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发信人: bage (欧是铁八哥), 信区: Aero
标 题: 我国分布式卫星现实可靠的公用平台(上)
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年09月11日19:21:42 星期二), 站内信件
我国分布式卫星现实可靠的公用平台(上)
朱毅麟
(中国空间技术研究院)
摘要 863高技术关于微小卫星编队飞行的研究成果与主战场CAST968小卫星公 用平台相
结合，将是"快、好、省"地发展我国分布式卫星星座的有效途径。
多颗卫星在轨道上编队飞行或分布式运行，是近年来国内外小卫星领域的重点研究课题
之一 。
1 密集分布式卫星星座的概念
所谓"编队飞行"或"分布式运行"是指一组卫星(一般为2~8颗)在各自的环地轨道上运行
的同时，互相间保持一定的相位和距离，编成一定的队形，通常形成一个圆内接多边形
， 卫星位于多边形的顶点，并围绕某一个主卫星(或虚拟主卫星--基准点)在圆形轨道上
飞行 。
编队飞行实际上是星座的一种。相对于全球分布式星座而言，它是局部的、密集型的星
座。 组成星座的卫星之间的距离较小，在几米到几十千米，但队形及卫星间距离的保持
精度要求 很高。严格说来，编队飞行的卫星应叫做"密集分布式卫星"，以区别已经实现
和应用的全 球分布式卫星。
实现编队飞行的基本原理是：星座中各卫星都在相差不大的环地轨道上运行。它们的轨
道周 期，即轨道的半长轴必须相等，通过使它们的倾角、偏心率、升交点赤经和过近地
点时刻等 其他轨道根数与某一主卫星保持微小差别，从而形成以主卫星为中心的编队飞
行轨道(相对 于主卫星的轨道)。
例如，由4颗卫星组成的密集分布式星座，以1颗主卫星为中心，3颗子卫星构成等边三角
形 ，在圆形轨道上绕主星飞行。4颗卫星也可组成一个以虚拟主卫星为中心的正四边形
，顶点 上的4颗卫星绕中心沿圆形轨道飞行。
密集分布式卫星在任何时刻都保持固定的队形，好像一颗超巨型的卫星。它们可以在同
一时 刻对同一目标进行立体观测，也可以在同一时刻对不同目标进行比对观测。增大卫
星之间的 连线--基线的长度，可对目标进行高精度的三维测量定位，或以星座作为空间
基准，为用 户进行导航定位。因此，密集分布式卫星有着巨大的潜在应用前景。
2 密集分布式卫星星座的应用
2.1 分布式SAR成像卫星星座
分布式SAR成像卫星星座工作时，相当于一个有效合成孔径放大几十倍的SAR卫星，可以
大大 提高目标成像的分辨率。若使星座中的卫星按一定时间顺序进行观测，可以大幅度
增加成像 宽度；若增大星间距离，实现干涉成像，可获取地面目标的三维定位信息(位
置、高度和速 度)。
国内某高校研究人员设想的密集分式SAR成像卫星星座的主要技术指标如下：
卫星数 8
主星轨道 500 km的圆轨道
编队飞行轨道 直径200 m的圆轨道
卫星工作频率 X波段
SAR天线尺寸 2.4 m
SAR发射机功率200 W(平均)，2500 W(峰值)
SAR重量100 kg
对卫星平台的要求
指向测量精度0.01°
指向控制精度0.05°
指向稳定性(1~5)×10-4(°)/s
2.2 分布式电子观察卫星星座
国家信息产业部某研究所提出的密集分布式电子观察卫星星座的主要技术指标为：
卫星数 4或6
主星轨道高度1000 km、倾角63.4°的圆轨道
编队飞行轨道直径50 km的圆轨道，与当地水平面成30°的夹角。
① 四星方案
1主3子。三颗子星构成正三角形。主星位于三角形中心，子星围绕主星在圆轨道上飞行
。 若中心不放卫星(虚拟主星)，则4颗卫星在圆轨道上均布成正四边形队形。
当队形(星间距离)测量精度为3 m，时间测量精度为15 ns，频率测量精度为1 Hz时，该
电子 观察卫星星座可提供以下目标定位精度(CEP)：
·全球范围 优于1 km
·区域内(110°~145°E，7°S~50°N)优于50 m
② 六星方案
1主5子，或6颗星均布在圆形编队飞行轨道上。在与四星方案相同的队形、时间和频率测
量 精度下，提供的目标定位精度(CEP)为：
·全球范围 优于100 m
·区域内(110°~145°E，7°S~50°N)优于10 m
每颗卫星的重量约为200 kg，对卫星平台的姿态控制精度要求不高，采用重力梯度稳定
即可 。
2.3 分布式光学观测卫星星座
中国科学院某技术实验室设想在地球静止轨道上建立密集分布式光学观测卫星星座，由
6颗 望远镜小卫星和1颗光束组合器主卫星组成。星座主要技术指标为：
卫星数 7(1主6子)
主星轨道地球静止轨道
主星运行周期及自转周期23小时56分04秒
编队飞行轨道直径100~1000 m的圆轨道，
周期同地球静止轨道。
星座队形圆内接非正六边形
由于6颗子卫星编队飞行轨道的周期与主卫星的自转周期及星座的环地运行周期均相等，
所 以卫星星座相对于地面保持静止，且队形不变，故6颗子星观测到的地面目标区域是
不变的 。
6颗卫星间的连线构成15条不同方向，不同长度的基线。据分析，当基线长度为50 m时，
6个 口径为30~40 cm的望远镜子卫星观测到的目标分辨率相当 于一台口径为50 m的超巨
型空间 望远镜。
设想中的卫星主要性能指标为：
有效载荷重量
主星 250~350 kg
子星~200 kg
有效载荷功耗200~300 W
卫星指向精度优于1'
卫星间距测量精度优于1 cm
2.4 分布式间断导航卫星星座
中国航天科技集团某研究所专家建议，利用密集分布式卫星星座，采用GPS的同步测距定
位 技术，可对全球实现间断式的导航定位。
该星座的主要技术指标为：
卫星数 4或5(1主4子)
主星(或虚拟主星)轨道高度500 km或1000 km的圆轨道
编队飞行轨道半径为100 km的圆轨道
星座队形4颗子星在圆形编队飞行轨道上均匀分布
每颗卫星的重量大约为100~200 kg。
根据初步分析，该间断式导航卫星星座具有以下定位能力：
运行轨道高度(km)5001000
GDOP(定位精度几何因子，m)510
导航定位精度(m)1030
2.5 空间干涉仪天体探测器星座
以美国"新盛世"计划的深空3号(DS-3)为例，该分布式星座由3个探测器组成，编成正 三
角形队形在轨道上飞行，用以进行空间干涉仪测量实验，验证探测器对观测目标的指向
控 制、基线长度控制和队形保持等新技术，同时对50~100个空间目标进行相干振幅测量
。探测 器的间距(干涉测量仪基线)长度为100~1000 m。对星座的主要技术要求为：
基线长度控制精度 1 cm
探测器姿态控制精度1'
探测器重量150~250 kg
密集分布式卫星星座还可用于三维立体成像气象观测、天文观测和空间物理观测等方面
。 3 密集分布式卫星星座的关键技术
密集分布式卫星星座的关键技术主要有三个方面：
3.1 卫星星座编队飞行的形成与保持技术
① 密集分布式卫星的发射、编队，队形测量、控制与保持
② 多维基线与虚拟基线的高精度测量与控制
③ 卫星间精密时统与通信
3.2 高精度目标测量与定位技术
① 反向三维定位精确测量
② 相位误差补偿
③ 天线排列优化
④ 目标运动特性分析
⑤ 最优定位算法
3.3 先进的微小型有效载荷技术
① 星载SAR的微小型化
② SAR实时成像处理、综合与集成
③ 星载适应分布式定位原理和体制的电子观测设备
④ 星载高频电子组合高密度集成
⑤ 数据压缩与数据传输
⑥ 高精度光学望远镜的设计、加工与检测
⑦ 光学综合孔径图像重构与图像传输
卫星编队飞行或密集式分布技术从本质上说，属于航天动力学和轨道设计的范畴。十几
年前 就有人从理论上进行过研究，当时称为"伴随轨道"。近年来，由于小卫星的兴起，
促进了 对这个问题的深化研究。
密集分布式星座能否实现，主要取决于卫星编队飞行的形成与保持和高精度目标测量与
定位两项关键技术，而与卫星的大小或轻重无直接关系。密集分布的工作方式，小卫星
可以利用，大卫星也可以利用。当前之所以格外重视，是因为存在这样的条 件，即微
小卫星的发展和应用有可能使多颗小卫星组成的星座的全寿命成本低于同样功 能的单颗
大卫星的全寿命成本。
卫星能否实现微小型化，首先要看星载有效载荷，如SAR、光学望远镜等航天遥感器，电
子 观测设备等能否微小型化。卫星平台星为有效载荷服务的，其大小、重量、功能等取
决于有 效载荷的尺寸、重量、功耗及其对姿态控制和轨道保持精度等的要求。一般来说
，比较先进 的卫星平台可以做到其重量大约与有效载荷的重量相当，即占卫星重量的一
半左右。 从上述国内有关研究人员设想的密集分布式卫星星座应用实例看，有效载荷
的重量大都在10 0~200 kg，功耗100~200 W。这也许还是比较乐观的估计，实际上可能
还会增加。此外为了 高精度保持编队队形，尽管可以利用自然力来消除部分干扰，但卫
星必须携带足够数量的推 进剂。
4 CAST 968小卫星公用平台
从我国的国情与国力出发，我国在微电子、机械、结构、材料等领域，微型化水平还较
低。 我国星载有效载荷的电子、机械、机电及光机等仪器设备在研制上要达到MCM、ME
MS和MFS的 水平，还需要作出艰苦的努力，经历漫长的道路。但我国在理论分析和软件
研究方面具有较 强的人才优势，估计在卫星编队飞行的形成与保持和高精度目标测量定
位技术的方法研究及 其软件开发方面有可能在短期内取得成果。
由此看来，为了能尽快地开展密集分布式卫星星座的实验和应用，我们还得先发展小卫
星(5 00~1000 kg)或超小卫星(100~500 kg)，也就是需要一种能承载百千克级有效载荷
，提供百 瓦级功率和数十千克推进剂的卫星平台。
具有这种功能的卫星平台我国已经研制出来，并于1999年在实践-5科学技术试验卫星 上
经过空间飞行的验证。目前正用于海洋-1、"亚太多边合作"前哨-1等小卫星 的研制，这
就是中国空间技术研究院的CAST 968小卫星公用平台。平台的主要性能指标如下 ：
可支承有效载荷重量 100~200 kg
平台自重100~200 kg
适应轨道低、中、高地球轨道
太阳电池阵输出400~1000 W
姿态稳定方式对地、对日、对其它天体三轴稳定
对地、对日、对其它天体自旋稳定
姿态指向精度0.5°~0.01°
姿态指向稳定度0.01(°)/s~0.001(°)/s
具有轨道控制能力
测控 USB测控体制
遥测码速率 4~16 kbit/s
遥控码速率 2~4 kbit/s
采用国际通用的星箭接口
特别需要指出的是随着用户的增多，对CAST 968平台的需求量日益增大，该平台正在组
织小 批量生产，从而可大幅度降低成本，进一步提高可靠性。它将是我国10年之内研制
密集分布 式卫星的最佳选择。
5 结束语
我们一向提倡863高技术研究与主战场型号研制要相互衔接，有机结合，反对相互脱节，
流 于"两张皮"。863高技术要在主战场的基础上提高、创新、发展，其成果应尽快用于
主战 场，形成生产力；型号研制要充分利用863高技术的研究成果，以提高研制水平，
加快研制 进度。
利用成熟的CAST 968小卫星公用平台，进行适应性修改，研制具有一定实用价值的小卫
星 ，与863高技术卫星编队飞行和测量定位技术研究成果相结合，是快、好、省地发展
我国独 立自主的密集分布式卫星星座的有效途径，是"863"与主战场相互结合原则的体
现，并将 为下一步实现微卫星、纳卫星的密集分布式卫星星座创造条件，积累经验。
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( ) ( ) # 大肚能容,容天下难容之事 #
\ ( ) / # 开口便笑,笑世间可笑之人 #
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