星群、星座與編隊飛行的概念辨析

林來興 張小琳

（1 北京控制工程研究所，北京 100190）（2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

《航天器工程》2012年第4期刊登了“衛(wèi)星集群概念研究”［1］一文，這篇文章值得商榷。該文將“Satellite Cluster”英文譯為衛(wèi)星集群，實際應理解為“星群”，這是國內外公認的，不宜再作新的解釋，星群（Cluster）也可以認為是衛(wèi)星集群的簡稱。

編隊飛行各顆衛(wèi)星有同構和異構之分，F6屬于異構編隊飛行，對它編隊飛行的要求放寬很多，只要達到各顆衛(wèi)星能互相聯系（信息交換連接），為此F6稱為分離模塊自由飛行航天器。歷史上曾經出現過模塊化衛(wèi)星，要求對單顆衛(wèi)星的各分系統、主要部件實現模塊化、標準化，后來又進一步提出分離模塊衛(wèi)星的概念，這些概念是很清晰的，無須提出一個衛(wèi)星集群的新概念。

文章第4節(jié)“衛(wèi)星集群社會關系層次”顯得有些牽強附會，因為衛(wèi)星是一個空間產品，根據應用需求發(fā)展為星群、星座和編隊飛行等，它們是物理上存在的狀態(tài)，與社會關系有完全不同的性質。

文章多處強調，模塊化分離衛(wèi)星并不是單顆衛(wèi)星。這是作者誤解或者不理解，既然是模塊化分離，那當然就是多顆衛(wèi)星。

到目前為止，的確有些書刊文獻存在對分布式空間系統、編隊飛行、星座等確切的概念和內容說法不一，例如有文獻說，“衛(wèi)星編隊飛行又稱分布式空間系統”；也有文獻明確說，“從軌道動力學角度，分布式衛(wèi)星系統表現為多顆衛(wèi)星的編隊飛行”；還有把編隊飛行和星座混為一談，也有認為分布式衛(wèi)星系統的各顆衛(wèi)星之間在動力學上存在直接的相互作用關系。為此，本文對屬于分布式衛(wèi)星系統的星群、星座和編隊飛行（含F6）的概念和它們之間的區(qū)別闡述自己的認識，供大家討論。

2 分布式衛(wèi)星系統的概念和內涵

星群、星座與編隊飛行都屬于分布式衛(wèi)星系統（Distributed Satellite System，DSS）［2］。它們之間的相互關系如圖1所示。

圖1 分布式空間系統內涵Fig．1 Content of distributed space system

現將分布式衛(wèi)星系統的概念和內涵簡介如下：

分布式衛(wèi)星系統的定義是：由2顆或2顆以上衛(wèi)星按一定要求分布在1種或多種軌道上，共同合作完成某項空間飛行任務（例如：觀測、通信、偵察、導航等），從而獲得更大價值的衛(wèi)星系統。在這里有必要明確一個重要概念：分布式衛(wèi)星系統各顆衛(wèi)星之間在動力學上是獨立的，根據對分布在空間各顆衛(wèi)星之間是否有外加星間閉路軌道控制系統和對分布在空間的各顆衛(wèi)星運行過程中是否進行任何軌道操作這2項原則來確定的分類如下。

（1）編隊飛行（Formation Flying）。在軌道上，分布式衛(wèi)星系統的各顆衛(wèi)星按自己的軌道特性運行，只有外加星間閉路控制系統才能保證它們按編隊飛行要求保持隊形。也就是說，分布式衛(wèi)星系統各顆衛(wèi)星必須有外加星間閉路軌道控制系統才能成為編隊飛行。

（2）星座（Constellation）。分布在軌道上的各顆衛(wèi)星主要目的是增加對地面的覆蓋面積，或者縮短重訪時間。這里不須要外加星間閉路控制系統。一般通過地面站對單顆衛(wèi)星進行軌道位置調整就能滿足星座要求，這是由于各顆衛(wèi)星受到軌道攝動使軌道位置發(fā)生變化。星座軌道保持控制是定期的，例如幾天或幾十小時進行1次控制，周期長短決定于星座軌道攝動大小和星座位置保持精度。

（3）星群（Cluster）。根據空間飛行任務要求，設計各顆衛(wèi)星在軌位置，當衛(wèi)星發(fā)射成功以后，在運行期間不須要進行軌道操作，各衛(wèi)星若受軌道攝動，所產生的位置變化也不影響飛行任務的完成。也就是說，星群不須要外加星間閉路控制系統，也不須要軌道操作，它是分布式衛(wèi)星系統最簡單的一種形式。星群大部分用于空間環(huán)境參數的觀測任務，因為衛(wèi)星有一定的工作壽命，在此期間衛(wèi)星因軌道攝動，引起其位置變化不影響任務完成；例如ESA 的4 顆“團星”（Cluster-1、2、3、4）組成星群用來觀測地磁場分布與變化。

3 編隊飛行

3．1 編隊飛行基本概念［3］

由若干個衛(wèi)星構成一個特定形狀，這個特定形狀的各個衛(wèi)星，一方面保持這個形狀，同時又繞星球中心旋轉。編隊飛行各星相互協同工作。每個衛(wèi)星都同其它衛(wèi)星保持聯系，共同承擔信號處理，通信，有效載荷工作等，其任務功能是由整個編隊飛行的各個衛(wèi)星共同來完成，整個星群構成一個大的“虛擬衛(wèi)星”。單個衛(wèi)星基本不能發(fā)揮功能作用。編隊飛行的集合體有時又稱為虛擬衛(wèi)星。

編隊飛行分為同構編隊飛行和異構編隊飛行兩種：同構編隊飛行各顆衛(wèi)星組成結構相同；異構編隊飛行的各顆衛(wèi)星組成結構不相同。F6就是典型的異構編隊飛行。

3．2 編隊飛行分類

根據編隊飛行各顆衛(wèi)星之間對外加閉路控制系統要求的不同，編隊飛行又可分為以下3種：

（1）精確編隊。須要采用空間自主精確控制與測量技術，從而嚴格保持編隊的隊形。各衛(wèi)星之間是通過控制與測量系統，實現互相耦合的。

實例：類地行星探測器-1（TPF-1），恒星成像（SI），磁層空間大氣層X 射線成像試驗（MAXIM）。

（2）知識編隊（Knowledge Formation）。編隊飛行各個衛(wèi)星之間有測量信息，但是星間不進行協調控制，也就是說編隊飛行的隊形是隨時進行測量，獲得隊形分布狀態(tài)，但不須要進行嚴格隊形保持。

實例：激光干涉儀太空天線（LISA），地球重力場恢復與氣候實驗衛(wèi)星（GRACE），三維定位系統（電子偵察衛(wèi)星）［4］。

（3）合作編隊。星間狀態(tài)測量和控制僅在某階段或一個時期進行，不須要長期進行測量和控制。

實例：在軌自主空間組合，自主交會。

3．3 編隊飛行的優(yōu)勢

衛(wèi)星編隊飛行理論研究，早在上世紀70年代就開始，但是真正具有應用背景，而且引起世人極大關注是在上世紀90年代末期。為什么會引起世人如此關注？其原因在于編隊飛行具有一系列優(yōu)勢，例如：

（1）編隊飛行可構成空間應用的一種新概念——虛擬衛(wèi)星；

（2）可提供極大測量基線，從而促進下列領域的發(fā)展，如，星載干涉儀、全球遙感、同步目標跟蹤觀測等；

（3）可由輕巧靈活的小衛(wèi)星代替龐大復雜的大衛(wèi)星；

（4）編隊飛行衛(wèi)星可以隨時加入或退出（故障），具有很高的重構性、冗余性、安全可靠性；

（5）編隊飛行一般都要協調聯合控制，星間交換信息量很大，而且測量與控制要求精度高，為此需要高度自主性，從而也降低對地面站的依賴。

具有任務背景的衛(wèi)星編隊飛行應用項目越來越多，同時也證明上述編隊飛行優(yōu)勢越來越大。為此可以預測隨著時間推移，這個優(yōu)勢還會增大。

3．4 編隊飛行目前的研究進展

編隊飛行出現在上世紀末期，由于成本低、重量輕、研制周期短的小衛(wèi)星快速發(fā)展，推動了編隊飛行研究。本世紀以來編隊飛行已成為空間技術的熱點研究課題，目前，大部分是動力學理論研究和設計方案論證，一部分為空間飛行試驗。在地球軌道編隊飛行對軍、民用都具有很大的優(yōu)勢，例如，多顆微波雷達衛(wèi)星組成精確編隊飛行，具有提高地面分辨率、可測量高程與監(jiān)測地面低速運動目標、擴大覆蓋幅寬等優(yōu)點。但是由于低軌道地球扁平引起J2擾動，為了保證微波雷達相位同步，運行一年每顆衛(wèi)星需要速度增量達上千米每秒，這樣巨大的燃料消耗，使好的編隊飛行無法在低軌道實現。為此，目前只能進行前后兩星串聯簡單編隊的空間飛行試驗。多顆衛(wèi)星在不同軌道的圓形編隊飛行就很難實現，這是今后編隊飛行攻關的重點課題。

3．5 異構編隊飛行的F6項目

F6項目全稱為“Future、Fast、Flexible、Frac-tionated、Free-Flying Spacecraft united by information exchange”［5］，中文譯為“通過信息交互連接的未來、快速、靈活、分離模塊的自由飛行航天器”，它是美國國防預先研究計劃局（DARPA）先進航天術技研究與演示驗證項目，為了創(chuàng)建未來、快速、靈活、長壽命、多功能的航天器。F6研究任務，把衛(wèi)星各分系統、有效載荷、能源、通信導航、計算機等分解為多個標準模塊，每個分離模塊仍然是一個衛(wèi)星，但是標準模塊可以成批生產，從而大幅度降低成本、縮短生產周期，在軌道上哪個模塊發(fā)生故障都可以快速更換，最終達到長壽命。

F6還要解決6項關鍵技術：自主發(fā)現、自動配置、故障自愈、自組織網絡、安全可靠和抗干擾等技術。這種分離式模塊化衛(wèi)星完全克服過去單個模塊化衛(wèi)星受到的各種制約，但是初期投資成本很高，只有推擴應用以后，才能降低成本。但是快速、靈活、安全可靠性高、生存能力強等優(yōu)勢，對軍用衛(wèi)星來說，這些是比經濟成本更重要的。

F6項目從2006年開始至今已有6年，先后完成概念設計與方案論證、關鍵技術研制，目前正在準備首次空間飛行演示驗證，預計最少也需要3～4年時間才能完成全部空間飛行演示驗證，真正分離模塊衛(wèi)星上天還要再加4～5年，然后才能評價F6任務的真正價值。為此F6項目前景存在較多未知數，絕不像文獻［1］在文章結束語所說的那樣簡單。

4 衛(wèi)星星座

為完成某一特定空間任務而協同工作的多顆衛(wèi)星的集合，主要目的是增加對地面的覆蓋面積，或者縮短重訪時間。星座這個名詞來自天文學，按其定義，是群星在天球上的分布形態(tài)，最早來源自一個拉丁字，意即“星星聚集”。隨著空間技術的發(fā)展，人們把這一天文學名詞加以引伸，根據各種應用的需要，建立各種衛(wèi)星星座。

4．1 星座分類

（1）按應用分類：分為導航星座，通信或數據中繼星座，遙感星座（偵察、預警、環(huán)境監(jiān)測等），科學試驗星座等。

（2）按覆蓋要求分類：可用覆蓋面積、覆蓋重數、時間分辨率這三個指標來劃分。按覆蓋面積分為全球、地帶（緯度限制、經度不限）、區(qū)域（緯度和經度均受限制）；按覆蓋重數可取值為一重、二重、三重和四重等。按時間分辨率可分為連續(xù)、間斷（10分鐘、半小時、幾小時等）。

（3）按軌道分類：分為近地軌道、中軌道、地球同步軌道、橢圓軌道、混合軌道等。

4．2 星座軌道設計

星座軌道設計首先取決于應用，不同星座的應用，具有不同星座軌道結構。各種星座軌道設計很復雜，人們仍然能夠把星座軌道設計有關參數和影響因素歸納在表1中。

在軌道設計中有一種最常見的衛(wèi)星星座，稱為均勻對稱圓軌道星座，包括δ星座、玫瑰星座、σ星座等。其共同特點是衛(wèi)星星座中各軌道面在空間均勻分布，衛(wèi)星在各軌道面內也均勻分布，不同軌道面間衛(wèi)星的相位（指從衛(wèi)星的升交點沿衛(wèi)星運行方向至衛(wèi)星星下點之間的球面角距）保持一定的相對關系。均勻對稱圓軌道星座對全球有均勻的覆蓋特性，在全球一重或多重連接覆蓋類航天任務中常常采用這種星座。δ星座的概念最早由英國皇家飛行研究中心的J．G．沃克（Walker）提出，因而也稱為沃克星座。δ星座用參考碼中T／P／F和一個角度δ標記。參考碼中T表示衛(wèi)星星座中包括的衛(wèi)星總數，P為衛(wèi)星星座中的軌道面數目，F是用以確定相鄰軌道面衛(wèi)星相對相位的因子（F＝0，1，2，3，…，P-1），角度δ是衛(wèi)星星座中所有軌道面相對參考平面（通常為赤道平面）的夾角。對于參考碼為T／P／F的δ星座，每個軌道面內均勻分布S顆衛(wèi)星，S＝T／P，相鄰軌道面衛(wèi)星的相位相差為F個星座基本單位。星座基本單位簡記為PU，定義為PU＝360°／T。參考碼為18／3／1，δ＝55°的δ星座，即各顆衛(wèi)星軌道傾角均為55°。玫瑰星座是軌道面數目P＝T的一種特殊的δ星座，因其軌道在天球上的投影像一朵盛開的玫瑰花而得名。

表1 星座設計中幾何結構因素［6］Table 1 Geometrical factors of satellite constellation design

4．3 星座的應用與發(fā)展

衛(wèi)星星座的發(fā)展始于20世紀60年代。當時，人們認識到利用3顆在地球靜止軌道上空均勻分布的地球靜止衛(wèi)星，可以實現除兩極外的全球通信。之后，隨著空間技術進步和應用方面需求，使得衛(wèi)星星座的應用數量日益增加，它主要應用于3個方面。

（1）通信。如用于電視轉播的地球靜止軌道衛(wèi)星星座，用于移動通信的地球低軌道的“銥”（Iridium）系統、“全球星”（Globalstar）系統，“軌道通信”（Orbcomm）系統等。一些國家軍用通信衛(wèi)星也往往采用星座的形式，如美國軍用通信衛(wèi)星中的“國防衛(wèi)星通信系統”衛(wèi)星（DSCS）、“艦隊通信衛(wèi)星”（Flt-SatCom）系統，蘇聯／俄羅斯軍用通信衛(wèi)星中的“閃電”（Molniya）衛(wèi)星系統等。

（2）導航。如美國軍用導航衛(wèi)星系統中的“子午儀”（Transit）導航衛(wèi)星系統（已關閉），“導航星”（Navstar）全球定位系統（GPS），蘇聯／俄羅斯的全球導航衛(wèi)星系統（GLONASS），歐洲“伽利略”（Galileo）導航星座和中國“北斗”（Compass）二代導航星座等。

（3）地球觀測。用于軍事目的的偵察衛(wèi)星、海洋監(jiān)視衛(wèi)星、電子偵察衛(wèi)星、預警衛(wèi)星等。

隨著空間技術的發(fā)展，特別是現代小衛(wèi)星的出現，使得衛(wèi)星星座應用在經濟上和技術上具有很大優(yōu)勢。小衛(wèi)星對地觀測星座，特別是在低軌道的軍事偵察、目標指引和監(jiān)視小衛(wèi)星星座，具有高的空間分辨率和時間分辨率，甚至可以達到時間分辨率趨近零的連續(xù)偵察，而且投資成本是可以接受的。例如，通過納型衛(wèi)星組成的星座。這里僅討論6U 立方體納型衛(wèi)星星座（其他納型衛(wèi)星組成星座的工作原理相同）［7］。

目前較普遍采用Walker星座，具體要求：星座每顆納型衛(wèi)星的軌道高度和傾角完全相同，軌道為圓軌道（e＝0）。例如：對軌道高度為450km 的這種星座，重訪時間為60min，需要35顆衛(wèi)星；45min，需要50顆衛(wèi)星；30min，需要65顆衛(wèi)星；15min，需要100顆衛(wèi)星；5 min，需要300顆衛(wèi)星。如圖2所示（軌道傾角i＝55°）。

圖2 Walker星座重訪時間與衛(wèi)星數量的關系Fig．2 Relation between the revisit time and satellite number for Walker constellation

該星座由多顆6U 納型衛(wèi)星（結構見圖3所示）組成，每顆衛(wèi)星由2×3個立方體（6U）組成，衛(wèi)星技術指標如下。

（1）衛(wèi)星尺寸：20cm×20cm×30cm；

（2）質量：8kg；

（3）光學孔徑：9cm；

（4）光學焦距：1．2m；

（5）空間分辨率：3．5 m（在450km 高的圓軌道）；

（6）姿態(tài)指向精度：0．01°；

（7）下行數據傳輸率：≥0．5 Mbit／s；

（8）壽命：3年。

圖3 6U 納型衛(wèi)星結構外形Fig．3 Appearance of the 6U Nano-satellite

每顆6U 納型衛(wèi)星成本為100萬～150萬美元。由50顆納型衛(wèi)星組成的對地觀測衛(wèi)星星座可以實現全球覆蓋，重訪時間約45min，空間分辨率為3．5m（屬于高分辨率范圍）。50顆納型衛(wèi)星成本為5 000萬～7 500萬美元，這還不到1顆大衛(wèi)星的成本。若重訪時間提升到15 min，估計需要100顆納型衛(wèi)星，其成本也僅需要1億～1．5億美元，相當于目前1顆大衛(wèi)星的成本。投資這樣少的資金就能完成一個全球覆蓋、實時態(tài)勢感知和敏感目標監(jiān)測的任務，這將對軍事應用起到重大作用。

5 編隊飛行和星座的區(qū)別

早期編隊飛行與星座兩者概念的區(qū)別并不十分清楚，甚至同一個問題在不同場合有兩種稱呼。目前書刊文獻中仍然存在有這一現象。由于最近編隊飛行技術迅速發(fā)展，它與星座概念已經有明顯區(qū)別：

（1）編隊飛行在應用上構成一個新概念——虛擬衛(wèi)星，而星座僅增加地面覆蓋區(qū)域，或縮短重訪時間。編隊飛行與星座的衛(wèi)星有效載荷有很大區(qū)別：通常的衛(wèi)星星座是以一定數量的完全相同的衛(wèi)星平臺和有效載荷組合起來的，解決空間和時間覆蓋問題，其使命比較簡單。編隊飛行的有效載荷是由各星共同組成的，單顆衛(wèi)星無法發(fā)揮作用，而星座中單顆衛(wèi)星仍可發(fā)揮作用，只不過是使地面覆蓋區(qū)域減少。

（2）編隊飛行各星之間的相對隊形保持是依賴外界控制系統，并成閉合回路；而星座則以單顆衛(wèi)星軌道運動，星與星之間沒有直接的動力學關系，星座位置保持是通過單星軌道控制保持對地覆蓋特性。

（3）編隊飛行星間距離短，各星之間是緊密型的，星間有通信和信息交換，各星是協同工作的，而星座各星之間是稀疏型的，可以不存在任何信息交換和服務。

（4）從控制觀點來看，編隊飛行一般要求實現自主、實時，多個衛(wèi)星協調閉環(huán)控制，而星座控制一般達不到這種自主級別的實時協調控制能力，而只要求星座中各衛(wèi)星的位置保持在規(guī)定精度的控制區(qū)內，不致發(fā)生相撞，或者在某種意義上不改變對地球的總體覆蓋特性。

6 結束語

本文對星群、星座與編隊飛行（含F6）的概念和它們之間相互的區(qū)別作了明確論述，可對糾正當前有些書刊文獻中存在的有關星群、編隊飛行、星座等模糊不清的概念有所幫助。

（References）

［1］董云峰，王興龍．衛(wèi)星集群概念研究［J］．航天器工程，2012，21（4）：83-88

DongYunfeng，Wang Xinglong．Research on conception of satellite cluster［J］．Spacecraft Engineering，2012，21（4）：83-88（in Chinese）

［2］Leitner J A．Spacecraft formation flying-an overview of missions and technology challenges，AAS 07-031［R］．Washington：AAS，2007

［3］林來興．分布式空間系統和航天器編隊飛行辨析［J］．航天器工程，2008，17（4）：24-29

Lin Laixing．Study on distributed space systems and spacecraft formation flying［J］．Spacecraft Engineering．2008，17（4）：24-29（in Chinese）

［4］林來興．分布式小衛(wèi)星系統的技術發(fā)展與應用前景［J］．航天器工程，2010，20（1）：60-66

Lin Laixing．Technological development and application prospects of distributed small satellite system ［J］．Spacecraft Engineering，2010，20（1）：60-66（in Chinese）

［5］DARPA．Appendix1F6 Developer’s［R］．Arlington：DARPA，2010

［6］林來興，車汝才．衛(wèi)星編隊飛行精確動力學模型與三維定位系統［J］．宇航學報，2008，29（3）：831-837

Lin Laixing，Che Rucai．Accurate dynamics models of satellite formation flying and 3-dimension positioning system［J］．Journal of Astronautics 2008，29（3）：831-837（in Chinese）

［7］Andrews J．Constellation of distributed NanoSats for real time earth observation，IAA 2011B8-1002［C］／／8th IAA Symposium on Small Satellites for Earth Observation．Berlin：IAA，2011：4-8