衛(wèi)星集群系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)

聞新

【摘要】目前，小衛(wèi)星發(fā)展非常之快，其研究備受世界各國高校的關(guān)注，甚至拓展到高中生的科技創(chuàng)新競賽中。小衛(wèi)星集群的概念在國際航天領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，其發(fā)射過程已經(jīng)從過去的搭載發(fā)射轉(zhuǎn)化為共享發(fā)射。本文調(diào)查分析了近40個小衛(wèi)星集群的應(yīng)用案例，包括地球科學(xué)探索任務(wù)、深空探測任務(wù)，以及技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)等，并根據(jù)它們的應(yīng)用類型、集群規(guī)模，以及總體技術(shù)進(jìn)行了綜述。在此基礎(chǔ)上，提出了未來小衛(wèi)星集群飛行任務(wù)所面臨的關(guān)鍵問題。最后，對未來小衛(wèi)星集群任務(wù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】小衛(wèi)星 分布式 衛(wèi)星集群 衛(wèi)星系統(tǒng)

【中圖分類號】V423.9 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2018.12.011

小衛(wèi)星具有體積小、重量輕、研制周期短、發(fā)射成本低和易于組網(wǎng)等特點(diǎn)。過去很多人認(rèn)為小衛(wèi)星只能做一些簡單的空間飛行技術(shù)實(shí)驗(yàn)，或培養(yǎng)研究生和大學(xué)生科技創(chuàng)新之用（所以，小衛(wèi)星也稱為大學(xué)衛(wèi)星）。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，小衛(wèi)星已經(jīng)成為未來空間實(shí)驗(yàn)和太空探索的一個重要工具。2017年度小衛(wèi)星國際論壇在美國硅谷舉行，來自美國、歐洲、俄羅斯、日本航天領(lǐng)域的專家和學(xué)者紛紛表示，小衛(wèi)星正在從單顆應(yīng)用，發(fā)展到編隊?wèi)?yīng)用，甚至幾百顆以上的大規(guī)模集群應(yīng)用。與此同時，單顆或幾顆小衛(wèi)星的火箭搭載發(fā)射時代也將結(jié)束，未來一定是集群式的共享發(fā)射。

本文調(diào)研和綜述了近幾年來分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用情況和發(fā)展動態(tài)，深入分析了一些關(guān)鍵知識點(diǎn)。同時本文也給出了相關(guān)項(xiàng)目的英文全稱，或者相關(guān)項(xiàng)目的英文縮寫，以便讀者查閱和跟蹤這些前沿項(xiàng)目。本文力圖打造一篇分布式衛(wèi)星集群應(yīng)用的最新綜合分析報告。

小衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)分類

衛(wèi)星的體積和成本取決于任務(wù)需求，如有些衛(wèi)星可以拿在手中或放在衣兜里，而哈勃望遠(yuǎn)鏡則像消防車一樣大。小衛(wèi)星主要是指重量小于180kg，且體積大小如同家用微波爐，甚至更小的衛(wèi)星。目前國際上最新的小衛(wèi)星分類方式如表所示。

需要指出，在大多數(shù)情況下，納型小衛(wèi)星往往被設(shè)計為一種標(biāo)準(zhǔn)的立方體衛(wèi)星，立方體衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)體積為一個基本單元，即1U，其體積為10cm×10cm×10cm。根據(jù)應(yīng)用的需要，也可以擴(kuò)展為1.5U、2U、3U、6U，甚至12U，等等。最初的立方體衛(wèi)星應(yīng)用是1999年加州理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)用于教育和太空探索的一個平臺，現(xiàn)在它已經(jīng)發(fā)展成為政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的新技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺，甚至成為先進(jìn)的空間探索任務(wù)工具，應(yīng)用范圍在逐漸擴(kuò)大。

地球科學(xué)探索任務(wù)

地球科學(xué)探索任務(wù)旨在科學(xué)理解地球系統(tǒng)及其對自然因素和人類活動影響的反應(yīng)，從而進(jìn)一步提高對氣候、天氣和自然災(zāi)害的預(yù)測能力。本節(jié)主要關(guān)注由多顆衛(wèi)星執(zhí)行的地球科學(xué)探索任務(wù)，即使用或計劃使用兩顆及兩顆以上，質(zhì)量在10kg以下的小衛(wèi)星任務(wù)。

動態(tài)電離層立方星實(shí)驗(yàn)（Dynamic Ionosphere CubeSat Experiment——DICE）。DICE項(xiàng)目是由猶他州立大學(xué)牽頭、美國國家科學(xué)基金會和美國國家航空航天局的納衛(wèi)星教育發(fā)射計劃支持的多組織合作任務(wù)。DICE項(xiàng)目于2011年10月發(fā)射了兩顆1.5U的立方星到高度為410～820km、軌道傾角102°的橢圓形近地軌道。如圖1所示，每顆衛(wèi)星攜帶的主要有效載荷包括：兩個朗繆爾探測器，用于測量電離層環(huán)境的等離子體密度；若干個電場探測器，用于測量環(huán)境的交直流電場強(qiáng)度；一個磁力計，用于測量環(huán)境的交直流磁場強(qiáng)度。

DICE項(xiàng)目將有助于精確分析地磁暴的時間特征，如地磁暴的密度突增和羽流。DICE項(xiàng)目的兩顆立方星沒有自主控制位置的功能，它成功地驗(yàn)證了空間中無控型的星座任務(wù)，其中下行鏈路通信速率為3Mb/s，使用GPS、磁強(qiáng)計和太陽傳感器使得姿態(tài)測量在±0.7°（1σ誤差），并采用轉(zhuǎn)矩線圈使得姿態(tài)控制在±5°（1σ誤差）。

相對電子爆發(fā)強(qiáng)度、范圍和動力學(xué)特性的專項(xiàng)研究。由蒙大拿州立大學(xué)和新罕布什爾大學(xué)牽頭，并由美國國家科學(xué)基金會資助的相對電子爆發(fā)強(qiáng)度、范圍和動力學(xué)特性（Focused Investigations of Relativistic Electron Burst Intensity， Range， and Dynamics——FIREBIRD）任務(wù)，旨在使用兩顆1.5U的立方星評估范·艾倫輻射帶中的磁層微爆發(fā)的空間規(guī)模和時空模糊性。2013年12月6日，兩顆FIREBIRD立方星在加利福尼亞州的范登堡空軍基地（Vandenberg Air Force Base——VAFB）搭乘阿特拉斯-5-501（Atlas-5-501）運(yùn)載火箭，進(jìn)入高度為467～883km、軌道傾角120.5°的太陽同步軌道。

2015年1月31日，另外兩顆FIREBIRD-II1.5U的立方星搭乘德爾塔2號（Delta-2）運(yùn)載火箭，從范登堡空軍基地發(fā)射到高度為685km，軌道傾角為98°的太陽同步軌道。這些立方星的特征是被動姿態(tài)磁控制，因?yàn)樗鼈儾荒茏灾骺刂莆恢茫赃@個任務(wù)也是無控型的星座任務(wù)。

Flock-1成像星座任務(wù)。由美國行星實(shí)驗(yàn)室公司研發(fā)的Flock-1星座任務(wù)由100多顆3U的立方星組成，為環(huán)境監(jiān)測、人道主義活動和商業(yè)應(yīng)用提供3～5m分辨率的地球圖像。2014年2月中旬，該公司采用NanoRacks公司的立方星分配器，將28顆Flock-1立方星在國際空間站上進(jìn)行部署，其運(yùn)行在軌道高度為400km、傾角為52°的近地軌道上。截至目前，已經(jīng)部署113顆立方星。這些立方星通過開、關(guān)太陽帆板來更替其運(yùn)行狀態(tài)，這是一個有控型星座任務(wù)。

愛迪生小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)演示任務(wù)。愛迪生小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)演示任務(wù)（Edison Demonstration of Smallsat Networks——EDSN）是由美國宇航局的艾姆斯研究中心主導(dǎo)研發(fā)、美國國家航空航天局的空間技術(shù)任務(wù)部門（Space Technology Mission Department——STMD）資助的一個創(chuàng)新項(xiàng)目。其主要目的是驗(yàn)證在距地球500km的軌道上發(fā)射部署8顆衛(wèi)星組成無控型星座的能力。這8顆1.5U的立方星每顆都攜帶了高能粒子集成空間環(huán)境監(jiān)測裝置，通過在地理上分散的區(qū)域同時測量高能帶電粒子的位置和強(qiáng)度，來分析近地軌道的輻射環(huán)境。每顆立方星都搭載了一部Nexus S智能手機(jī)，用于測試商用現(xiàn)成品的軟件和硬件。立方星利用智能手機(jī)上的陀螺儀、GPS和磁力計傳感器來確定姿態(tài)，并利用三個反作用飛輪實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。EDSN衛(wèi)星于2015年11月3日曾在夏威夷考艾島作為超級斯徹比（Super-Strypi）火箭的次級載荷發(fā)射升空，但由于火箭發(fā)生故障，發(fā)射失敗。

QB50項(xiàng)目。QB50項(xiàng)目是由比利時馮·卡門研究所牽頭，歐盟委員會的研究機(jī)構(gòu)部分資助的多組織合作任務(wù)，旨在將全球大學(xué)團(tuán)隊研制的50顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，在低溫層（90～350km）進(jìn)行多點(diǎn)、原位測量及再入研究。每顆2U立方星除攜帶衛(wèi)星常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)儀器外，還額外搭載一套用于低溫層和再入研究的標(biāo)準(zhǔn)化傳感器。大多數(shù)的QB50立方星將被發(fā)射到高度為380km、軌道傾角98°的近地圓形軌道，少數(shù)將被部署到高度為380～700km的橢圓近地軌道。該項(xiàng)目中大多數(shù)立方星無法自主地控制位置，這個任務(wù)屬于無控型星座任務(wù)。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座任務(wù)概念。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座（Global Navigation Satellite System Geospace Constellation——GGC）是由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)的空間氣象任務(wù)概念，該項(xiàng)目計劃利用立方體星組成星群和Ad-hot網(wǎng)絡(luò)，搭載小型GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)大氣電離層磁氣圈測量，如圖2所示。

火箭立方星（Rocket Cube）任務(wù)概念。由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory——JPL）和美國國家航空航天局促進(jìn)競爭性研究試驗(yàn)計劃（NASA's Experimental Program to Stimulate Competitive Research——EPSCoR）資助、達(dá)特茅斯學(xué)院正在開發(fā)研制的火箭立方星平臺（如圖3所示），旨在實(shí)現(xiàn)軌道和亞軌道科學(xué)任務(wù)的低成本多點(diǎn)測量。這些火箭立方星將由探空火箭發(fā)射升空，并且它們本身不具備主動控制位置的能力。該任務(wù)計劃發(fā)射10～12顆火箭立方星，通過實(shí)時觀測方式來觀察電離層和極光的時空變化。

卡律布狄斯（Charybdis）任務(wù)概念。由斯特拉斯克萊德大學(xué)牽頭、英國工程和物理科學(xué)研究理事會資助的卡律布狄斯星座項(xiàng)目，其目的是獲得高時空分辨率的沿海和內(nèi)陸水道多光譜圖像。這些信息對于理解河口生態(tài)系統(tǒng)和沉積物懸浮的演變、人類起源過程對水系統(tǒng)的影響，以及潮汐對海洋色彩的影響有很大幫助。該項(xiàng)目計劃采用一個由115顆納衛(wèi)星構(gòu)成的受控型星座（攜帶微推進(jìn)系統(tǒng)來保持衛(wèi)星間相對位置）實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，或采用30顆納星實(shí)現(xiàn)對英國大陸每兩小時一次的區(qū)域覆蓋。

哨兵任務(wù)概念。由英國帝國理工學(xué)院負(fù)責(zé)、英國航天局資助的哨兵任務(wù)概念，計劃發(fā)射一個由100余顆立方星組成的無控型星座來研究地球磁層。衛(wèi)星將進(jìn)行實(shí)時測量，從而了解地磁暴在地球磁層中的形成過程，尤其是在磁尾區(qū)域發(fā)生的磁暴。

大氣溫度和濕度探測任務(wù)概念。由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)的用于大氣溫度和濕度探測的6U立方星星座概念，計劃發(fā)射4～15顆低傾角軌道衛(wèi)星，對提高極端天氣事件預(yù)測精度所需的關(guān)鍵地球物理參量進(jìn)行成像。每顆6U立方星將攜帶118GHz的溫度探測器和183GHz的濕度探測器，并將在太空中形成一個可控星座。該任務(wù)提出了使用納型衛(wèi)星星座來測量地球表面的雙向反射分布函數(shù)（即表面反射的方向和光譜變化）概念，用于精密測定反照率。

傅里葉變換光譜儀立方星任務(wù)概念。這個任務(wù)概念是由美國Exelis公司地理空間系統(tǒng)部門和密歇根大學(xué)合作設(shè)計完成的，3顆編隊飛行的6U立方星將攜帶傅立葉變換光譜儀（Fourier Trarsform Spectrometer——FTS）作為有效載荷（如圖4所示），它們合作測量全球風(fēng)場，并繪制風(fēng)場的垂直剖面圖和長期天氣預(yù)報，同時立方星會保持12小時的回訪時間。

電離層斷層掃描任務(wù)概念。這個概念性任務(wù)由斯坦福大學(xué)國際研究院主導(dǎo)，計劃使用攜帶“數(shù)字電視”接收機(jī)的立方星星座來進(jìn)行電離層斷層掃描。每顆衛(wèi)星都與數(shù)字電視基站建立聯(lián)系，并測量數(shù)字電視信號的相位變化，以便了解電離層對太陽、地球磁層和高層大氣壓力的響應(yīng)關(guān)系，同時還對電離層密度的層析進(jìn)行成像測量。

空間態(tài)勢感知任務(wù)概念。這個概念性任務(wù)主要由澳大利亞阿德萊德大學(xué)負(fù)責(zé)研究（如圖5所示），任務(wù)主要是采用5顆均勻分布的立方星組成一個小型可控星座，來探測地球中軌道和地球靜止軌道帶中的空間碎片。洛克希德·馬丁公司也提出過一個類似的空間態(tài)勢感知任務(wù)，在該任務(wù)中，立方星星座被發(fā)射到地球同步軌道以上500km的高度。

阿爾忒彌斯（Artemis）任務(wù)概念。阿爾忒彌斯任務(wù)概念由非營利組織Artemis空間組織提出。該任務(wù)包括兩項(xiàng)計劃：一項(xiàng)是構(gòu)建由200顆納星組成的星座，用于觀測和監(jiān)視地球局部空間環(huán)境；另一項(xiàng)是建立由35顆小衛(wèi)星和立方星組成的月球星座，它將提供一系列服務(wù)，如支持地月間的通信聯(lián)絡(luò)、繪制月表圖像，以及未來開發(fā)月球的探測任務(wù)，等等。

深空探測任務(wù)

開展深空探測任務(wù)是為了了解宇宙和我們在宇宙中的位置、太陽系中的行星和小天體以及生命的起源，并對地球和太陽系間的相互作用進(jìn)行研究。在本節(jié)中，我們介紹使用或計劃使用兩顆及兩顆以上小衛(wèi)星的深空探測相關(guān)任務(wù)。

亮星目標(biāo)探測星座任務(wù)。由維也納大學(xué)牽頭、奧地利太空總署和加拿大航天局資助的亮星目標(biāo)探測（Bright-Star Target Explorer——BRITE）星座任務(wù)，旨在對亮星進(jìn)行毫米級（0.1%誤差）的微分光度測量。如圖6所示的兩顆納星，均使用了由多倫多大學(xué)開發(fā)的通用納米衛(wèi)星總線平臺。2013～2014年共發(fā)射了6顆納星，它們在太空中形成一個無控型星座。這些納星采用GPS接收機(jī)、三軸磁力計、6個太陽傳感器和星敏感器進(jìn)行10角秒誤差范圍內(nèi)的姿態(tài)確定，并使用3個磁鐵和3個反作用飛輪將姿態(tài)誤差控制在1角分均方差范圍內(nèi)。

可重構(gòu)空間望遠(yuǎn)鏡的自動組裝任務(wù)。由加州理工學(xué)院和薩里空間中心主導(dǎo)、凱克空間研究學(xué)院資助的可重構(gòu)空間望遠(yuǎn)鏡的自動組裝（Autonomous Assembly of a Reconfigurable Space Telescope——AAReST）任務(wù)，旨在通過2顆3U的立方星（子星）與1顆9U的納星（母星）進(jìn)行自主分離和重組，來驗(yàn)證空間望遠(yuǎn)鏡的自主裝配和組合技術(shù)。中央納星上裝有2個固定反射鏡和1個懸臂焦點(diǎn)平面組件，2顆3U的立方星均攜帶電動自適應(yīng)反射鏡。這些衛(wèi)星計劃采用GPS接收機(jī)、三軸磁力計、基于互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體陣列的太陽和地球敏感器、1個三軸磁力矩器和3個反作用飛輪，在所有軸上以0.5°/s的速率轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)誤差在±1°內(nèi)的姿態(tài)控制。

軌道低頻射電天文學(xué)天線任務(wù)概念。由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)牽頭的軌道低頻射電天文望遠(yuǎn)鏡（Orbiting Low Frequency Antennas for Radio Astronomy——OLFAR）任務(wù)，將在0.3MHz～30MHz的工作頻段部署50～1000顆相同的納星構(gòu)成大型星座，每顆衛(wèi)星將攜帶一個由3個正交偶極子組成的長達(dá)5m的天文天線，用于射電天文學(xué)研究。由于地球上空的電離層對低頻無線電波不透明，所以低于30MHz的頻帶是地面射電天文望遠(yuǎn)鏡不能探測到的頻率范圍之一。

空間超低頻射電天文臺任務(wù)概念。由中國科學(xué)院主導(dǎo)的空間超低頻射電天文臺（Space Ultra-Low Frequency Radio Observatory——SULFRO）任務(wù)計劃發(fā)射一個無控型星座，該星座由1顆微型衛(wèi)星和12顆納型衛(wèi)星組成（如圖7所示），其中微型衛(wèi)星為主星，納型衛(wèi)星為從星。星座將在拉格朗日L2點(diǎn)附近的李薩如（Lissajous）軌道或暈軌道上運(yùn)行。每顆納星載有3個偶極天線，能夠在1MHz～100MHz頻率范圍內(nèi)對“整個星空”實(shí)時觀測。

相關(guān)環(huán)境中的行星際納型航天探測器任務(wù)。相關(guān)環(huán)境中的行星際納型航天探測器（Interplanetary Nanospacecraft Pathfinder in a Relevant Environment——INSPIRE）任務(wù)，是由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）主導(dǎo)的行星際驗(yàn)證任務(wù)。在地球軌道上部署2顆納星，對通信、導(dǎo)航和有效載荷技術(shù)進(jìn)行評估。2顆3U的納星均使用星敏感器、陀螺儀和光電二極管來調(diào)整自身姿態(tài)，精度可達(dá)到±7角秒（1σ誤差），并可用4個推進(jìn)器的冷氣推進(jìn)系統(tǒng)控制姿態(tài)。該任務(wù)計劃在2017年將衛(wèi)星發(fā)射到地球逃逸軌道。

火星立方星星座任務(wù)。該任務(wù)由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)，計劃在火星周圍發(fā)射60顆立方星組成星座，研究火星上電場活動的頻率以及地理分布和強(qiáng)度。在火星軌道上，衛(wèi)星所攜帶的敏感器靈敏度比在地球上要高出好幾個數(shù)量級，即便衛(wèi)星上的儀器精度差一些，也可以正常工作。

行星際無線電掩星立方星座任務(wù)。由麻省理工學(xué)院主導(dǎo)的行星際無線電掩星立方星座（Interplanetary Radio Occultation CubeSat Constellation——IROCC）任務(wù)，計劃將6顆3U立方星作為更大的行星際飛行器的次級有效載荷，發(fā)射到另一個行星。該星座將采用無線電掩星技術(shù)來測量行星大氣層和電離層的溫度、壓力以及電子密度分布。

太陽極區(qū)成像儀任務(wù)。該任務(wù)由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室牽頭負(fù)責(zé)，美國國家航空航天局創(chuàng)新先進(jìn)概念局資助。計劃發(fā)射6顆6U立方星組成星座，用以研究太陽極區(qū)的磁場和日震學(xué)。星座將被置于高度傾斜的外黃道垂直軌道上，半長軸約為0.99個天文單位。這些立方星配備了大量科學(xué)儀器，并利用太陽帆作為動力飛抵高度傾斜軌道。

技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)

技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)旨在驗(yàn)證最先進(jìn)的技術(shù)在太空中的應(yīng)用。在本節(jié)中，主要討論使用或計劃使用兩顆及兩顆以上、質(zhì)量小于10kg的小衛(wèi)星進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證的任務(wù)。

空間繩系自主機(jī)器人衛(wèi)星任務(wù)。由日本香川大學(xué)和高松國立科技大學(xué)主導(dǎo)的空間繩系自主機(jī)器人衛(wèi)星（Space Tethered Autonomous Robotic Satellite——STARS）任務(wù)，驗(yàn)證了使用10m長的系繩實(shí)現(xiàn)子衛(wèi)星與母衛(wèi)星對接和分離技術(shù)。母衛(wèi)星質(zhì)量為4.2kg，子衛(wèi)星質(zhì)量為3.8kg。首先，母衛(wèi)星會給子衛(wèi)星一個初始速度，完成子衛(wèi)星的部署，然后再使用系繩收回它，最終實(shí)現(xiàn)對接。2009年1月23日，衛(wèi)星作為H-IIA運(yùn)載火箭的次級載荷發(fā)射升空。母衛(wèi)星使用GPS、磁力計和陀螺儀來確定自己的姿態(tài)，并使用磁力矩器進(jìn)行姿態(tài)控制。子衛(wèi)星使用相機(jī)確定其相對于母衛(wèi)星的姿態(tài)，然后利用其自身在系繩張力下的臂桿運(yùn)動來控制姿態(tài)。盡管太空存在不穩(wěn)定因素，但基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)案目標(biāo)。

AeroCube-4任務(wù)。AeroCube-4立方星由英國宇航公司研制，其中每顆1U的立方星重1.2kg。這些立方星都是采用地球和太陽敏感器、高精度三軸速率陀螺儀及慣性測量單元來控制自身姿態(tài)，其絕對姿態(tài)精度可達(dá)1°；使用GPS接收機(jī)以20m的精度估算自身位置，并通過可展開太陽翼改變橫截面積來控制自身的位置。2012年9月13日，這些衛(wèi)星作為聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（United Launch Alliance——ULA）公司Atlas-5-411號運(yùn)載火箭的次級有效載荷，在范登堡空軍基地發(fā)射升空到橢圓近地軌道，其軌道高度為480～780km，軌道傾角為65°。這些衛(wèi)星會自主改變其阻力剖面，并使用不同的機(jī)翼構(gòu)型，可以在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)編隊飛行的隊形重構(gòu)任務(wù)。

普羅米修斯計劃。美國洛杉磯洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)射了8顆重量為2kg的1.5U立方星。該任務(wù)的主要目的是驗(yàn)證超視距衛(wèi)星與便攜式的遠(yuǎn)程設(shè)備和地面站之間的通信能力，如傳輸音頻、視頻和數(shù)據(jù)文件等能力。2013年11月19日，這8顆衛(wèi)星作為Minotaur-1火箭的次級有效載荷，被發(fā)射到高度為500km、軌道傾角40.5°的圓形近地軌道上。每顆衛(wèi)星都有4個可展開的太陽電池板和1個可展開的螺旋天線，使用壽命為3～5年。此外，美國陸軍空間和導(dǎo)彈防御司令部也正在開展一項(xiàng)類似的任務(wù)。

KickSat（踢衛(wèi)星）項(xiàng)目。踢衛(wèi)星項(xiàng)目是由康奈爾大學(xué)牽頭的民間太空探索項(xiàng)目，該項(xiàng)目的任務(wù)是發(fā)射數(shù)百顆小型芯片衛(wèi)星到近地軌道空間，評估其在軌性能，同時也研究其再入性能。該項(xiàng)目的母衛(wèi)星是一顆3U立方星，內(nèi)含104顆尺寸為32mm×32mm×4mm、重量小于7.5g的芯片衛(wèi)星，它們也被稱為“小精靈”，如圖8所示。

2014年4月18日，在佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角，母衛(wèi)星搭載太空探索（SpaceX）公司“龍”飛船，發(fā)射到高度為325km、軌道傾角為51.6°的近地軌道。但控制芯片衛(wèi)星的時鐘出現(xiàn)重置現(xiàn)象，導(dǎo)致芯片衛(wèi)星無法被正常部署，并于2014年5月15日墜入地球大氣層。

VELOX-1任務(wù)。由新加坡南洋理工大學(xué)負(fù)責(zé)的VELOX-1任務(wù)包含1顆納衛(wèi)星和1顆皮衛(wèi)星，該項(xiàng)目是采用1顆3U納星在軌道上部署1顆70mm×60mm×30mm的皮星。該3U納星采用1個GPS、2個慣性測量裝置、1個雙目視覺的太陽傳感器、8個粗太陽傳感器、3個磁轉(zhuǎn)矩器和3個反作用輪，實(shí)現(xiàn)三軸姿態(tài)穩(wěn)定。

2014年6月30日，該項(xiàng)目的衛(wèi)星在印度斯里赫里戈達(dá)島的薩迪什·達(dá)萬航天中心，由PSLV-C23運(yùn)載火箭發(fā)射升空，并成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期任務(wù)目標(biāo)。

加拿大先進(jìn)納米空間實(shí)驗(yàn)任務(wù)4和5（CanX4&5）。由多倫多大學(xué)負(fù)責(zé)，加拿大航天局資助完成的加拿大先進(jìn)納米空間實(shí)驗(yàn)任務(wù)CanX4&5是一個雙納星項(xiàng)目。該任務(wù)用于驗(yàn)證具有亞米級跟蹤誤差精度和低速度變化（ΔV）要求的衛(wèi)星編隊飛行任務(wù)。每顆納星的重量均小于7kg，配備6個粗/精太陽敏感器、1個三軸磁力計、3個速率陀螺儀、3個磁力矩線圈和3個正交安裝的反作用輪，可保證姿態(tài)控制精度為1°，并利用星間通信和差分GPS實(shí)現(xiàn)10cm的相對位置確定精度。衛(wèi)星利用最大推力為5mN、總ΔV為14m/s的加拿大先進(jìn)納星推進(jìn)系統(tǒng)（CNAPS）執(zhí)行編隊操作，相對位置控制精度可達(dá)1m。2014年6月30日，CanX4&5納星由PSLV-C23運(yùn)載火箭，從印度斯里赫里戈達(dá)島成功發(fā)射到了高度為660km、軌道傾角為98.2°的太陽同步軌道。通過使用載波相位差分GPS進(jìn)行極高精度的相對導(dǎo)航。這兩個航天器可以先以100m間距，再以50m間距執(zhí)行圓投影軌道編隊飛行（從地面觀察者的角度來看，像一顆衛(wèi)星圍繞另一顆衛(wèi)星飛行），衛(wèi)星還執(zhí)行了一系列精確、可控的自主編隊任務(wù)。目前，該任務(wù)已成為先進(jìn)編隊飛行任務(wù)的榜樣。

立方星臨近操作驗(yàn)證任務(wù)。由Tyvak納衛(wèi)星系統(tǒng)公司主導(dǎo)、美國國家航空航天局資助的立方星臨近操作驗(yàn)證任務(wù)（CubeSat Proximity Operations Demonstration——CPOD），計劃使用一對帶有可展開太陽能電池板的3U立方星，驗(yàn)證衛(wèi)星在近地軌道上的交會、臨近操作、編隊飛行與對接技術(shù)，如圖9所示。

AeroCube-光通信和傳感器演示任務(wù)。由宇航公司研發(fā)并得到NASA“小衛(wèi)星技術(shù)計劃”支持的AeroCube—光通信和傳感演示（AeroCube-Optical Communication and Sensor Demonstration）任務(wù)，旨在驗(yàn)證近地軌道上的立方星與地面站終端的光通信技術(shù)，并演示如何使用商用現(xiàn)成品（Commerical Off-The-Shelf——COTS）傳感器跟蹤附近的航天器，如圖10所示。這兩顆1.5U的立方星將使用汽車防撞雷達(dá)傳感器和廉價光電鼠標(biāo)傳感器來避免碰撞，并利用可展開太陽翼和機(jī)載冷氣推進(jìn)器在200m范圍內(nèi)控制自己的位置。這兩顆立方星預(yù)計將被發(fā)射到高度為400～700km的太陽同步軌道，并可利用GPS、太陽和地球水平敏感器、磁力計、星跟蹤器、3個磁扭矩桿和3個反作用飛輪實(shí)現(xiàn)0.1°的絕對精度指向。

天網(wǎng)一號。由上海微小衛(wèi)星工程中心完成的天網(wǎng)一號項(xiàng)目，旨在驗(yàn)證兩顆立方星的自主編隊飛行任務(wù)和利用軟件無線電實(shí)現(xiàn)的衛(wèi)星間通信技術(shù)。該項(xiàng)目由1顆3U立方星（TW-1C）和兩顆2U立方星（TW-1A、TW-1B）組成。2015年9月，衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心順利發(fā)射，進(jìn)入近地軌道。

Rascal任務(wù)。由圣路易斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)、NASA立方星發(fā)射計劃支持的Rascal任務(wù)，旨在驗(yàn)證衛(wèi)星臨近操作和空間環(huán)境感知的關(guān)鍵技術(shù)，如紅外成像、六自由度推進(jìn)、無線電頻率臨近報警以及自動化操作，等等。2顆3U立方星將使用紅外和可見光攝像機(jī)確定相對位置和姿態(tài)，并利用冷氣六自由度推進(jìn)單元調(diào)整姿態(tài)和位置，以及尼龍搭扣與底板進(jìn)行對接。

空間自主納星集群飛行和地理定位任務(wù)。由以色列理工學(xué)院主導(dǎo)、并得到以色列航天工業(yè)公司支持的“空間自主納星集群飛行和地理定位任務(wù)”（Space Autonomous Mission for Swarming and Geo-Locating Nanosatellites——SAMSON），旨在演示多顆衛(wèi)星的長期自主編隊飛行。該任務(wù)將使用3顆基于立方星標(biāo)準(zhǔn)平臺研發(fā)的3U立方星。每顆衛(wèi)星上都將配備冷氣推進(jìn)系統(tǒng)、原子鐘、星間通信系統(tǒng)以及可展開太陽能電池板。這3顆衛(wèi)星將被發(fā)射到半長軸、偏心率、傾角相同的軌道，并形成一個衛(wèi)星集群，衛(wèi)星間的相對距離從最近的100m到最遠(yuǎn)的250km。其中1顆星將被指定為“領(lǐng)航者”，其他2顆星將作為“跟隨者”。“跟隨者”可根據(jù)“領(lǐng)航者”的運(yùn)動狀態(tài)，對運(yùn)行軌道進(jìn)行修正，以滿足相對距離約束。另外，地面控制中心可下達(dá)指令從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間的角色轉(zhuǎn)換。

硅片集成衛(wèi)星群任務(wù)。由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校和科學(xué)系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)，美國國防高級研究計劃局資助的硅片集成衛(wèi)星群（Swarms of Silicon Wafer Integrated Femtosatellites——SWIFT）任務(wù)，計劃在地球近地軌道部署一個由成百上千顆100g級芯片衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群，用于稀疏孔徑陣列和分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。該衛(wèi)星群可形成三維隊形并以低燃耗的方式保持隊形。如圖11所示，每顆衛(wèi)星重量為100g，將配置通信系統(tǒng)、三軸姿態(tài)和位置傳感器、星載計算機(jī)和能源單元、微型反作用飛輪，以及一個基于微型推進(jìn)器或小型化肼系統(tǒng)的推進(jìn)單元。設(shè)計研究得出結(jié)論，推進(jìn)系統(tǒng)和長距離通信電子設(shè)備的小型化將是SWIFT飛行任務(wù)成功的關(guān)鍵。

日本九州與美國實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系繩任務(wù)概念。日本九州與美國實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系繩（Kyushu/U.S. Experimental Satellite Tether——QUEST）任務(wù)是亞利桑那州立大學(xué)、圣克拉拉大學(xué)和日本九州大學(xué)之間的聯(lián)合項(xiàng)目。該任務(wù)計劃先在衛(wèi)星間展開一根2km長的系繩，然后通過協(xié)同控制保持主衛(wèi)星和從衛(wèi)星的隊形。這個概念類似于先前提出的在太空中產(chǎn)生人工重力的任務(wù)。

高速、多光譜、自適應(yīng)分辨率立方星成像星座任務(wù)概念。由斯坦福大學(xué)負(fù)責(zé)的高速、多光譜、自適應(yīng)分辨率立方星成像星座（High-Speed， Multispectral， Adaptive Resolution Stereographic CubeSat Imaging Constellation——HiMARC）任務(wù)，計劃發(fā)射4顆3U合成孔徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡組成的無控型星座，從而提供地球、太陽、月球和天文目標(biāo)的快速、多光譜、高分辨率立體圖像。

實(shí)時定位任務(wù)概念。這個由以色列理工學(xué)院主導(dǎo)的概念性項(xiàng)目，計劃使用2顆或3顆近地軌道衛(wèi)星組成編隊，通過測量信號到達(dá)的時間差，來精確地確定地面上電磁脈沖信號源的位置。任務(wù)設(shè)想用小衛(wèi)星編隊進(jìn)行空間地理定位，實(shí)現(xiàn)對火星探測器精準(zhǔn)地追蹤，在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System——GNSS）受干擾的情況下實(shí)現(xiàn)一個冗余導(dǎo)航系統(tǒng)，或?qū)崿F(xiàn)遇險信號自主定位系統(tǒng)的成本最小化。

人道主義衛(wèi)星星座任務(wù)概念。由歐空局主導(dǎo)的人道主義衛(wèi)星星座（Humanitarian Satellite Constellation——HumSat）項(xiàng)目是一項(xiàng)有教育意義的國際性倡議，如圖12所示，該項(xiàng)目旨在建立一個納星星座，為世界上基礎(chǔ)設(shè)施不完善的地區(qū)提供全球通信能力。任務(wù)計劃部署一個全球性的立方星星座，用以支持人道主義活動、急救應(yīng)用以及監(jiān)測與氣候變化相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)。目前，全世界范圍內(nèi)已有19所大學(xué)表示有興趣參與研發(fā)該任務(wù)將使用的衛(wèi)星。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校和美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室立方星編隊飛行任務(wù)概念。這個由伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校負(fù)責(zé)、美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室資助的任務(wù)，計劃發(fā)射4顆或6顆立方星到近地軌道，來演示在太空中的編隊飛行任務(wù)。4顆立方星在太空中保持四面體隊形；6顆立方星在多個J2項(xiàng)不變的相對軌道間，用實(shí)時的連續(xù)凸規(guī)劃法進(jìn)行最優(yōu)重構(gòu)策略驗(yàn)證；J2項(xiàng)不變的軌道具有最小漂移特性，衛(wèi)星可消耗最少的燃料來保持運(yùn)行軌道不變。大量的仿真結(jié)果表明，4顆立方星構(gòu)型在100多個軌道可以將精度保持在5m以內(nèi)；6顆立方星構(gòu)型則可以使用最先進(jìn)的商用現(xiàn)成品傳感器和執(zhí)行器在J2項(xiàng)不變軌道之間執(zhí)行多達(dá)20個隊形的重構(gòu)。

“放飛你的衛(wèi)星”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。“放飛你的衛(wèi)星”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是由歐洲航天局（European Space Agency——ESA）教育辦公室組織、面向歐洲大學(xué)生的太空實(shí)驗(yàn)任務(wù)，共發(fā)射了3顆由在校大學(xué)生參與研制的立方星。它們分別是來自比利時列日大學(xué)，用于測試新型通信系統(tǒng)的OUFTI-1衛(wèi)星；來自意大利都靈理工大學(xué)，通過測量地球磁場從而確定衛(wèi)星姿態(tài)的e-st@r-II衛(wèi)星；來自丹麥奧爾堡大學(xué)，利用自動識別系統(tǒng)辨識和跟蹤沿海地區(qū)過境船舶位置的AAUSAT4衛(wèi)星。這3顆體積為10cm×10cm×11cm、重量約1kg的衛(wèi)星于中歐夏令時2016年4月25日搭乘聯(lián)盟號運(yùn)載火箭，從位于法屬圭亞那的庫魯歐洲航天發(fā)射場發(fā)射升空。發(fā)射后的24小時以內(nèi)，地面控制中心分別接收到了3顆衛(wèi)星傳來的信號，確認(rèn)它們已經(jīng)按照預(yù)定計劃順利進(jìn)入軌道。通過參與這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)計劃，來自三所大學(xué)的同學(xué)們都有了參與真實(shí)太空任務(wù)的經(jīng)歷，這也是歐空局教育辦公室致力于推行這個項(xiàng)目的主要目的，他們希望通過這種方式培養(yǎng)歐洲下一代空間科學(xué)家和工程師，從而使歐洲的太空探索技術(shù)和研究水平能夠走在世界前列。

結(jié)束語

相比于傳統(tǒng)的大衛(wèi)星，小衛(wèi)星的研發(fā)成本低、設(shè)計周期短、功能密度高。成百上千顆小衛(wèi)星構(gòu)成的集群靈活性高、魯棒性高，能完成大衛(wèi)星無法完成的任務(wù)，應(yīng)用前景廣闊，而發(fā)展小衛(wèi)星集群的關(guān)鍵就是高集成模塊化技術(shù)和分布式協(xié)同控制技術(shù)，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(tǒng)衛(wèi)星。

從過去發(fā)展歷程上看，航天系統(tǒng)工程的發(fā)展將會帶動其他學(xué)科發(fā)展。20世紀(jì)60年代美國阿波羅登月所研制的新材料、新技術(shù)和新工藝已推廣到了各個領(lǐng)域，如果說美國的計算機(jī)水平一直領(lǐng)先于世界是得益于阿波羅計劃的推動，那么，類似地，今天小衛(wèi)星集群的技術(shù)發(fā)展也將推動其他科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。

從國際上對小衛(wèi)星集群的研究和應(yīng)用狀況看，未來的發(fā)展將從以下幾個方面開展研究工作：第一，在性能不變的情況下，盡可能地降低空間任務(wù)的成本，即用低成本去完成傳統(tǒng)的太空探索任務(wù)；第二，通過簡單的設(shè)計獲得高可靠性產(chǎn)品；第三，引入群智能理論成果，利用先進(jìn)的微電子、微機(jī)械、微推進(jìn)和仿生技術(shù)等，研究小衛(wèi)星集群的自主或自治的管理技術(shù)，完成更復(fù)雜的太空探索。

（南京航空航天大學(xué)飛行器控制專業(yè)碩士研究生陳辛為本文撰寫做了文獻(xiàn)翻譯和綜合分析工作，博士研究生李佩冉做了資料整理工作，對兩位研究生的貢獻(xiàn)表示感謝）

責(zé) 編∕刁 娜