作用、相互合作、相互通信，从而产生新的系统特性或新出现的功能。目前，DSS尚未形成一个受到各界普遍认可的类型划分。通常根据DSS的空间分布尺度、任务目标、卫星同构性、卫星间的协同程度，可以将其分为星座、卫星列车、编队、集群、分体卫星系统和联邦卫星系统［1］。

卫星星座重点支撑功能需求，如持续的实时全球覆盖，而其他DSS通常更侧重于实现新的功能或属性，如为整个系统增加灵活性或鲁棒性。著名的卫星星座包括GPS［2］、GLONASS［3］、Galileo［4］和北斗［5］全球导航卫星系统，铱星［6］、铱星NEXT［7］、全球星［8］和O3b［9］通信星座，DMC［10］和Flock［11］对地观测星座。在过去的几十年里，航天工业正经历着关注点的不断转移，从大型昂贵的卫星转向小型的、廉价的、大规模生产的卫星。这种趋势导致了巨型星座计划的出现。国内外的巨型星座建设如雨后春笋爆发，如国内的虹云工程、鸿雁星座，国外有SpaceX 公司的星链计划，一网公司的星座互联网计划以及亚马逊的Kuiper计划等。

另一个DSS方案是卫星列车，如美国国家航空航天局（NASA）的Morning［12］和Afternoon［13］对地观测星座。列车是一组协调卫星，它们沿着同一轨道紧密地相互跟踪。列车是混合架构，以执行独立任务［14］的异构组件为主。合并后，这些单独的任务产生协同测量，从而满足总体任务目标。

许多DSS 概念背后的关键思想是编队飞行。编队一直是天文学和地球观测领域的研究重点，因为它可以利用干涉测量和其他分布式观测技术提供更高的空间和时间分辨率。基于编队飞行的任务在21 世纪初就已经被提出，如大型空间干涉仪，以及大型空间望远镜阵列的在轨服务任务［15］等，然而许多设想中的大型干涉测量任务至今还没有发射。早期的编队飞行任务包括GRACE，TanDEM-X合成孔径雷达和LISA激光干涉空间天线等。

星座等DSS的实现已经相对完善，而包含数万甚至数千个小型航天器的星群仍处于积极的研究和开发部署阶段。星群的力量在于其巨大的规模，星群中的独立个体能力有限，但一大群卫星可能会产生一个巨大的网络空间系统，这将解决地方和全球范围内的问题［16］。集群可以以低得多的成本进行大量的应用，如描述行星大气的特征、估计小行星的组成以及调查地球的电离层等任务。NASA和欧洲太空局（ESA）对以星群结构进行行星探索表现出了极大的兴趣，如NASA 开发的类地行星探测器干涉仪概念［17］和由ESA［18］开发的达尔文任务等。

分体航天器的概念在80年代就被提出了［19］，但很大程度上被忽视。直到2006年美国国防部开始一项对分体航天器的研究和原型试验——F6 系统［20］，以探索分体卫星系统如何改变太空商业运作方式。解耦是分体架构的主要优点之一，它允许部署彼此独立的单个传感器。与单体系统相比，分体系统的响应更快。此外，在故障或任务目标改变的情况下，分体航天器允许更换或增加特定的子系统和有效载荷，这将潜在地延长任务寿命，显著提高系统质量。

联邦卫星系统是最新的DSS概念之一，其特点是完全独立和异构的航天器之间的机会协作，联邦航天器可以有管理和操作的独立性，但仍然能够一起工作。联邦卫星系统架构设想了极具活力和不断发展的轨道内基础设施，从而创造一个空间资源市场。空间资源市场可以向联邦提供各种闲置功能，例如下行带宽、存储、处理能力。这种资源共享的想法部分源于这样一个事实，即没有一颗卫星总是以最高性能运行。在较低性能期间，未使用和可用的资源可以出售给其他卫星［21］，类似于地面的云计算网络。

本文研究了DSS的发展现状，并对其应用优势和潜在应用场景进行了分析，最后提出了DSS的发展建议。

2 典型DSS介绍

2.1 星链计划

小卫星技术及商业运载火箭的蓬勃发展促进了巨型星座计划的出现，SpaceX 计划在2019年至2024年间在太空搭建由约1.2 万颗卫星组成的星链网络，其中1584颗将部署在地球上空550千米处的近地轨道，并从2020年开始工作。星链计划是当今最具有潜力的卫星星座，旨在提供廉价、快速的宽带互联网服务，是迄今为止提出的规模最大的星座项目。天基通信网络理论上可以覆盖到任何陆基通信网络不易和不能覆盖的地区，例如山区、海洋、极地。SpaceX 团队认为，未来20年，全世界将有近半数的网络系统上天，无信息死角的数字地球将成为现实。星链计划就是要打造一张覆盖全球的天基自主通信网络，彻底摆脱传统陆基通信的区域限制。2019年5月，埃隆·马斯克的SpaceX 公司发射了第一组60 枚星链卫星。截至2020年6月4日，SpaceX 共成功发射并部署了八批60颗星链卫星进入轨道，使得入轨卫星总数达到482颗。

2.2 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统。2020年6月23日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭将最后一颗北斗三号全球组网卫星成功送入预定轨道。至此，北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。北斗三号由24颗中圆地球轨道卫星、3 颗地球静止轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星，共30 颗卫星组成，其轨道构型如图2 所示。北斗三号是采用了三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比，高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能优势更为明显。同时，北斗系统创新融合了导航与通信能力，具备定位导航授时、星基增强、地基增强、精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多种服务能力［22］。

图1 4400颗星链卫星组成的星座Fig.1 The constellation of 4400 Starlink satellites

图2 北斗三号全球卫星导航系统星座Fig.2 BeiDou-3 global navigation satellite system

2.3 黑杰克项目

黑杰克卫星项目寻求开发体积小、重量轻、功率和成本低的商业卫星平台，加上可快速更新升级的军用载荷来构建低轨军事通信与侦察卫星星座，其能力与当前地球同步轨道系统相当，而单颗卫星的成本低于600 万美元，并且更容易在太空对抗条件下生存与补充。项目最终目标是发展一种由60～200颗卫星组成的星座，运行高度500～1300 km。项目将设立一个操作中心管理所有的卫星及有效载荷，使星座有能力在没有操作中心的情况下运行30天。黑杰克有效载荷的数据处理将在轨完成，无需地面数据处理的支持。黑杰克卫星项目实施分为3个阶段，第一阶段主要开展系统架构研究与设计，第二阶段进行详细设计与集成，第三阶段开展发射和在轨飞行试验。美国国防部预先研究计划局（DARPA）计划于2020年底和2021年将黑杰克项目的小卫星发射到低地球轨道，验证先进的卫星星座自治和空间网状网技术［23］。这一技术的在轨验证将为空间机构建立在轨网状网络和分布式卫星系统之间的联网问题奠定基础。

图3 黑杰克项目概念图Fig.3 DARPA’s Blackjack program concept

2.4 F6计划

2007年7月，DARPA 发布了一项机构公告，征求F6 系统的开发方案。DARPA 的F6 计划是用包含各种有效载荷和基础功能的异构模块组成无线网络集群，取代传统的高度集成的单体卫星。模块间采用物理分离、无线连接的方式进行功能协同、资源共享，构成一颗虚拟大卫星来完成特定的任务，这种分体结构能够提供与单体卫星相当或更强的任务能力，并且具有显著增强的灵活性和鲁棒性。F6 项目的六大关键技术包括：自发现、自动配置、故障自愈的自组织网络技术；安全、可靠、抗干扰的无线通信技术；开放、可扩充性、自适应性、自主容错的分布式计算技术；高效、可靠、无干扰的无线能量传输技术；自主、碰撞规避、星群分散重聚的星群导航控制技术；以及分布式有效载荷技术。DARPA 以研制并发射飞行试验系统为目标，制定了跨度4年的实施路线图，共分4 个阶段。该计划的第一阶段为概念和系统设计阶段，于2009年2月完成。考虑到分离模块航天器概念的大量工作是研究以价值为中心的设计方法，其中需要对价值、成本、风险等多项因素进行度量和分析，模型的构建和参数选取需要大量历史数据和工程经验，因此选择工业部门牵头，资助了四个团队进行概念设计，并为不同的分离航天器系统进行了初步设计。2013年，DARPA 认为该项任务不值得继续，最终取消了F6计划。

图4 F6系统概念Fig.4 DARPA’s System F6 network

2.5 ONION项目

ONION 项目由欧盟地平线2020 计划资助，研究了分布式卫星架构如何应用于地球观测（EO），并提出了分体与联邦卫星系统的概念，以补充哥白尼空间基础设施在2020年至2030年对于极地区域的监测，为欧洲地球观测系统带来竞争优势。与地面网络类似，这些系统设想了卫星功能在多个合作航天器（被视为网络节点）之间的分布，卫星以机会主义的方式共享轨道上的资源，同时执行独立的任务，适用于从地球观测到空间科学的各种应用。

3 DSS的典型应用优势与不足

虽然单体卫星任务在准确性和操作方面仍具有显著优势，但新型分布式体系结构有望提高灵活性、响应能力和对结构和功能变化的适应性。DSS的典型应用优势如下。

图5 ONION项目概念Fig.5 ONION artist’s impression

（1）由于其分布式特性，DSS 的鲁棒性和系统可用性强。分散功能可以消除单点故障，并允许在节点发生故障时给用户提供服务，甚至在大多数节点无法工作时仍可交付数据。如果提供了对故障做出反应的必要内部机制，则故障节点的服务和功能可能会被系统吸收，从而使系统具有更高的弹性。它们的功能和结构划分也允许在向系统添加新功能时，或者是为了克服永久性故障时替换或添加新节点，从而最小化故障补偿成本。分布式卫星系统具有更强的生存能力，可以吸收更多的点攻击。它们也比单体卫星更具机动性，以避免区域性打击，可以在新的轨道位置进行自组织和自重构，并重新提供服务。

（2）DSS 响应能力和适应性也可以通过逐渐开发或部署策略得到增长。通过逐步地向DSS 增加新节点，可以满足一系列计划或性能递增任务的关联数据产品的要求。在已经部署的DSS 上增加新功能还可以使这些系统适应不断变化的环境或用户需求，从而补充其灵活性。与单体航天器相比，分布式架构的财务支出也可以分为几个阶段，当成本无法一次性全部承担时，选择可以负担的方式。

（3）DSS 通常采用更小、更简单的卫星，使卫星的大规模生产和模块化设计成为可能，减少了卫星设计和生产的时间。另一方面，小卫星发射成本较低，因为它们更轻，对运载火箭的运载能力要求更低，因此更适合快速发射，能够更快的组网、重构并提供服务能力。同时，模块化的设计使卫星系统具有组织灵活、维修方便、适应性强等优点，可有效提高空间系统的可维修性，降低空间系统建设成本，满足空间应用的多任务需求。

（4）DSS 可以有效的改善任务性能。一方面，从多个地理位置同时获取数据将提高时间分辨率（即重访时间）。分布式架构允许节点间接下载其数据从而减少数据访问延迟，并实现对大型目标区域的近实时监控。另一方面，增加观测节点的数目也可以在保证高分辨率的情况下获得更大的覆盖范围，单个节点不需要更大的幅宽。该特点的一个实际例子是美国的Planet 卫星群，拥有近200 颗在轨卫星，可实现每天监测全球一次。除了时间、空间和频谱范围的改善外，DSS 还可以通过融合多个航天器的数据来提高角分辨率。

这些新的DSS 架构提供了新的系统属性，实现了突破性的功能。但同时也难免带来一些负面影响。

（1）增加了接口、网络和管理等方面的复杂性，这些技术在单体卫星中更成熟也更简单。

（2）小卫星由于体积有限，载重非常小，功率也相对较低，而且运行寿命相对于一般卫星来说非常短，具有较高的风险。

4 新型DSS应用场景

DSS 在对地遥感、通信、导航等领域已经得到了广泛的应用，但是其应用潜力不限于此。DSS 极大的延伸了系统的测量基线，因此能够充分的应用干涉技术，能够极大地促进光学与微波方面的空间遥测技术发展。DSS 的潜在应用可分为行星科学、空间科学、在轨服务三大领域。

在行星科学领域，多颗近距离飞行的卫星可搭载用于空间遥感和监视，如合成孔径雷达干涉仪或梯度仪。从同时照射给定目标的分离天线获得的雷达数据可以进行差分，以获得地形高度的精确测量或实现动目标检测。类似地，相近的飞行加速计或无拖曳卫星可用于将地球重力场重建到前所未有的分辨率。精确的星间跟踪可以提供多个空间方向的同步测量，以估计整个重力梯度张量。通过使用多个无拖曳卫星对重力异常进行快速测量，可能发现并监测石油或地下水变化以及储量情况。

在空间科学领域，DSS 在飞行的过程中，能够在传统的空间观测技术上发展和创新，进行新兴领域的探测，利用观察到的天文数据和物理数据进行分析，极大地促进了空间科学的发展。例如，双航天器望远镜可用于对天文资源进行详细的光谱研究，并直接对系外行星进行成像。红外和可见光波段的多航天器干涉仪被认为是新的天体物理学发现的关键。由三个或更多高性能的航天器组成DSS 可以形成重力波天文台，能够探测大质量的黑洞双星，甚至可以构成极高分辨率的合成孔径光学望远镜。

在轨服务领域，DSS 可以通过合作或非合作的方式用于空间大型结构的组装、近地目标的检测和特征识别，以及航天器维修、燃料加注等在轨服务任务。从长远来看，新型的DSS，如分离航天器和联邦航天器，将在空间中建立巨大的网络，实现空间中的物联网。

（1）应用场景1：TanDEM-X

高精度数字高程模型是所有现代导航应用的基础，在民用和军事领域都得到了广泛关注。为满足对所有陆地区域进行全局、均匀且高分辨率覆盖的要求，从而为各种应用提供重要信息，德国航空航天中心提出了高分辨率干涉合成孔径雷达（SAR）任务——TanDEM-X［24］。

TanDEM-X 任务概念基于对TerraSAR-X 任务的扩展，该任务由两个几乎完全相同的TanDEM-X卫星组成。两颗卫星以300～500 m 的典型跨轨距离近距离编队飞行，从而提供了一种灵活的单通SAR 干涉仪配置，可以根据不同的任务需求选择基线。TanDEM-X 编队的主要目标是生成与HRTE-3相对应的全局、一致、及时的高精度数字高程模型。除此之外，TanDEM-X 还提供了可配置的SAR 干涉测量平台，用于展示最新的SAR 技术和应用，例如数字波束成形，单程极化SAR 干涉测量，长轨干涉测量等。

避免近距离编队飞行碰撞是TanDEM-X 任务最为关键的问题，为此，提出了双螺旋编队的新轨道概念，以确保安全的轨道分离。为确保SAR干涉测量基线的稳定和精确，德国航空航天中心开发了导航和编队飞行软件包——TAFF，实现TanDEM-X的自主编队飞行。

图6 TanDEM-X任务概念图Fig.6 Artist’s view of bistatic observation by the TanDEM-X configuration

（2）应用场景2：LISA

在频率范围0.1MHz～1Hz 之间的低频频段上，宇宙中充满了强大的引力波源，但是由于基线长度限制和地球重力梯度噪声的影响，地面上是无法对这一频段的引力波进行直接测量的。适用于在低频频段上测量引力波的仪器是臂长尽可能长且积分时间长的激光干涉仪，这是航天探测器的主要动力。

激光干涉空间天线（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）是一个由NASA 和ESA 合作的引力波探测项目。LISA 探测器由三个相同的航天器构成，它们将组成一个高精度干涉仪，通过监测航天器内部自由落体测试质量之间距离的微小变化来探测引力波。

LISA 概念的一个关键特征是三个航天器均采用与地球相同的日心轨道，保持了近等边三角形结构，不需要轨道修正，如图6 所示［25］。LISA 与太阳的连线和地球与太阳的连线之间的夹角为20°，这种设计是为了尽可能减少地球引力造成的影响。在每一个航天器上都有两个完全相同的光学台，包含有激光光源、光学分束器、光检测器、光学镜组等组成干涉仪的光学器件。由于每两个航天器之间的夹角为60°，每个航天器上的每一个光学平台都会和相邻的航天器上的光学平台发生干涉。LISA的另一项关键特征是每个航天器内部的自由落体测试质量不受引力以外的外力干扰。无拖曳操作使航天器能够跟踪测试质量，同时保护测试质量不受外力的干扰。

图7 LISA任务Fig.7 LISA mission（(a)Orbital configuration of LISA(b)Artist’sconception of LISA spacecraft）

5 发展建议

分布式卫星系统的一些概念在技术上还不成熟，在实现、设计和操作上都存在挑战，针对这些挑战，本文提出以下3项发展建议。

（1）发展卫星自主运行技术。航天器与地面站距离较远会导致通信子系统出现延迟，并且当航天器位于地球背面时，将无法与地面站直接进行通信，使得地面操作人员无法灵活地管理航天器。另一方面，当卫星节点数量很多时，将会给地面站对卫星的管控带来很大的挑战，因此有必要发展卫星自主运行技术。自主卫星可以进行智能感知、任务规划和执行、分布式决策、故障管理、在轨数据处理，能适应不断变化的环境条件，避免错过任何观测机会，从而提供更好的性能。自主性也被认为是带来新的分布式地球观测功能和允许新的结构功能的一个必要特性。任务计划和调度（MPS）框架是实现卫星任务自主操作的关键组件。利用多智能体系统（MAS）对DSS 进行建模是工业界和学术界的一个共同趋势，MAS框架可以为系统提供性能改进并允许复杂的功能。自主性的实现离不开人工智能技术，实际上，人工智能领域已经进行了大量的研究，并提出了多智能体学习、深度强化学习等十分具有应用前景的技术。

（2）发展激光通信技术。下一代卫星系统被设想为异构卫星的动态网络结构，以更高的分辨率覆盖更大的大区域或最小化数据访问延迟。这些新颖的架构利用了已经被广泛应用于地面应用的概念和技术，即无线传感器网络、物联网、多核计算或云服务。卫星节点为它们的基础设施提供数据服务，参与协作工作，甚至在它们之间无线交换资源。对于所有依赖于实时共享大量数据的DSS 概念来说，高带宽通信是一种基本的支持技术，以便实时共享载荷数据、相互发送命令或遥测数据。另一方面，网络安全对DSS 的成功运行至关重要，对于数据或航天器功能由多个参与者拥有并在网络中共享的商业或军事应用尤其如此。与射频通信相比，激光通信的波长更短，在质量和功耗上都具有优势，同时抗干扰性更强。分布式卫星系统研究机构对激光通信表现出极大的兴趣，因为它可以协调多颗卫星并允许高性能的星间链接，同时最大程度地减少各部分之间的干扰。但是，它们需要精确的指向，以便能够建立光学链接，因此卫星平台需要高精度的姿态确定和控制。

（3）提高计算单元的计算能力。随着高度小型化系统和超低功耗技术的出现，微型和纳米卫星已成为实现多观测节点对地观测任务的适宜平台。与此同时，这些技术的使用对航天器造成了限制，主要是在通信、计算和姿态控制能力方面。但是许多DSS 概念依赖于计算单元具有快速处理大量数据的能力，尤其是在携带能够产生大量数据的仪器的地球观测任务中，如高光谱成像仪或SAR，因此有必要提高星载处理单元的计算能力。