01

　　小型衛星集群概述

　　小型衛星相對傳統衛星具備獨特的性能優勢，如相對輕量化、低成本和快速生產能力。通過對單個大型衛星與小衛星集群全面對比研究，可以看出，就執行復雜空間任務的成本效益而言，考慮到所需的地面站和安裝數量，大型衛星在初始成本上更具經濟效益，但考慮到小衛星集群可以在空間和地面系統相互支持的情況下不間斷執行大量任務，小型衛星集群在初始設置完成后將變得更具經濟性。

　　由于這些原因，小型衛星正在獲得廣泛的應用，并不斷開發新能力，可用于多元化任務，如通信或遙感等；然而，由于小衛星存在質量、體積、功率和有效載荷的各種限制，當前部分空間任務必須使用集群編隊而不是單個小衛星來執行。

　　一般來說，該衛星集群的壽命根據軌道參數的改變而變化，這些小型衛星的設計中大都沒有推進系統。在外軌道擾動和無軌道修正的影響下，在低軌400公里處運行的衛星集群的使用壽命約為數月，而在低軌700公里處的類似衛星集群的使用年限約為數年。因此，必須從設計時就確定任務的要求和使用壽命，并且必須建設恰當的架構以在最佳軌道高度運行。

　　衛星集群可以執行交會（rendezvous）、編隊飛行或立體成像等復雜空間任務。最典型的應用是美國“星鏈”系統，可提供全方位互聯網服務。但這類衛星不可避免地會在低軌軌道上增加軌道碰撞的風險。

　　02

　　集群衛星架構分類

　　集群衛星架構通常按距離和控制精度細分。飛行編隊是分布式空間系統的一個子集，以空間和控制精度為特征。編隊體系架構多種多樣，從衛星間距為10米的局部衛星編隊系統，到間隔數千公里的全球體系架構。

　　圖1：相對距離和控制精度是太空系統集群進行區分的關鍵

　　圖1所示的主要集群衛星體系架構可定義為三個類型：

　　星座架構：由許多在類似軌道上部署的衛星組成，在時間和位置上適當分布，以確保所需的對地覆蓋面。衛星由地面控制站單獨控制。典型案例是低軌部署的全球定位系統（GPS）星座架構

　　衛星編隊飛行體系架構：一種面向任務和探測的多衛星體系架構，其相對位置由閉環內部控制系統進行控制。與星座架構不同，衛星間距離相對較短

　　交會對接架構：控制精度最為精細，空間平臺間的距離也相對最短。控制靈敏度隨著空間平臺之間相對距離的減小而成比例地增加

　　在體系架構設計方面，確定集群幾何形狀和所需衛星數量非常重要。編隊形成后，微分擾動加速度將會逐漸破壞初始幾何形狀。應根據用戶的需要，主動控制編隊的相對幾何結構是對抗軌道畸變的一項要求，特別是在低軌軌道內。因此，應使用相對引導、導航和控制（GNC）系統在所需時間內對編隊進行保持。通常，應在衛星上實施閉環控制方案，如圖2所示。引導信息應由地面站或集群內其他衛星的自主內部傳感器提供。

　　圖2：衛星集群閉環控制流程

　　相對導航涉及平臺相對于另一平臺的位置和速度的最優化估測。在此方面，有大量的傳統應用，例如全球導航衛星系統（GNSS）和慣性導航系統（INS），需要其它的連接方式。最新的應用使用光學和圖像處理以及傳感和跟蹤模型，旨在降低總體復雜性，并提高精度。

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　　優劣分析

　　除上文提到的輕量化、低成本和快速生產能力外，與單個衛星相比，衛星集群還將提供更大的感知視野和覆蓋范圍，同時還可以進行三維地球觀測和干涉測量研究。

　　在衛星集群中，每個構成部分都更小、更輕、更易于構建；因此，與單個大型衛星相比，集群衛星的概念成本更低，復雜度更低。此外，單個衛星的故障對整個任務來說并不再那么重要，因為故障衛星可以很容易地被備用衛星替換。

　　集群衛星概念同樣存在著一些限制和挑戰，如太空操作和太空環境的復雜性、任務性質的特殊性以及互操作性問題，這是由于其自主系統和傳感器多樣性造成的。

　　在集群衛星應用中，最重要的是根據用戶和空間任務要求設計衛星編隊體系架構。在小衛星編隊過程中，必須精確確定每顆衛星的運動參數和相對幾何擾動。此外，使用基于視覺傳感器的高性能系統，有可能捕獲航天器和空間碎片的運動，并預測其相對矢量狀態，隨后可用于會合、對接或導航，以確定軌道運動并避免碰撞。

　　下表展示了單衛星系統和衛星集群體系相應的特征對比情況：

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　　主要考慮因素

　　針對小型衛星集群體系架構，JAPCC認為，其主要考慮因素包括以下幾類：

　　確定位置與姿態。使用微型傳感器確定衛星位置，分析測量結果，精確判斷衛星間的相對距離。

　　位置和姿態的自主控制。將確定計劃開展對地測量位置和衛星朝向目標姿態間的偏差，以確定相應的校正操縱方案。由于軌道的性質，與地面控制站的聯系有限，因此必須發展衛星實時應對能力。

　　衛星集群架構的運行。控制衛星編隊需要協調地面控制交互，其特點是信號傳播延遲和間斷，以及內置的自主應對能力。可僅對“領頭”衛星實現位置控制功能，跟隨衛星將根據所設想的星座幾何結構調整其相對于“領頭”衛星的位置。

　　值得注意的是，小衛星在編隊飛行時可能會使用不同的相對導航方法。傳統上，GNSS和INS將進行集成用于搜尋相對位置。如果沒有來自地面或全球導航衛星系統的數據，衛星將只能使用機載計算數據導航，這通常由內部傳感器完成。

　　基于全球導航衛星系統的傳感器的衛星集群體系架構。小衛星集群利用全球導航衛星系統信號，通過確定彼此的相對位置來維持星團的幾何結構。這種方法正在使用，并已在許多集群衛星空間任務中得到驗證。然而，由于全球導航衛星系統的覆蓋范圍有限，只有低軌衛星使用這種傳統的相對導航方法。

　　基于視覺傳感器的衛星集群架構。基于視覺的傳感器系統將有效降低對外部系統的依賴。雖然全球導航衛星系統可用于近地軌道或中地球軌道的近距離衛星編隊，但不能用于“深空”任務。因此，必須開發新型傳感器技術，降低成本和有效載荷重量，同時將避免全球導航衛星系統性能上的限制。

　　相對導航算法。為了控制衛星，應相關算法進行觀測和預測，從而估計衛星集群相對狀態。典型可用算法包括單目同時定位和映射（SLAM）算法、卡爾曼濾波器、高斯和濾波器以及粒子濾波器算法等。

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　　評析

　　綜合JAPCC對集群衛星的全面分析，可以看出盡管衛星集群仍存在部分問題，但其未來大規模應用已是大勢所趨，將打造新質空間架構，對當前以單衛星平臺為代表的衛星體系造成巨大沖擊。未來以集群衛星將具備以下關鍵特征：

　　一是分布式、高彈性。大量小衛星將分布式部署，隨著自組織組網通信能力的不斷提升，將大大提升系統彈性，具備系統可重構、航天器可替換、故障容錯性強等特點，變革現有太空生態；

　　二是高自主、快響應。未來衛星集群將高度智能化，自主進行資源調度和任務規劃，根據周邊環境和任務要求實現智能控制，針對瞬息多變的太空環境和任務需求快速做出反應。

　　三是低價格、廣替代。衛星集群從整體風險成本和效費比角度相對于傳統衛星系統具備明顯優勢，未來很可能將廣泛替代現有系統。美國下一代太空架構、黑杰克、高超音速和彈道跟蹤空間傳感器(HBTSS)等新質系統廣泛使用衛星集群架構，已初步驗證了該發展趨勢。

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