蒙波 黃劍斌 李志 王愛明

(1 錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室, 北京 100094)

(2 北京空間飛行器總體設(shè)計部, 北京 100094)

MiTEx衛(wèi)星飛行任務(wù)可按階段作如下總結(jié)：

美國高軌抵近操作衛(wèi)星MiTEx飛行任務(wù)及啟示

蒙波1黃劍斌1李志1王愛明2

(1 錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室, 北京 100094)

(2 北京空間飛行器總體設(shè)計部, 北京 100094)

簡述了美國“微衛(wèi)星技術(shù)試驗”(Micro-satellite Technology Experiment, MiTEx)計劃進展情況，根據(jù)目前可獲得的最新的MiTEx衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，對其整個飛行過程進行了深入研究，劃分了MiTEx-A衛(wèi)星與MiTEx-B衛(wèi)星飛行階段，描述了各階段飛行軌跡，給出了飛行任務(wù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對其飛行任務(wù)進行了總結(jié)。在飛行任務(wù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外對MiTEx衛(wèi)星的相關(guān)報道，分析了MiTEx衛(wèi)星可能具備的抵近操作任務(wù)執(zhí)行能力，提出了對高軌非合作目標抵近操作應(yīng)用的啟示，總結(jié)分析了執(zhí)行高軌抵近操作任務(wù)所需的關(guān)鍵技術(shù)。

MiTEx計劃；地球靜止軌道；抵近操作；抓捕服務(wù)

1 引言

地球同步軌道衛(wèi)星根據(jù)任務(wù)要求一般定點運行在赤道上空地球靜止軌道(GEO)的某一位置，可滿足對地球特定區(qū)域的穩(wěn)定覆蓋要求，通常也把GEO稱為高軌。高軌由于其軌道的特殊性，通常運行著天基信息網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點衛(wèi)星，對高軌衛(wèi)星抵近操作，通過近距離偵察偵聽，獲取其軌道編目、幾何外形、信號特征、光學(xué)特征、雷達特征等，對于掌握高軌空間態(tài)勢具有重要意義。

目前在軌運行的可獲取高軌空間態(tài)勢的唯一衛(wèi)星為美國的“微衛(wèi)星技術(shù)試驗”(Micro-satellite Technology Experiment, MiTEx)衛(wèi)星。MiTEx是美國國防先進研究計劃局(DARPA)、美國空軍和美國海軍聯(lián)合實施對高軌目標抵近操作的微衛(wèi)星計劃。MiTEx空間飛行器包括三部分：美國海軍研究實驗室(NRL)研制的上面級，軌道科學(xué)公司(Orbital Sciences)研制的MiTEx-A衛(wèi)星和洛馬公司(Lockheed Martin)研制的MiTEx-B衛(wèi)星[1]。

兩顆MiTEx衛(wèi)星于2006年入軌，目前MiTEx-A衛(wèi)星飛行于比GEO低的準地球同步軌道，而MiTEx-B衛(wèi)星則飛行于比GEO高的準地球同步軌道。MiTEx-A、MiTEx-B衛(wèi)星質(zhì)量均為225 kg[1-3]。由于衛(wèi)星質(zhì)量輕、體積小，只有美國空間監(jiān)視網(wǎng)能夠?qū)ζ溥M行有效探測，其他國家現(xiàn)有的地基光學(xué)或雷達設(shè)備則無法探測，因此難以跟蹤MiTEx飛行軌跡，不能判明其飛行任務(wù)。

作為美國目前唯一在高軌執(zhí)行了抵近操作任務(wù)的衛(wèi)星，可為其他國家發(fā)展類似功能的空間技術(shù)提供重要參考。本文根據(jù)目前可獲得的少量MiTEx軌道數(shù)據(jù)(來源于www.calsky.com網(wǎng)站)[4]，描繪了MiTEx-A與MiTEx-B衛(wèi)星的飛行軌跡，進而對其飛行任務(wù)與抵近操作能力進行分析，并總結(jié)了MiTEx任務(wù)對高軌非合作目標抵近操作應(yīng)用的啟示，在此基礎(chǔ)上分析了執(zhí)行高軌抵近操作任務(wù)所需的關(guān)鍵技術(shù)。

2 任務(wù)概述

2006年6月21日，德爾它-II(DeltaII)運載火箭將MiTEx空間飛行器送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)，隨后上面級將2顆MiTEx衛(wèi)星送入比GEO軌道稍低的準地球同步軌道。MiTEx空間飛行器如圖1所示。

MiTEx-A與MiTEx-B衛(wèi)星入軌后進行了軌道機動和相互觀測試驗，并抵近國防支援計劃-23(Defense Support Program 23，DSP-23)衛(wèi)星進行觀測[5-6]。美國官方將MiTEx衛(wèi)星描述成美國國防先進研究計劃局、美國空軍、美國海軍執(zhí)行技術(shù)驗證任務(wù)的衛(wèi)星，可以對輕質(zhì)量能源與動力系統(tǒng)、自主管理、自主導(dǎo)航、自主軌道機動等技術(shù)進行驗證[2-3]。然而事實上，MiTEx衛(wèi)星更是可執(zhí)行對他國高軌空間目標觀測任務(wù)的軍事衛(wèi)星，可對GEO帶內(nèi)衛(wèi)星進行近距離觀測，并可能通過軌道交會逼近GEO帶內(nèi)衛(wèi)星至足夠近的距離，為高軌空間對抗創(chuàng)造條件[5]，到目前為止，MiTEx-A衛(wèi)星一直保持在比GEO低約50 km的軌道上正常飛行，按照其觀測能力分析，可能已經(jīng)完成了對全GEO帶內(nèi)衛(wèi)星的成像觀測與信號偵聽。

圖1 MiTEx空間飛行器

3 MiTEx-A衛(wèi)星飛行任務(wù)分析

MiTEx-A衛(wèi)星飛行過程主要有以下6個階段。

3.1GEO-1012km軌道飛行

MiTEx-A衛(wèi)星從發(fā)射入軌到2009年1月，持續(xù)在高度GEO-1012km(指高度比GEO低1012 km，后文比GEO低的高度均用GEO-XXkm表示，比GEO高的高度均用GEO+XXkm表示)的準地球同步軌道上飛行，MiTEx-A在這段時間僅執(zhí)行常規(guī)飛行任務(wù)，與MiTEx-B保持100～200 km的相對距離，互相觀測，衛(wèi)星星下點經(jīng)度每天向東漂移約13.4°，每27 d時間即可完成對一整圈GEO帶內(nèi)衛(wèi)星的自西向東相對飛行，如圖2所示。

圖2 GEO-1012km軌道飛行示意圖

3.2抵近觀測DSP-23衛(wèi)星

2008年11月初，DSP-23衛(wèi)星失效。2009年1月，為了對DSP-23抵近觀測，MiTEx-A衛(wèi)星進行軌道機動，抬升軌道高度860 km，并調(diào)整軌道傾角至2.4°，到達高度為GEO-152km的準地球同步軌道，2009年1月13日，在20°E上空附近，抵近觀測了DSP-23，最近觀測距離約為170 km。此前的2008年12月，MiTEx-B衛(wèi)星也通過軌道機動，對DSP-23進行了抵近觀測。MiTEx-A抵近觀測DSP-23的飛行仿真軌跡如圖3所示。

圖3 MiTEx-A抵近觀測DSP-23衛(wèi)星的軌跡示意圖

3.3GEO-152km～GEO-40km軌道飛行

執(zhí)行完對DSP-23的抵近觀測任務(wù)后，MiTEx-A衛(wèi)星從2009年2月開始抬高軌道，2010年1月前到達高度GEO-40km的準地球同步軌道，傾角由2.4°降到了1.5°。在這近1年的時間內(nèi)，MiTEx-A衛(wèi)星在高度為GEO-152km～GEO-40km的準地球同步軌道上完成了對GEO帶內(nèi)衛(wèi)星超過一圈的巡視觀測，星下點經(jīng)度從2009年2月的52.9°E變?yōu)榱?010年1月1日的164.1°W，星下點沿地球赤道向東環(huán)繞了約1.4圈。MiTEx-A衛(wèi)星除了進行軌道高度與傾角的小幅調(diào)整外，沒有進行其它大幅軌道機動。

MiTEx-A衛(wèi)星相對DSP-23的最近距離為300 km，說明它至少具有對300 km距離的GEO衛(wèi)星的觀測能力?；谶@一觀測能力的分析可知，在2009年2月—2010年1月這段時間，除了少數(shù)大傾角準地球軌道衛(wèi)星外，MiTEx-A衛(wèi)星能夠獲得對絕大多數(shù)GEO衛(wèi)星的觀測機會。

3.4GEO-52km～GEO-40km軌道飛行

從2010年1月1日到2011年1月1日，MiTEx-A衛(wèi)星較為穩(wěn)定地運行在高度GEO-52km～GEO-40km的準地球同步軌道，傾角由1.5°機動降低到了0.6°。在1年的時間內(nèi)，MiTEx-A衛(wèi)星星下點經(jīng)度從2010年1月1日的164.1°W向東漂移了229.7°，在2011年1月1日到達星下點65.6°E的位置。MiTEx-A衛(wèi)星除了進行軌道高度與傾角的小幅度調(diào)整外，沒有進行其它大幅軌道機動。在這段時間內(nèi)，164.1°W～65.6°E之間229.7°范圍內(nèi)的絕大多數(shù)GEO衛(wèi)星都會進入MiTEx-A衛(wèi)星的觀測范圍。

3.5較長時間保持在65.6°E～78.4°E區(qū)間飛行

2011年1月1日，MiTEx-A運行于高度GEO-52km、傾角0.6°的準地球同步軌道，星下點經(jīng)度為65.6°E。正常飛行情況下，衛(wèi)星在該軌道上星下點經(jīng)度每天向東漂移約0.66°。而事實上，226天后的2011年8月15日，MiTEx-A星下點經(jīng)度僅向東漂移到了78.4°E(實際向東漂移幅度僅12.8°，正常飛行情況下向東漂移幅度應(yīng)為150°)，那么可以推測MiTEx-A衛(wèi)星在2011年1月1日—2011年8月15日這段時間內(nèi)進行了多次軌道機動，可能的機動策略主要有兩條：

(1)MiTEx-A衛(wèi)星在65.6°E～78.4°E這一區(qū)間內(nèi)的某個(或某些)軌道位置上做了定點懸飛保持，即駐停在某顆(或某些)GEO衛(wèi)星下方，對某顆(或某些)GEO衛(wèi)星實施持續(xù)觀測；

(2)MiTEx-A衛(wèi)星在65.6°E～78.4°E這一區(qū)間內(nèi)通過軌道高度的調(diào)整，來回運行于比GEO低和比GEO高的準地球同步軌道，對區(qū)間內(nèi)的GEO衛(wèi)星進行自西向東與自東向西的反復(fù)觀測。

65.6°E～78.4°E這一區(qū)間內(nèi)分布著包括國防支援計劃衛(wèi)星-21(DSP-21)、特高頻后繼衛(wèi)星-10(UFO-10)、特高頻后繼衛(wèi)星-11(UFO-11)、大酒瓶衛(wèi)星-1(Magnum-1)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)系統(tǒng)星-2(SDS-2)等美國軍用衛(wèi)星和我國天鏈-1衛(wèi)星，MiTEx-A衛(wèi)星保持在這一區(qū)間飛行，具有執(zhí)行對上述GEO衛(wèi)星的觀測任務(wù)的能力。MiTEx-A衛(wèi)星與DSP-21、UFO-10、UFO-11、MAGNUM-1、SDS-2、天鏈-1的最近相對距離分別約為140 km、130 km、130 km、80 km、280 km、90 km。

本階段的飛行示意圖如圖4所示。

圖4 2011年1月—8月的MiTEx飛行示意圖

3.6GEO-52km～GEO-40km高度范圍內(nèi)正常飛行

從2011年8月15日到2013年8月26日，在這2年的時間內(nèi)，MiTEx-A衛(wèi)星較為穩(wěn)定地運行在高度GEO-52km～GEO-40km、傾角0.25°～0.6°范圍的準地球同步軌道。在2年的時間內(nèi)，MiTEx-A衛(wèi)星星下點經(jīng)度從2011年8月15日的78.4°E持續(xù)向東漂移，漂移幅度為493.4°，于2013年8月26日到達星下點148.2°W的位置。MiTEx-A衛(wèi)星除了進行軌道高度與傾角的小幅調(diào)整外，沒有進行其它大幅軌道機動。

在這段時間內(nèi)，整個GEO帶內(nèi)的大多數(shù)衛(wèi)星都會進入MiTEx-A衛(wèi)星的觀測范圍。

MiTEx-A衛(wèi)星飛行任務(wù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表1所示，MiTEx-A衛(wèi)星飛行過程如圖5所示。圖5給出了MiTEx-A衛(wèi)星在2011年1月-8月飛行過程的兩種可能情況，對于情況一，需要衛(wèi)星頻繁進行懸飛軌道機動，燃料消耗較大，因此情況二的可能性相對較大。

表1 MiTEx-A衛(wèi)星飛行任務(wù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)

圖5 MiTEx-A衛(wèi)星飛行過程示意圖

4 MiTEx-B衛(wèi)星飛行任務(wù)分析

MiTEx-B衛(wèi)星從發(fā)射入軌到2008年12月，主要在高度為GEO-1012km的準地球同步軌道上飛行，與MiTEx-A衛(wèi)星保持100～200km的相對距離，執(zhí)行與MiTEx-A衛(wèi)星相互觀測的任務(wù)，如圖2所示。

2008年12月，為了對失效的DSP-23衛(wèi)星抵近觀測，MiTEx-B衛(wèi)星進行軌道機動，抬升軌道高度922 km，到達高度GEO-90km的準地球同步軌道，12月23日對DSP-23的最近觀測距離達到約100 km，獲得了DSP-23的圖像[7]。

在抵近觀測DSP-23衛(wèi)星后，直到2009年2月12日，MiTEx-B衛(wèi)星還在高度GEO-90km的準地球同步軌道飛行，而2010年1月1日，該衛(wèi)星已經(jīng)進入高度GEO+400km準地球同步軌道飛行。

從2010年1月1日至2012年8月10日，MiTEx-B衛(wèi)星穩(wěn)定地飛行在高度GEO+400km的準地球同步軌道，星下點經(jīng)度每天向西漂移約5.1°，在這2年的時間內(nèi)，衛(wèi)星沒有進行軌道維持，其軌道參數(shù)的變化符合軌道自然攝動規(guī)律。可以推測MiTEx-B衛(wèi)星有兩種可能情況：

(1)MiTEx-B衛(wèi)星由于某種原因而不能正常工作，壽命終結(jié)，在2010年1月1日前變軌進入高度GEO+400km的墳?zāi)管壍?，成為廢棄衛(wèi)星。

(2)MiTEx-B衛(wèi)星在廢棄軌道上進行對非合作目標(廢棄GEO衛(wèi)星)的自然交會抵近觀測。

MiTEx-B衛(wèi)星飛行過程如圖6所示。

圖6 MiTEx-B衛(wèi)星飛行過程示意圖

5 MiTEx衛(wèi)星飛行任務(wù)總結(jié)與軍事能力推測

MiTEx衛(wèi)星飛行任務(wù)可按階段作如下總結(jié)：

(1)運載火箭將MiTEx飛行器送入GTO軌道后，MiTEx上面級攜帶MiTEx-A與MiTEx-B衛(wèi)星變軌進入準地球同步軌道，然后分別釋放兩顆MiTEx衛(wèi)星。

(2)入軌初期，MiTEx-A與MiTEx-B執(zhí)行兩星之間相互觀測任務(wù)，進行技術(shù)驗證。

(3)2008年11月初DSP-23衛(wèi)星失效后，MiTEx-B和MiTEx-A衛(wèi)星先后抬高軌道，于2008年12月和2009年1月成功抵近DSP-23衛(wèi)星，對其進行了近距離觀測，將獲取的圖像及其它信息傳回地面，供地面人員分析DSP-23失效原因[6,8]。

(4)MiTEx-A衛(wèi)星抵近觀測DSP-23衛(wèi)星后，并沒有將軌道高度調(diào)回GEO-1012km，而是繼續(xù)在僅比GEO低100km左右的準地球同步軌道上，以較近的距離相對GEO帶內(nèi)衛(wèi)星作巡視飛行，這樣的飛行狀態(tài)非常有利于MiTEx-A衛(wèi)星執(zhí)行對GEO帶內(nèi)衛(wèi)星的巡視觀測任務(wù)。MiTEx-B衛(wèi)星抵近觀測DSP-23衛(wèi)星后，進入了高度GEO+400km的墳?zāi)管壍溃⑶抑两褚矝]有進行軌道維持。

(5)在完成對GEO帶內(nèi)衛(wèi)星多圈的巡視觀測后，MiTEx-A衛(wèi)星在2011年頻繁進行軌道機動，在長達8個多月的時間內(nèi)持續(xù)飛行在65.6°E～78.4°E上空，可能對這一區(qū)域的GEO衛(wèi)星進行了反復(fù)觀測。

(6)從2011年8月至今，MiTEx-A衛(wèi)星在GEO-52km～GEO-40km的準地球同步軌道上，以較近距離相對GEO帶內(nèi)衛(wèi)星巡視飛行，可能已經(jīng)完成了對整個GEO帶內(nèi)大多數(shù)衛(wèi)星的巡視觀測。

通過MiTEx衛(wèi)星的飛行任務(wù)分析，可以推測出MiTEx所演示驗證的技術(shù)能夠直接用于空間對抗[5]，它可能具有如下軍事能力：

(1)先進的上面級裝備了太陽電池翼和長壽命推力器，具有強大機動能力，能進行大范圍快速軌道機動，可將衛(wèi)星從GTO軌道直接送入GEO軌道任意位置，表明其具有將微小型航天器快速投送到全軌道空間目標附近的能力[5,9]。

(2)MiTEx-A衛(wèi)星至今已在軌正常運行近8年時間，并且多次進行軌道機動，其長壽命與高機動性能，使MiTEx-A衛(wèi)星能夠機動到GEO軌道上任何位置。

(3)由于MiTEx-A衛(wèi)星可在GEO軌道空間對GEO衛(wèi)星實施抵近操作，進行拍照，詳細偵察GEO衛(wèi)星。接收GEO衛(wèi)星收、發(fā)的無線電信號，甚至干擾GEO衛(wèi)星與地面的通信鏈路，直接實施近距離對抗作戰(zhàn)[5]。

6 MiTEx任務(wù)的啟示

MiTEx衛(wèi)星自2006年發(fā)射升空以來，已經(jīng)在軌正常運行近8年，其中MiTEx-A衛(wèi)星先后經(jīng)歷了與MiTEx-B衛(wèi)星相互近距離觀測、抵近觀測DSP-23衛(wèi)星、在GEO-50km軌道附近作長期巡航漂移等飛行過程，可執(zhí)行對高軌衛(wèi)星成像觀測、信號偵聽、通信干擾等高軌抵近操作任務(wù)，可以應(yīng)用到以下方面：

1)高軌空間目標巡航普查

抵近操作飛行器在低于或高于GEO的準地球同步軌道上運行，利用相對GEO的高度差產(chǎn)生的角速度差，相對GEO帶內(nèi)衛(wèi)星自西向東或自東向西運行，可獲得相對GEO帶內(nèi)大量衛(wèi)星較近距離的觀測機會，從而完成對高軌空間目標的巡航普查，獲取其軌道編目信息、幾何外形特征、電磁信號特征。

2)高軌區(qū)間目標駐留偵察

抵近操作飛行器可通過軌道機動進行位置保持，持續(xù)駐留在某一GEO軌道區(qū)間內(nèi)飛行，反復(fù)獲得相對該區(qū)間內(nèi)GEO衛(wèi)星較近距離的觀測機會，從而對該區(qū)間內(nèi)衛(wèi)星反復(fù)實施駐留偵察，比如本文分析的MiTEx-A衛(wèi)星第5階段飛行任務(wù)。

3)高軌重點目標抵近詳查

抵近操作飛行器通過軌道機動，對于高軌重點目標可接近至幾千米乃至數(shù)百米距離，對目標詳查，獲取其高分辨率圖像信息和電磁信息，實現(xiàn)對目標的特征提取與識別；并可利用近距離的優(yōu)勢，實現(xiàn)對目標通信信號的干擾。

MiTEx衛(wèi)星抵近操作任務(wù)的成功實施，充分表明美國已經(jīng)具備了對所有GEO衛(wèi)星巡航觀測、對特定GEO區(qū)域反復(fù)偵察、對重點GEO衛(wèi)星抵近詳查的能力。

高軌抵近操作衛(wèi)星在具備對高軌重點目標抵近詳查能力的基礎(chǔ)上，如果發(fā)展抓捕對接與組合體控制等技術(shù)，則可能實現(xiàn)對高軌目標的抓捕、連接，進而可完成對廢棄衛(wèi)星拖曳離軌、對故障衛(wèi)星軌道救援、對在軌資源拆解利用等在軌服務(wù)操作任務(wù)，可以在高軌空間全面態(tài)勢感知的基礎(chǔ)上，進一步獲取對己方衛(wèi)星維修維護、對敵方衛(wèi)星俘獲控制、對空間碎片天基監(jiān)測和清除等能力。

GEO是人類重要的地球軌道資源，運行著通信、數(shù)據(jù)中繼、導(dǎo)航、電子偵察和導(dǎo)彈預(yù)警等高價值軍用衛(wèi)星，高軌衛(wèi)星安全穩(wěn)定運行對于國家安全具有重要的戰(zhàn)略意義。美國通過MiTEx任務(wù)已經(jīng)較為全面地掌握了高軌空間態(tài)勢，驗證了高軌抵近操作技術(shù)，后續(xù)必然還將通過抓捕操作等技術(shù)的發(fā)展，形成對高軌衛(wèi)星服務(wù)操控的能力。獲取全球尤其是國土上空的高軌空間態(tài)勢，掌握高軌空間活動信息，并進一步發(fā)展高軌衛(wèi)星服務(wù)操控技術(shù)，是非常具有前景的研究方向，存在巨大的價值及應(yīng)用潛力。

7 高軌抵近操作及其拓展應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)對高軌目標尤其是非合作目標的抵近操作，以及在抵近操作基礎(chǔ)上進行拓展應(yīng)用的抓捕、服務(wù)操控所需要突破的關(guān)鍵技術(shù)，主要有以下幾個方面。

1)高軌長時間自主運行技術(shù)

抵近操作飛行器為了全面獲取高軌空間態(tài)勢，必然需要長時間運行于國土上空以外的高軌區(qū)域，處于本國地面測控站不可見范圍內(nèi)。以MiTEx-A衛(wèi)星長期運行的GEO-50km軌道為例進行分析，完成對全球GEO帶內(nèi)衛(wèi)星巡航一圈的周期為560 d，我國地面測控站不可見的GEO范圍約占51%，因此需要衛(wèi)星具有約286 d時間的自主運行能力。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)點包括高軌長時間自主導(dǎo)航技術(shù)、高軌長時間自主任務(wù)管理技術(shù)(包括自主任務(wù)規(guī)劃調(diào)度、載荷協(xié)調(diào)管理、星上數(shù)據(jù)處理以及故障診斷與恢復(fù)技術(shù)等)。

2)空間自主交會、接近與?？恐茖?dǎo)與控制技術(shù)

抵近操作飛行器逐漸接近目標衛(wèi)星，測量敏感器獲得目標衛(wèi)星方位和距離信息，相對運動制導(dǎo)與控制在相對測量信息基礎(chǔ)上進行航天器相對姿態(tài)、軌跡控制，從而抵近目標衛(wèi)星至所需距離范圍。尤其針對非合作目標的制導(dǎo)與控制，對目標進行多角度、多方位的自主繞飛，可為獲取目標多維度圖像信息奠定良好基礎(chǔ)。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括對空間目標的主動繞飛控制技術(shù)、對姿態(tài)失控/機動目標的隨動跟蹤控制技術(shù)、對姿態(tài)失控/機動目標的?？恐茖?dǎo)與控制技術(shù)。

3)高效率快響應(yīng)推進技術(shù)

在執(zhí)行抵近操作任務(wù)過程中，飛行器需要進行多次機動，對推進系統(tǒng)提出了很高的要求：一方面，飛行器因操作任務(wù)多，工作周期長，需要攜帶較多推進劑以提供持續(xù)的變軌能力，提高單位質(zhì)量推進劑的推進效率有利于降低入軌質(zhì)量，提高飛行器整體機動能力；另一方面，飛行器需要根據(jù)目標情況實時調(diào)整軌道與姿態(tài)，要求推進系統(tǒng)能夠提供快速響應(yīng)的機動能力。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)點包括快響應(yīng)輕小型推進技術(shù)、大推力電推進/激光推進技術(shù)、高效率混合推進技術(shù)。

4)空間目標成像識別與相對位姿測量技術(shù)

抵近操作飛行器對目標衛(wèi)星接近過程中，需要對目標衛(wèi)星進行成像識別與相對位姿測量，通過獲取目標衛(wèi)星的可見光、激光雷達等圖像，獲得其三維模型，掌握精準的目標物理外形信息，可為后續(xù)可能的抓捕定位目標位置。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括空間非合作目標位姿測量技術(shù)、空間目標在軌三維模型重建技術(shù)、空間目標特征提取與跟蹤測量技術(shù)。

5)空間目標抓捕對接技術(shù)

非合作目標沒有專門用于抓捕與對接的合作裝置，盡管通過前期的抵近操作、成像識別可以確定目標可抓捕特征部位，但是要在保證安全性前提下，實現(xiàn)可靠抓捕、鎖緊與釋放分離仍然十分復(fù)雜。需要利用機械臂、專用抓捕機構(gòu)等手段對目標形成剛性連接組合體，或利用飛網(wǎng)、飛爪等手段形成柔性連接組合體，且根據(jù)需要，可安全釋放分離。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括空間非合作目標抓捕鎖緊與釋放分離技術(shù)、空間柔性網(wǎng)/爪抓捕技術(shù)。

6)空間組合體控制技術(shù)

抵近操作飛行器抓捕目標衛(wèi)星后，組合體運行狀態(tài)建立。與單個航天器相比，組合體的結(jié)構(gòu)及動力學(xué)特性具有新的特點，決定了其控制的特殊性。首先，組合體的動力學(xué)參數(shù)在抓捕對接前后將發(fā)生變化，控制回路需要實時跟蹤這些參數(shù)的變化，以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度，需要在軌利用激勵源進行在線激勵辨識。其次，兩航天器對接完成后，相對姿態(tài)存在一定的偏差，需要進行姿態(tài)基準的標定。空間組合體對接后動力學(xué)復(fù)雜，為了得到系統(tǒng)準確的動力學(xué)模型，需要對變結(jié)構(gòu)航天器的高效動力學(xué)建模問題進行專門研究。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括非合作組合體動力學(xué)參數(shù)在軌辨識技術(shù)、非合作組合體姿態(tài)基準在軌標定技術(shù)、變質(zhì)量特性組合體動力學(xué)控制技術(shù)、繩系組合體動力學(xué)與控制技術(shù)。

7)空間靈巧機械臂/手及服務(wù)操作技術(shù)

空間靈巧機械臂/手及服務(wù)操作，是指通過高自由度的機械手/臂機構(gòu)實現(xiàn)高精度的末端操作能力，執(zhí)行如模塊更換、設(shè)備拆解利用、表面結(jié)構(gòu)維修等范圍小、精度要求高的空間任務(wù)。通過機器人的形式實現(xiàn)類似人手的控制精度與復(fù)雜度。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括空間靈巧機械臂/手技術(shù)、多任務(wù)操作末端執(zhí)行器技術(shù)、多靈巧臂/手/平臺協(xié)同操作技術(shù)。

8 結(jié)束語

從MiTEx衛(wèi)星任務(wù)可以看出，美國已經(jīng)具備了對高軌衛(wèi)星的近距離態(tài)勢感知甚至近距離操作能力。發(fā)展MiTEx類似的高軌抵近操作衛(wèi)星，可以獲取詳細的高軌空間態(tài)勢，對高軌衛(wèi)星自主管理、自主導(dǎo)航、非合作目標抵近、天基空間目標監(jiān)視等先進技術(shù)進行試驗驗證，并推動高軌非合作目標抓捕對接、服務(wù)操作相關(guān)技術(shù)發(fā)展，在未來空間系統(tǒng)的維修維護上起到重要的技術(shù)支撐作用。因此，對MiTEx任務(wù)進行分析，參考其任務(wù)能力，深入發(fā)展高軌抵近操作技術(shù)，有著巨大的價值及應(yīng)用潛力。

References)

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[2]Gunter’s Space Page. MiTEx-A[EB/OL]. [2012-01-04]. http://space.skyrocket.de:80/doc_sdat/mitex-a.html

[3]Gunter’s Space Page. MiTEx-B[EB/OL]. [2012-01-04]. http://space.skyrocket.de:80/doc_sdat/mitex-b.html

[4]Arnold Barmettler. Satellite found for ‘MiTEx’[EB/OL]. [2013-11-09]. http://www.calsky.com/cs.cgi.html

[5]CDI Center for Defense Information. CDI fact sheet: MiTEx(Micro-satellite Technology Experiment)[EB/OL]. [2006-07-14]. http://www.cdi.org/program/document.cfm?DocumentID=3591.html

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[7]Short Sharp Science. Low-tech satellite subterfuge[EB/OL]. [2009-01-16]. http://www.newscientist.com/blogs/shortsharpscience/2009/01/low-tech-satellite-subterfuge.html

[8]Satnews Daily. Top secret in space - covert inspection of crippled defense military satellite[EB/OL]. [2009-01-19]. http://www.satnews.com/cgi-bin/story.cgi?number=252590162.html

[9]Encyclopedia Astronautica. MiTEx[EB/OL]. [2006-07-14]. http://www.astronautix.com/craft/mitex.html

(編輯：張小琳)

Introduction to American Approaching Operation Satellite MiTEx in Geostationary Orbit and Its Inspiration

MENG Bo1HUANG Jianbin1LI Zhi1WANG Aiming2

(1 Qian Xuesen Laboratory of Space Technology, Beijing 100094, China)

(2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

MiTEx(Micro-satellite Technology Experiment) is an American satellite deployed on a quasi-geosynchronous orbit, which includes MiTEx-A and MiTEx-B. The mission of MiTEx is to conduct approaching operations to the geostationary orbit satellites. In the paper, the development situations of MiTEx plan are presented. According to the orbit elements that can be acquired currently, the whole flight process of MiTEx is deeply studied, the flight stages of MiTEx-A and MiTEx-B satellite are partitioned, the flight tracks of each stage described, and the important track data provided. The flight mission of MiTEx satellites are analyzed. On the basis of flight mission analysis, and incombination with the literatures about MiTEx, the probable capabilities of MiTEx are conjectured. Based on the MiTEx mission, inspirations for the applications and required key technologies of approaching operations on non-cooperative GEO targets are proposed.

MiTEx; GEO; approaching operations; capture and orbital service

2013-11-14；

：2014-04-02

蒙波，男，高級工程師，研究方向為航天飛行動力學(xué)與控制。Email:mengbowanj@163.com。

V412.41

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.020