太空星愿航天知识|什么是卫星编队
2021-12-01 11:12      来源:中国经营网

1、什么是卫星编队?为什么要进行编队?

卫星编队是指若干颗卫星组成一定的编队构型,编队中的每颗卫星相互协同工作、相互联系、共同实现通信、侦察和导航等任务,整个星群构成一个超大的“虚拟卫星”或卫星网络系统。通俗地说,有点像鸟类迁徙时,组成的人字形编队。每只鸟之间保持一定距离,组队飞翔。

通过编队,卫星成员之间团体合作可形成1+1>2的效果。

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举例而言,合成孔径雷达(SAR)获取地面目标信息的能力随着卫星的物理尺寸增大而增强,但单颗卫星在控制成本的情况下体积有限,获取信息的能力也因此受到限制。通过卫星编队技术,我们可以将空间多颗卫星组成一个分布式合成孔径雷达,从而实现对地面目标的高精度观测。

卫星编队在对地观测、天文观测及深空探测等领域具有重大应用前景,是未来航天任务的关键技术。小卫星编队飞行能够在近地轨道,为科学实验提供单颗卫星很难实现的数据采集。

2、卫星编队和星座计划有什么不同?

星座就像是覆盖全球的一张网,而卫星编队往往更加紧凑,就像是太空中飘过的一片云。
卫星星座是发射入轨能正常工作的卫星的集合,通常是由一些卫星环按一定的方式配置组成的一个卫星网。主要的卫星星座有GPS卫星星座、GLONASS卫星星座、Galileo卫星星座和北斗卫星星座等。

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卫星编队飞行时星间距离短,相互之间的距离可以只有几十米,编队的各星协同工作,彼此之间有通信与信息交换,有动力学联系和约束条件。但在星座中各星之间是稀疏的,一般没有星间信息交换,以单颗卫星轨道运行。

卫星编队飞行要求自主、实时,多颗卫星形成闭环控制,而星座只要求其中的各卫星的位置保持在规定精度的控制区域内,不至于相撞,或者在某种意义上不改变对地的覆盖特性。

3、卫星编队最早出现于什么时候?至今发展到哪个阶段?

1997年,德国戴姆勒奔驰航空航天公司为和平号空间站开发的X-MIR探测器成功地对和平号空间站进行了检测,并验证了编队飞行的先进视频相对导航技术。该技术的演示和实现为航天器编队飞行奠定了基础。

1998年起,美国空军研究实验室曾经开展过一个宏伟计划,称为Techsat-21。其目的是利用低成本小卫星构成三维编队飞行星座。卫星的主要试验任务包括:编队飞行、星座管理、精确测时与授时以及分布式疏散孔径雷达信号处理等。

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目前,国内外的卫星编队飞行系统包括重力重建与气候实验、合成孔径雷达卫星编队TanDEM-X、高分辨率多光谱相机和红卫探测载荷联合对地观测的实践9号卫星、我国首个基于干涉合成孔径雷达技术的微波测绘卫星系统。

4、卫星编队的先进性体现在哪些方面?

卫星编队具有费用低、性能好。可靠性高与适应性强的特点。

首先,卫星编队中的各颗卫星可以采用小卫星标准化批量化生产,降低研制费用;卫星小重量轻,可以采用一箭多星的方式发射,减少发射费用;各卫星功能简化,操作维护简单,降低寿命周期费用。

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其次,编队卫星提升了整体性能。卫星编队可以使得测量基线的长短不受限制,提高了测量精度,卫星编队可以完成一些单颗卫星不能胜任的任务,如立体观测等。

卫星编队中的各颗卫星功能单一、结构简单,可靠性得到提高,当编队卫星中某颗卫星失效时,可以通过快速发射新的卫星来代替,或者通过调整编队构型,使整个系统得以快速修复。

最后,卫星编队可以根据任务的改变,适应性强,方便快捷地加入新的卫星或改变编队构型。

5、要想实现卫星编队作业,这背后依托的核心技术是什么?

卫星编队飞行的实现关键在于对卫星编队构型的设计和控制。构型设计既要考虑编队构型满足科学任务需要,更是要着重解决维持构型所需的燃料消耗问题。

初始编队飞行轨道构型建立,以及后来长期运行时航天器受到轨道摄动所需要保持编队构型,都需要大量消耗推进资源,因此如何节省燃料和能源达到空间任务的要求是一个重要的研究课题。

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6、卫星编队未来发展前景如何?

目前我国商业航天迅猛发展,由于商业航天低成本、高研发速度等特点,以及技术储备等一些客观因素,相比于传统国有卫星研制企业,更适合研制微小卫星编队系统。同时随着技术的发展和观念的更新,国有卫星研制企业也在大力发展卫星编队系统。

卫星编队系统在卫星产业的比重不断增加。大量先进技术得以在实际工程中得以应用和验证,也使这些技术不断走向成熟。可以说在未来,卫星编队将在很多卫星应用领域逐渐代替高成本大卫星,成为例如对地观测等领域的主流方式。

卫星编队的打造离不开卫星低成本批产的能力,在这方面国内商业航天公司已经有积极探索。银河航天在通信载荷、核心单机、卫星平台的自主研发与低成本量产方面已经迈出关键一步。

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银河航天已构建了具备通信载荷、核心单机和太阳翼的配套研制能力,并通过打造基于民用工业体系的商业化供应链,构建卫星生产线和精益生产管控系统,创新探索“卫星设计—生产线—供应链”的量产铁三角模式,可将卫星成本大幅下降,是卫星低成本批量研制的重要实践。

本文系太空星愿航天资讯编辑王栎哲综合整理。