趙 娜,董 崢

(中國(guó)人民解放軍61081部隊(duì),北京100094)

0 引言

近年來(lái),隨著空間戰(zhàn)略地位的日益突出,衛(wèi)星星座呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢(shì)。但作為一個(gè)龐大的空間系統(tǒng),衛(wèi)星星座的運(yùn)行管理是一個(gè)很大的難題。首先,衛(wèi)星數(shù)目多,不僅研制和發(fā)射費(fèi)用高昂,而且維持和運(yùn)行管理代價(jià)巨大。其次,系統(tǒng)的運(yùn)行管理完全依賴于地面,平時(shí)的管理難度大,在特殊時(shí)期還可能出現(xiàn)無(wú)法管理的情況。再次,隨著相同功能的地面系統(tǒng)以及單個(gè)航天器能力的日益提高,對(duì)星座的服務(wù)性能、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行能力、協(xié)同工作能力等要求也越來(lái)越高。同時(shí)由于衛(wèi)星壽命、經(jīng)費(fèi)和發(fā)射能力等因素的制約,星座的建設(shè)周期很長(zhǎng),往往會(huì)出現(xiàn)后面的衛(wèi)星還未發(fā)射入軌,前面的衛(wèi)星已經(jīng)到壽命末期的情況。

因此,平衡星座成本與性能、降低運(yùn)行維持代價(jià)、提高星座的穩(wěn)定運(yùn)行、協(xié)同工作與自主生存能力是星座運(yùn)行管理的主要目標(biāo),這就需要從星座控制維持、備份和部署、自主導(dǎo)航和星座監(jiān)測(cè)等方面尋求有效的技術(shù)途徑。

1 星座構(gòu)型維持方法

目前星座構(gòu)型維持方法主要有2種:站位維持方法和攝動(dòng)補(bǔ)償方法。

維持星座構(gòu)型通常采用站位維持的方法,即對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行主動(dòng)控制,將衛(wèi)星的絕對(duì)或相對(duì)位置維持在設(shè)計(jì)位置,當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行超出該允許漂移范圍時(shí),才對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制。為了保持星座的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和連續(xù)性,在星座設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇具有較好容錯(cuò)性和較大容許偏差量的星座構(gòu)型,使得星座具有一定的降價(jià)運(yùn)行能力,并且衛(wèi)星偏離標(biāo)稱軌道一定范圍時(shí)也不會(huì)影響星座的服務(wù)性能。星座構(gòu)型保持是星座中所有衛(wèi)星的整體控制,在控制時(shí)必須注意衛(wèi)星之間完成任務(wù)的整體性和協(xié)同性,衛(wèi)星軌道控制在控制參數(shù)、控制量和控制精度的要求上都發(fā)生了變化,因此必須從星座空間結(jié)構(gòu)、任務(wù)需求、協(xié)同控制和性能影響等方面綜合考慮。同時(shí),星座構(gòu)型保持控制時(shí)還應(yīng)根據(jù)衛(wèi)星的覆蓋特性、過(guò)頂時(shí)間、最大不可視時(shí)間以及健康狀況等信息確定具體的控制策略和控制方法。

通常認(rèn)為,編隊(duì)飛行的各衛(wèi)星之間有動(dòng)力學(xué)聯(lián)系和約束條件;而星座則以單顆衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ),星與星之間的動(dòng)力學(xué)聯(lián)系并不緊密。事實(shí)上,由于星座的特殊結(jié)構(gòu),使得衛(wèi)星之間也存在復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系,而這種耦合關(guān)系決定了星座構(gòu)型的整體變化趨勢(shì),同時(shí)也使得利用攝動(dòng)補(bǔ)償方法來(lái)提高星座的長(zhǎng)期穩(wěn)定性成為可能。攝動(dòng)補(bǔ)償方法通過(guò)對(duì)星座中衛(wèi)星軌道的合理選擇和參數(shù)調(diào)整來(lái)補(bǔ)償某些可預(yù)測(cè)攝動(dòng)引起的星座構(gòu)型變化,從而達(dá)到保持星座整體構(gòu)型的目的。當(dāng)前世界各國(guó)研究者在星座相對(duì)運(yùn)動(dòng)和受攝分析方面進(jìn)行了大量的研究,經(jīng)過(guò)研究表明,地球非球形攝動(dòng)和衛(wèi)星的初始位置偏差是導(dǎo)致星座構(gòu)型破壞的主要原因。因此,選擇具有較高穩(wěn)定性的軌道,同時(shí)利用攝動(dòng)力的補(bǔ)償設(shè)計(jì)可以提高星座構(gòu)型的穩(wěn)定性。攝動(dòng)補(bǔ)償方法是對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的星座構(gòu)型的衛(wèi)星軌道參數(shù)的一種小量偏置手段,并不改變星座的基本結(jié)構(gòu)。通過(guò)攝動(dòng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)對(duì)軌道參數(shù)進(jìn)行調(diào)整能夠減緩攝動(dòng)外力對(duì)構(gòu)型的破壞作用,使星座構(gòu)型在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在容許范圍內(nèi),同時(shí)對(duì)星座入軌后偏離容許范圍的衛(wèi)星施加控制,維持星座的整體構(gòu)型,從而降低星座構(gòu)型控制代價(jià),減少控制頻率,提高星座構(gòu)型的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)攝動(dòng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)后的軌道仍然有一些小偏差需要通過(guò)控制來(lái)修正,因此,采用站位維持控制和攝動(dòng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)2種方法相結(jié)合來(lái)維持星座構(gòu)型不但可以大大降低星座運(yùn)行管理的成本和難度,同時(shí)還可以提高星座的可靠性和穩(wěn)定性。

2 星座備份與階段部署策略

2.1 星座備份策略與設(shè)計(jì)

在星座工作期間,為了提高整個(gè)星座的可靠性和穩(wěn)定性,一般都會(huì)準(zhǔn)備一定數(shù)目的備份衛(wèi)星,在必要時(shí)替代故障衛(wèi)星。雖然,在星座設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)有一定的冗余度,即部署比滿足任務(wù)要求更多的衛(wèi)星,使得星座具備承受少數(shù)衛(wèi)星故障而不會(huì)出現(xiàn)大幅度性能下降的能力。例如導(dǎo)航星座通常要求具有在2顆衛(wèi)星失效的情況下仍然能夠提供滿足最低需求服務(wù)的能力。但為了保證星座的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,最好還是用能夠正常工作的衛(wèi)星替換故障衛(wèi)星,即采用一定的備份手段來(lái)保證服務(wù)質(zhì)量。

星座的備份通常包括在軌備份和地面?zhèn)浞?種方式,而在軌備份又包括備份衛(wèi)星停泊在工作軌道上、備份衛(wèi)星運(yùn)行在工作軌道上融入星座工作、備份衛(wèi)星停泊在高度較低的非工作軌道上等多種模式,這些備份模式通常每軌道面都至少備份1～2顆衛(wèi)星,這樣既能夠較快地響應(yīng)任務(wù)需求,及時(shí)將備份衛(wèi)星調(diào)整到指定位置代替故障衛(wèi)星工作,而又不需要消耗過(guò)多的能量。地面?zhèn)浞菀话阍谛亲谐霈F(xiàn)故障衛(wèi)星后發(fā)射備份衛(wèi)星,需要的時(shí)間較長(zhǎng),但是這種備份方式需要備份的衛(wèi)星數(shù)目少,因此也是經(jīng)常采用的方式。

考慮到衛(wèi)星的交付、發(fā)射準(zhǔn)備和調(diào)整入軌等因素,在軌備份具有對(duì)星座系統(tǒng)性能快速修復(fù)的優(yōu)勢(shì),同時(shí)將備份衛(wèi)星集成到系統(tǒng)中工作而不是停泊在軌道上的模式,即將衛(wèi)星放置在故障概率最高的衛(wèi)星附近組成衛(wèi)星組,既能增強(qiáng)星座的可用度和覆蓋性能,又可以提高星座系統(tǒng)的修復(fù)性能,使得星座具有更高的故障冗余度。

同時(shí)可靠的星座在采用備份策略的同時(shí),星座本身還必須具有接受某段故障修復(fù)時(shí)間的能力,以使備份衛(wèi)星能夠完成對(duì)失效星的替換。

2.2 星座分階段部署策略與設(shè)計(jì)

星座的部署不是一個(gè)短時(shí)期內(nèi)能完成的任務(wù),大多數(shù)星座都需要幾年甚至十幾年的時(shí)間才能夠最終部署完成。因此,星座構(gòu)型的分階段部署,必須考慮星座每個(gè)階段的系統(tǒng)性能,而不是以最終系統(tǒng)狀態(tài)作為優(yōu)化的唯一目標(biāo)。星座的初始構(gòu)型、中間構(gòu)型和最終構(gòu)型是相互牽連、相互制約的,在星座設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該予以充分考慮。應(yīng)該在考慮工程實(shí)際約束的前提下最大化星座各階段子星座的功能,使其在建設(shè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)臺(tái)階式的性能提升,使得在部署過(guò)程中,已經(jīng)發(fā)射上天的衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的部分功能,或者能夠完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能只是未達(dá)到預(yù)期的水平要求。

同時(shí)在星座組網(wǎng)過(guò)程中針對(duì)每一次發(fā)射,還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行運(yùn)載器的優(yōu)選。運(yùn)載器選擇與星座系統(tǒng)的投資、運(yùn)營(yíng)計(jì)劃直接相關(guān),很大程度上影響到星座系統(tǒng)能否成功。根據(jù)星座部署總時(shí)間,衛(wèi)星的質(zhì)量、體積、衛(wèi)星操作軌道的高度、傾角,充分考慮可選用的發(fā)射場(chǎng)和運(yùn)載器可以大大降低整個(gè)星座系統(tǒng)組網(wǎng)過(guò)程的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

3 星座自主導(dǎo)航與運(yùn)行管理技術(shù)

星座的衛(wèi)星數(shù)目越來(lái)越多,依靠地面測(cè)控站進(jìn)行衛(wèi)星的定軌與跟蹤將難以承受其高負(fù)荷的數(shù)據(jù)傳輸與處理壓力。同時(shí),衛(wèi)星星座如果過(guò)分依賴地面站的測(cè)控,在地面站受毀的情況下,其正常運(yùn)行將難以得到保證。因此發(fā)展衛(wèi)星星座系統(tǒng)的自主性成為星座運(yùn)行管理的一個(gè)重要發(fā)展方向。

目前應(yīng)用較為廣泛地星座自主導(dǎo)航方案包括天文導(dǎo)航、導(dǎo)航星導(dǎo)航以及星間相對(duì)觀測(cè)導(dǎo)航等。由于星座中的衛(wèi)星數(shù)目較多,單純采用單顆衛(wèi)星自主導(dǎo)航則會(huì)忽略星座中星間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信息。充分利用星間運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,采用星間相對(duì)測(cè)量信息進(jìn)行相對(duì)自主導(dǎo)航已逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

美國(guó)的第三代GPS衛(wèi)星BlockⅡR就是利用星間相對(duì)測(cè)量進(jìn)行自主導(dǎo)航的一個(gè)具體應(yīng)用,它具有交聯(lián)測(cè)距和在軌處理導(dǎo)航數(shù)據(jù)的能力。各顆衛(wèi)星使用星載處理器,計(jì)算導(dǎo)航參數(shù)的修正值,從而提供導(dǎo)航精度,增強(qiáng)自主生存能力。BlockⅡR采用一種TDMA式的測(cè)量通訊方法,設(shè)定36 s為一幀,其中每顆衛(wèi)星分配1.5 s,并采用雙頻信號(hào)測(cè)量,用來(lái)修正電離層延遲效應(yīng)。在每一幀的數(shù)據(jù)幀(Data Frame)中,每顆衛(wèi)星在自己分配的1.5 s時(shí)間里發(fā)射與自身狀態(tài)相關(guān)的參數(shù),在測(cè)距幀(Ranging Frame)中,所有衛(wèi)星進(jìn)行偽距測(cè)量。在數(shù)據(jù)幀中,各種參數(shù)進(jìn)行相互傳遞的同時(shí),每顆衛(wèi)星計(jì)算出偽距測(cè)量值。同時(shí)每顆衛(wèi)星還可以自身估計(jì)位置和時(shí)鐘,聯(lián)合評(píng)估協(xié)方差,并利用雙向測(cè)量的結(jié)果,將星歷和時(shí)鐘進(jìn)行解耦,最終產(chǎn)生測(cè)量的距離和鐘差,這些測(cè)量值通過(guò)估計(jì)器進(jìn)行處理獲得對(duì)預(yù)存星歷的修正值。BlockⅡR能夠在軌自主更新和精化GPS衛(wèi)星的廣播星歷和星鐘A系數(shù),無(wú)需地面監(jiān)控系統(tǒng)的干預(yù)。它能夠自主運(yùn)行180 d做導(dǎo)航定位服務(wù),且在第180 d時(shí),用戶測(cè)距精度(URE)仍可達(dá)到±7.4 m。因此即使地面監(jiān)控系統(tǒng)暫時(shí)毀壞,仍能維持高精度的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位,增強(qiáng)了GPS系統(tǒng)的抗毀能力。

Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)也曾提出過(guò)采用星間觀測(cè)的自主導(dǎo)航方案。該方案運(yùn)用星間測(cè)量和星地測(cè)量相結(jié)合進(jìn)行處理,用于日常星歷的修正,提高衛(wèi)星預(yù)報(bào)星歷和時(shí)鐘的精度,通過(guò)地面仿真實(shí)驗(yàn),用戶測(cè)距誤差可達(dá)到分米級(jí)(低軌星歷數(shù)據(jù)刷新率15 min,高軌2 h)。因此對(duì)于利用星間測(cè)量的星座的相對(duì)定位方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)星座的自主生存,還能通過(guò)提高日常星歷的精度來(lái)提高用戶的定位精度,從而提升整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。

基于星間鏈路信息的星座自主導(dǎo)航,不能修正星座整體旋轉(zhuǎn)誤差、地球自轉(zhuǎn)非均勻誤差和極移參差,致使星座難以長(zhǎng)時(shí)間自主運(yùn)行。X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)以脈沖星輻射的X射線信號(hào)作為外部信息基準(zhǔn),能夠高精度地確定衛(wèi)星軌道、時(shí)間和姿態(tài)參數(shù),不存在星座整體旋轉(zhuǎn)誤差累積問(wèn)題,為星座自主導(dǎo)航技術(shù)研究提供了一種新的思路和實(shí)現(xiàn)途徑。

4 太空“交通”實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理

隨著各國(guó)太空資源開(kāi)發(fā)利用步伐的不斷加快,多年來(lái),世界各國(guó)的航天專家已經(jīng)不止一次發(fā)出警告:在近地軌道日漸擁擠的情況下,難免會(huì)發(fā)生航天器相互碰撞、產(chǎn)生大量危險(xiǎn)太空垃圾的事件。因此,加強(qiáng)太空“交通”實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理也應(yīng)成為星座運(yùn)行管理的重要內(nèi)容之一。

為了確保星座的安全穩(wěn)定運(yùn)行,首先要加強(qiáng)對(duì)太空中各類物體的監(jiān)測(cè),使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)高軌道,用雷達(dá)探測(cè)低軌道,對(duì)各種飛行物進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)星座安全構(gòu)成威脅的飛行物進(jìn)行軌跡分析和預(yù)警,及時(shí)制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。其次當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障無(wú)法修復(fù)時(shí),應(yīng)根據(jù)衛(wèi)星狀況和任務(wù)需求等信息及時(shí)建立處置策略,使其不會(huì)影響整個(gè)星座的正常穩(wěn)定工作。此外,加厚衛(wèi)星的外殼,可以增強(qiáng)其抗撞擊的能力,同時(shí)還可以在未來(lái)的衛(wèi)星上裝備預(yù)警系統(tǒng),使之預(yù)先發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并主動(dòng)改變軌道,從而免遭碰撞。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著衛(wèi)星星座的迅猛發(fā)展,為了確保星座長(zhǎng)期高可靠、高性能穩(wěn)定運(yùn)行,完善的運(yùn)行管理策略是必不可少的。主要從星座維持控制、備份與階段部署、自主導(dǎo)航和太空“交通”實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)4個(gè)方面論述了衛(wèi)星星座運(yùn)行管理策略和技術(shù)方法。在不斷完善和提高星座運(yùn)行管理策略和技術(shù)的同時(shí),國(guó)家從整體利益出發(fā)制定政策規(guī)劃也是非常重要的,只有將衛(wèi)星星座運(yùn)行管理置于國(guó)家戰(zhàn)略的高度進(jìn)行協(xié)調(diào)部署,才能保證衛(wèi)星星座的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

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