衛星編隊新趨勢

2023-04-03 15:12:40 來源: 《環球》雜志

   要實現衛星的編隊飛行並不容易,這就像一臺車在路上行駛很簡單,但好幾臺車在路上保持一定的隊形共同前進,還是無人駕駛的車,難度就攀升了。

文/徐鳴

編輯/樂艷娜

  大家可能在航展時看到過帥氣的飛機編隊,或者在鳥兒遷徙的季節看到過整齊的大雁編隊,其實在太空,衛星編隊也正在成為新的趨勢。

  衛星編隊,顧名思義就是指若幹顆衛星組成一定的編隊構型,每顆衛星既要保持這個構型,又要相互聯繫、協同工作,整個星群構成一個超大的“虛擬衛星”或衛星網絡係統,共同實現近地勘測、深空探測、干涉測量等任務。

  早在20世紀90年代末,隨著航太任務需求的復雜度不斷提升,許多任務已經無法依靠單顆衛星實現,衛星編隊開始成為一種新的解決方案。那麼,衛星編隊如何提升係統的整體性能?

  以兩顆合成孔徑雷達(SAR)衛星編隊為例,兩顆星對地面的同一區域進行成像觀測,這就像人的眼睛,一只眼睛只能看到平面,兩只眼睛就可以看出高度和深度,可用于險峻高地、森林植被等地形的測繪。此外,衛星編隊更具靈活性和冗余度,因為它能容忍單點故障,降低任務失敗風險。而且,以小衛星為物質基礎的衛星編隊,其最吸引人的地方就是制造成本低、投資收益高。

  成本低、重量輕、研制周期短的小衛星快速發展,加速了衛星編隊的發展。當前,多個國家對衛星編隊展開了深入的研究,並在近20年內取得了極其迅猛的進展,其中典型的衛星編隊係統有美國的GRACE、歐洲的SWARM、德國的TanDEM-X以及我國的天繪二號等等。

  目前,衛星編隊衍生出多種形態,有像花樣滑冰的雙星繞飛編隊、形似豎琴的三星編隊,以及難度較大的轉動車輪式四星編隊等等。不過,要實現衛星的編隊飛行並不容易,這就像一臺車在路上行駛很簡單,但好幾臺車在路上保持一定的隊形共同前進,還是無人駕駛的車,難度就攀升了。

  既要滿足任務要求,又能保持長期穩定的編隊隊形,要克服很多挑戰。首先,編隊衛星上天後,第一件事是進入任務軌道,開始依次調軌形成編隊構型。衛星在編隊中將受到各種攝動因素幹擾,構型參數會發生異化。其次,編隊構型穩定後,空間碎片、不明飛行物等也可能會穿越衛星編隊構成的虛擬陣,影響係統性能。

  所以,衛星編隊的穩定需要強大的技術支援,在衛星編隊的全生命周期都需要強大的姿態與軌道控制係統、測運控係統、自主運作技術等,來提高整個係統的機動性、穩定性、安全性和抗幹擾性。此外,編隊衛星之間也需要互相“交流”,交換彼此之間的距離、位置等資訊,實現時間、空間和相位同步,這就要依靠星間通信鏈路、相位同步鏈路等技術,使衛星編隊飛行能進行大量實時數據和控制指令的傳播與處理,幫助編隊衛星協同工作,達到“1+1>2”的效果。

  近年來,隨著感測器等技術的快速發展、工業化的進步,衛星編隊的應用場景逐步從過去單一的國家任務拓展到多元的商業化場景,在全球互聯、實景三維、城市安全、自動駕駛等新興市場都有廣闊的應用前景。同時,我國商業衛星公司因成本低、迭代快、批産化等特點在衛星編隊的研發中也體現出了較大的優勢,未來有望在此領域貢獻更高的價值。

來源:2023年4月5日出版的《環球》雜志 第7期

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