太空探索正在進入航天器集群時代

聞新

【摘要】隨著科學技術的發展，現代小衛星的優勢越來越明顯，一方面，以美國、歐盟為首的航天大國已經將現代小衛星技術列為航天技術發展的重點領域之一；另一方面，多顆小衛星協同工作完成復雜太空探索任務已成為當今國際航天領域的一個研究熱點。航天器集群的應用與開發必將成為未來國際太空發展的戰略重點。為了全面地呈現這一技術，本文首先討論微納航天器集群概念的產生、定義和功能，介紹了集群魯棒性、容錯性和可擴展性，指出了航天器集群的優勢，然后歸納和總結了國內外航天器集群的應用模式，并比較詳細地分析了未來的國外航天器集群項目的應用模式和價值，在此基礎上指出了航天器集群的關鍵技術要點和問題。

【關鍵詞】航天器 航天器集群 群智能 太空探索 微納衛星

【中圖分類號】 V423.9 【文獻標識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2017.05.003

自20世紀80年代以來，隨著微電子、微機械技術迅猛發展，信息產業發生了翻天覆地的變化，計算機外型越來越輕巧，功能也越來越強大。依靠這些技術的進步，航天器也逐漸向小型化、低成本的方向發展。90年代以來小衛星技術出現，其優勢也越來越明顯。一方面，以美國、歐盟為首的航天大國已經將現代小衛星技術列為航天技術發展的重點領域之一；另一方面，多顆小衛星協同工作完成復雜太空探索任務已成為當今國際航天領域的一個研究熱點，航天器集群的應用與開發必將成為未來國際太空發展的戰略重點。

隨著小衛星的發展，微納航天器漸漸地成為了航天領域一個熱點問題。由于微納航天器采用了大量的高新技術，具有功能密度與技術性能高、投資運營成本低、靈活性強、研制周期短、風險小等優點，在計算機網絡技術的啟發下，由多顆微納航天器編隊飛行而構成的“空間飛行集群”的概念被廣泛接受，并迅速成為航天領域學術研究的焦點。

目前，在天文觀測、深空探測、對地勘測以及空間技術驗證任務方面，美國國家航空航天局、德國宇航中心、歐洲空間局、日本宇航事業部以及中國航天局相繼提出并逐漸實施各式各樣的航天器集群計劃。未來航天器集群飛行模式必然會成為宇宙探索和空間應用領域的主流。

航天器集群概念的產生

“航天器集群”這種新概念主要來源于對昆蟲群體的觀察。自然界存在很多集群性昆蟲和生物，比如蜜蜂、螞蟻、大雁和鳥等，即使沒有明顯的類似于人類社會的組織級別，這些生物在大群體中仍然可以共同合作，完成很多復雜的工作。未來，這種集群技術，可以用于清理海洋石油管道、深海探索、軍事偵察以及行星探測。

根據文獻分析結果可知，集群的概念已經引起國內外航天器設計和導彈設計領域的高度重視，如多彈攔截、智能卵石和小衛星編隊等。如美國2008年啟動的計劃——“分布式模塊化衛星系統”也含有集群的技術成分，盡管項目計劃困難重重，并且目前已經終止了，但世界各國的權威專家認為：“項目計劃終止不等于這種理念終止，而這種理念將永存。”

直到今天，航天器集群還沒有統一定義，但有一個共識，即航天器集群是一片被控制的衛星云，一個航天器集群是由多個航天器單體所組成，它們共同合作完成一個任務。在執行任務時，它們形成一個松散的聚集族，本著簡單的行為和原則聚集在一起，好像昆蟲群體社會。而學術界認為“任何一種受昆蟲群體或其他動物社會行為機制而激發設計出的算法或分布式解決問題的策略均屬于集群智能范疇”。由此可見，所謂航天器集群，是指數量巨大，至少100顆，甚至數千顆航天器組成的群體。

對于成百上千顆航天器組成的群體，其控制和管理就顯得尤其重要，采用常規的集中式的航天器管理模式來管理數量巨大的集群系統顯然是不現實的。所以，結合集群理論研究航天器集群系統，探索集群系統的應用，將會豐富和推動空間探索技術的發展。迄今為止，在集群理論探索方面，自組織聚集、自組織分散、連接運動、協同傳輸、模式構成和自組織建設仍然是熱點問題。

大多數的群體都存在一定的結構，內部耦合緊密的群體大多都有如層次等級結構，有些是社會分工造成，有些是以能力高低區分，這種結構使得信息在群體間傳播快速且有效，促使集體行為快速執行。不同的群體結構中，個體所發揮的作用也不一樣，個體與環境、個體與個體之間的通信效率和通信范圍也隨之不同，最終導致的群體效果也不同。集群系統應該具備一定的結構，這是建立信息通道、實現個體交互的基礎。這里的結構關系包括了結構形式、連接關系以及個體的地位分工等。所以，未來航天器集群系統級也應該具有生物自然群的三種主要功能。

魯棒性：航天器集群是在外界干擾和單體波動的情況下運行，協作是分散式的，且構成航天器集群的單體相對簡單，載荷是分布的，因此集群對環境的擾動具有魯棒性。

靈活性：航天器集群中的單體有能力協作其他單體完成任務，也有能力在不同的組里工作，且支持大量單體的自主行為。

擴展性和容錯性：航天器集群是個冗余系統，單體的缺失可以立即由另外一個單體補償，因此群中某一特定部分的故障不會使其停止工作。

縱觀各式各樣的航天器集群計劃

歐空局的CLUSTER計劃。CLUSTER于2000年8月發射，目前仍在運行。CLUSTER計劃是由歐空局提出的，由四顆相同的衛星組成，這四顆衛星運行于大橢圓地球極地軌道，軌道近地點和遠地點高度分別為19000km和119000km。在實施CLUSTER太空計劃之前，一般情況下是采用單個航天器對空間環境的局部區域進行探測，當然也有特例，極少數的情況下采用了雙星探測，因此在對地球近地空間環境進行探測時無法在三維的視角下完成。然而，CLUSTER計劃的成功實施，為地球空間探測領域開辟出了新的路徑。CLUSTER計劃在太空中采用了一個四面體的空間隊形進行編隊飛行，并可根據不同探測任務對其星間距離進行調整。這種航天器集群能夠監測太陽離子和地球磁場之間的交互作用，從而得到太陽和地球電磁交互的三維模型。

ST-5計劃。2006年3月22日，美國成功發射了三顆衛星（Space Technology 5， ST-5），旨在驗證未來科學任務試驗的新技術。單顆ST-5衛星重24.75kg，采用機載發射方式入軌。三顆衛星排成星座，近乎位于同一軌道面內，每顆衛星相距約354km，通過微推進器實現軌道與姿態的聯合控制。

ST-5計劃中的衛星雖然在尺寸和重量上都小于其他衛星，但每顆衛星均可提供全套服務，具有動力、推進、通信、制導、導航和控制功能，以及搭載地磁場測量載荷的能力。該計劃有效驗證了利用星座進行極地極光研究的優勢，小型無線電轉發器與常規天線、計算機優化天線組成新型通信鏈路的可行性，小型動力系統的可行性以及地面系統制造技術的可行性。

ST-5計劃作為NASA“新千禧計劃”的一部分，它的成功實施為美國小型化航天部件、批量制造數十至數百顆微衛星打下了堅實基礎。

MMS（Magnetospheric Multiscale Mission）項目。2015年3月，NASA通過“宇宙神”火箭成功發射了MMS項目的四顆衛星，用以實現對地球電磁場的高精度測量。該項目中衛星的結構和功能完全相同，衛星的有效載荷包括等檢測設備高能粒子探測儀、電場儀器、數據處理設備離子分析儀、姿態敏感器磁強計和防干擾設備等。四顆衛星組成一個邊長從1km到幾個地球半徑長度變化的四面體，能夠在地球磁層中，在三維視角下對磁邊界進行相關的測量，以此來分析研究磁重聯現象。空間天氣的混亂主要是由太陽風對地球磁層的影響造成，研究人員的主要任務就是結合MMS衛星編隊對當前的主流磁場理論進行相關的實驗驗證。

“天拓三號”微納衛星集群飛行計劃。2015年9月，由我國高校自主研制的微納衛星“天拓三號”搭載火箭長征六號成功發射進入預定軌道。“天拓三號”衛星集群中包含6顆衛星，采用“一主五從”的模式進行編隊飛行，其中主星的質量在20kg左右，從星中包含有1顆1kg級的手機衛星和4顆100g級的飛衛星。在整個衛星集群成功入軌之后，從星將與主星分離，以較為形象的“母雞帶小雞”的方式在太空形成微小衛星的星間組網，實現6顆衛星在空間中的集群飛行。

“天拓三號”星群系統中的主星也稱為“呂梁一號”，采用的衛星體系結構與立方星類似，即模塊化多層板式結構，該星群主要任務是星載航空目標信號監視（ADS-B）、新型星載船舶自動識別系統（AIS）的信號接收、20kg級通用化衛星平臺以及火災監測等一系列新技術驗證和科學實驗。星載ADS-B能夠在全球范圍內對航空目標進行準實時的空中流量測量，并實現對航空目標的準實時監測，為航空服務的空管系統提供高時效性的飛行數據，進而能夠使得航空飛行的效率提高一個檔次。

多規模磁性層測量任務的四星編隊。2015年7月19號，美國宇航局執行多規模磁性層測量任務的四星編隊首次排成三棱錐隊形飛行，也稱四面體編隊飛行，這是美國宇航局第四個太陽探測任務。采用這種隊形意味著科學家們可以利用這些探測器進行三維觀察。三棱錐隊形對于提供地球空間環境的三維信息是至關重要的，如果四個探測器都在一條直線或一個平面上運動，當它們飛經某個天體結構時，就不能觀測到該天體結構的完整形態。

因為四星編隊每個探測器的軌道可以單獨調整，科學家們可以調節四個探測器之間的距離，類似于望遠鏡調焦，通過調整四星編隊的隊形，它們會讓不同過程成為我們的焦點，這樣就使得他們可以從很多不同的空間方位來研究磁重聯。

颶風全球導航衛星器群。美國宇航局計劃2016年12月中旬在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射地球科學小型衛星群，其任務是勘測一些科學家感興趣的關于地球科學的未知信息，從而更準確地理解熱帶氣旋和颶風的形成和強度。

颶風全球導航衛星器群基于GPS道路導航技術，使用8個小型衛星群測量地球海洋的表面粗糙度。科學家將利用這些數據計算海洋表面風速，進而更好地分析風暴的強度。“颶風全球導航衛星群”聚焦于低成本、快速的科學勘測，是人類首次為地球颶風勘測，衛星群將完成單個探測器無法完成的任務，能夠穿透“颶風眼壁”的暴雨，獲得關于風暴強烈內核的重要數據。所謂“颶風眼壁”是雷暴云層的密集環狀結構，它環繞平靜的颶風眼，內核區域就像是風暴發動機，從溫暖表面海水抽取能量，再蒸發至地球大氣層。

“颶風全球導航衛星群”能夠持續監測全球熱帶颶風帶緯度海洋的表面風力。每顆衛星能夠每秒進行4次風力測量，對于衛星群而言，每秒能夠進行32次風力測量。

NASA擬派遣微型機器人艦隊探索木衛二。“新視野”號探測器讓全世界都知曉了它的任務，花了10年時間飛了50億公里，確實夠震撼。最近，NASA又向美國政府要錢，計劃向木星發送一個龐大的微型機器人艦隊。

目前，人類對木星探索已經進行了三輪，第一輪美國“旅行者號”飛掠了木星，第二輪伽利略探測器專門研究木星，今年“朱諾號”探測器又抵達木星，這還不算一些借力木星加速的任務。“朱諾號”探測器全副武裝，使用了最先進的防輻射技術來抵抗木星輻射。現在，NASA已經開始著手下一輪木星系統的探索，并邀請了全美10所高校參與木星微型機器人艦隊的研發，目標是木衛二。木衛二是太陽系中除了地球外，最有潛力擁有生命的星球，目前已經發現了冰下海洋，接下來就要對木衛二實地勘察。

至于NASA為什么要研發微型機器人艦隊，這主要出于對經費方面的考慮。以立方星為架構的微衛星是一個方向，每個探測器任務專一，造價較低，比如可以收集木衛二稀薄大氣的信息、攜帶高能粒子探測裝置后可研究帶電粒子的問題等。但NASA希望研制出更先進的微型探測器，而不是簡約型的立方體平臺，能夠在太陽系內廣泛部署。前期任務主要涉及對木衛二的探索，比如對木衛二大氣、冰層以及冰下海洋進行針對性調查，后期將拓展至整個太陽系。南加州大學提出并且有能力開發出標準化的微型平臺，比如適用于登陸小行星、彗星，以及較大的衛星等。NASA工程師打算研制一種飛往木星的微型機器人，稱為“windbots”，這種微型機器人外形呈多面體，穿越木星大氣層時，在木星大氣的湍流作用下，旋轉吸收能量，產生漂浮升力。它允許科學家詳細地研究氣體行星，也可以應用于地球上的颶風和龍卷風的研究。

美國的ANTS集群探測系統。美國NASA受昆蟲社會行為的啟發，計劃于2020～2030年發射一個衛星集群探索小行星帶，該計劃暫命名為ANTS（Autonomous Nanotechnology Satellite）。ANTS系統由1000顆皮星組成，其任務是利用群智能技術，探索和勘測小行星帶的小行星。ANTS系統運行在小行星帶內，這其中，空間環境十分惡劣，傳統的大衛星是不能生存的。小行星帶介于火星和木星軌道之間，在這里估計有50萬顆小行星。

ANTS系統的主要任務就是想利用價格低廉的皮衛星群完成小行星帶的勘探。為了克服任務規劃工作帶來的挑戰，NASA在系統設計時模仿昆蟲的“無智能或簡單智能的主體通過任何形式的聚集協作而表現出智能行為的特性”，ANTS系統按照不同等級進行管理，群衛星體系結構的等級劃分包括“隊”和“群”，“群”還包括“子群”等，不同衛星裝載的儀器是不同的，所以需要協同工作和共享信息才能很好地完成任務。

在這個群衛星系統里，有幾種不同類型的衛星，一類稱為“Worker”，它們載有不同的載荷和儀器，如磁強計、X射線儀、質譜儀和可見光和紅外相機等，每個“Worker”只能獲取一種特定的數據；另一類稱為“Ruler”，它們起統治作用，協調各個“Worker”工作，并確定勘測目標；還有一類稱“Messenger”，僅僅起通信作用，它們是地球、“Worker”和“Ruler”之間的信使。每個“Worker”都會主動勘測所遇到的小行星，然后把信息發送給“Ruler”，“Ruler”評估這些數據，形成一個總勘測報告。

ANTS系統的皮衛星是依靠一艘飛船運載到小行星帶附近的拉各朗日點，然后釋放。在ANTS系統中，80%的皮衛星是“Worker”，當“Worker”收集到數據時，它們首先把數據發給“Messenger”，同時這些數據也可以判斷“Worker”是否被毀壞，大約70%的“Worker”穿過小行星帶時被毀壞。這就要求它們有足夠的隊伍重構能力，同時還要有很好的自恢復能力。

ANTS系統飛越小行星時，需要完成許多工作。它們首先要確定小行星的大小、旋轉軸、小行星的衛星/月亮、軌道和盤旋點等。隨著獲取小行星數據量的增大，ANTS還會派更多的子群，參與協作搜集更詳細和更全面的小行星數據。

為了實現高度的自主性計劃，基于社會結構的推理方法必須運用先進的人工智能技術，如神經網絡、模糊邏輯和遺傳算法等。為了輔助和維持高水平的自主性，更重要的任務還要考慮自主運行的修正能力，以便適應環境變化、遠距離操控和低帶寬通訊等問題。

英國的“天基鏡群”方案。英國拉斯哥大學Massimiliano Vasile教授在分析小天體變軌的幾種流行技術方案的基礎上，提出了一種基于航天器群建立“天基鏡子”的方案。該方案的部署是通過火箭將航天器群從地球發射升空，進入預定軌道，然后航天器集群再自主地逐漸徘徊于目標小天體附近，依靠協同控制技術，進行優化部署后，將太陽光能聚集到小行星表面的某一點上。

首次提出這種方法的并不是Massimiliano Vasile教授。早在1993年，美國亞利桑那州立大學的Jay Melosh曾建議將一面非常大的鏡子安放在一顆大衛星上，以此來達到上述目的。

“天基鏡群”的工作原理是發射一個航天器集群，集群中航天器都是納型重量級的，每顆納型航天器攜帶一個小鏡子，一顆納型航天器就是一個鏡子模塊，然后通過統一的星務系統進行管理，建立一個天基群鏡系統，這樣就可以把反射太陽光聚焦于小天體表面的某一指定點，將小天體的表面加熱到至少2100°C，使得小天體汽化。汽化后的小天體內部會噴射出氣體，由牛頓定律可知，小天體將會產生一個與噴射方向相反的推力，進而改變小天體的軌道。

基于全球衛星定位系統對航天器集群進行導航，結合自主控制技術，采用數十顆小衛星組成集群，使直徑為數百米的小天體變軌是可以完全可行的。若利用10顆納型航天器群，每顆航天器均承載一個20m寬的充氣鏡子，大約可以在六個月內使一個直徑約為150m的小天體發生變軌；若增加到100顆納型航天器，只需幾天的時間就可以完成上述任務；假如要使直徑為20km的小天體變軌，則需要集合5000顆納型航天器，匯聚太陽光至該小行星表面長達3年的時間就可以使其發生變軌。盡管目前控制5000顆航天器的技術有很多困難，但隨著群智能理論及其應用技術的深入發展，對于數千顆航天器的協調控制，未來將不再是問題。所以航天器群的概念未來一定具有巨大的應用前景。

航天器集群的管理

目前，從航天器集群的管理技術來看，不同的航天器集群具有不同的技術特征，歸納起來有四類：軌道跟蹤法、領航跟隨法、虛擬結構法、蜂擁控制法。

軌道跟蹤法。單個的航天器一般都采用周期性軌道控制方法將航天器時刻保持在某特定軌道上，該方法也適用于微小型航天器集群的飛行任務，即將群系統中的成員航天器都控制在預先指定的期望軌道上。這種方法無需航天器間的信息交互，適用于群系統規模較小的情況，但對于數量較多的群系統來說，該方法不太現實。

領航跟隨法。在領航跟隨法中，引領航天器在規劃好的參考軌道上按計劃運行，利用傳統的周期性機動，使得跟隨航天器跟蹤引領航天器，保持穩定的相對運動狀態。該方法的優點在于群系統中大多數微小型航天器可以按照引領航天器的絕對軌道自然飛行，只需定期控制就能實現相對狀態的維持。在領航跟隨法中，由于引領航天器處于一種參考狀態，跟隨航天器保持整體構型就需要消耗更多的燃料，因此未來需要圍繞能源消耗問題做進一步的改進。

虛擬結構法。虛擬結構法，即根據實際需求，給整個群系統分配一組合適的期望狀態，使得系統的整體狀態誤差最小。與領航跟隨法相比，這種方法的主要優點在于群系統中所有的微小型航天器都有誤差存在，但該方法可以從宏觀角度考慮這些誤差，并引入燃料消耗加權，從而使得星間燃料消耗達到均衡狀態。該方法的關鍵技術是需要保證微小型航天器之間信息交互的暢通性，并強調整體的協同。

蜂擁控制法。群體系統蜂擁控制方法是近年來受到國內外眾多領域高度重視熱點研究問題，主要借鑒仿生領域關于群體蜂擁行為的研究成果，集中在個體之間交互形成的網絡拓撲結構已知條件下的控制問題。當微小型航天器集群系統中航天器個體數量較多時，若區域信息的交互能夠形成一定規則的形狀，則可以利用啟發式控制算法。大規模的航天器集群往往會帶來較為繁重的通信和計算負擔，而蜂擁控制法采用分布式并行處理模式，能夠很好地解決這個問題。但是蜂擁控制方法也存在著一定的缺陷，該方法沒有將碰撞規避的問題納入研究范圍，且該構形下不是燃料最優的。

結束語

相比于傳統的大衛星，微納衛星的研發成本低、設計周期短、功能密度高。成百上千顆微納衛星構成的集群靈活性高、魯棒性高，能完成大衛星無法完成的任務，應用前景廣闊，而發展微納衛星集群的關鍵就是高集成模塊化技術和分布式協同控制技術，相信在不久的將來，隨著其功能的不斷完善，將會逐漸取代傳統衛星成為空間應用的主流。

從歷史上看，航天系統工程的發展將會帶動其他學科發展。上世紀60年代美國阿波羅登月所研制的新材料、新技術和新工藝推廣到各個領域，如果說美國的計算機水平一直領先于世界，可以說是得益于阿波羅計劃的推動。所以，類似地，今天航天器集群的技術也將推動其他科學技術的發展。

從國際上對航天器集群研究和應用狀況看，未來的發展將從以下幾個方面開展研究工作：1）在性能不變的情況下，盡可能地降低空間任務的成本，即用低成本去完成傳統的太空探索任務；2）通過簡單的設計獲得高可靠性產品；3）引入群智能理論成果，利用先進的微電子、微機械、微推進和仿生技術等，研究航天器集群的自主或自治的管理技術，完成更復雜的太空探索。

責 編∕馬冰瑩