第1章 緒論
微小衛(wèi)星是20世紀(jì)80年代末期隨著微電子、微機(jī)械、計(jì)算機(jī)、新材料等領(lǐng)域高新技術(shù)發(fā)展而興起的一類新型衛(wèi)星，具有新技術(shù)含量大、功能密度高、研制周期短、成本低廉、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)。出現(xiàn)伊始，即以一種全新的理念成為航天領(lǐng)域最具活力的研究方向，成功應(yīng)用于對(duì)地遙感、特種通信、空間環(huán)境探測(cè)以及空間科學(xué)試驗(yàn)等諸多領(lǐng)域，成為軍用、民用衛(wèi)星中的重要成員[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，伴隨各種新的設(shè)計(jì)理念、研制方法和應(yīng)用模式的突破，微小衛(wèi)星技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。
現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和自然災(zāi)害具有突發(fā)性和局域性的特點(diǎn)，即使龐大的空間系統(tǒng)也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)事件突發(fā)區(qū)域的完全覆蓋，且耗資巨大；同時(shí)，隨著反衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，空間系統(tǒng)越來(lái)越脆弱，極端戰(zhàn)爭(zhēng)情況下，面臨被摧毀的嚴(yán)重威脅�？臻g快速響應(yīng)就是針對(duì)上述需求而提出的軍事航天領(lǐng)域的創(chuàng)新概念。
作為空間系統(tǒng)應(yīng)急增強(qiáng)和被毀后快速重建的必備手段，空間快速響應(yīng)就是針對(duì)突發(fā)事件快速構(gòu)建應(yīng)急空間系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的快速研制、快速發(fā)射和快速應(yīng)用。微小衛(wèi)星具有“快、好、省”的優(yōu)勢(shì)，在空間快速響應(yīng)領(lǐng)域具有不可替代的作用，已成為一類維護(hù)國(guó)家安全和保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要航天系統(tǒng)。
1.1 快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的概念及其發(fā)展現(xiàn)狀
1.1.1 微小衛(wèi)星及其技術(shù)特點(diǎn)
關(guān)于微小衛(wèi)星的分類國(guó)際上尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)際上普遍認(rèn)同的是英國(guó)薩瑞大學(xué)對(duì)500k-以下衛(wèi)星給出的分類，它將衛(wèi)星按照質(zhì)量大小劃分為小衛(wèi)星、微衛(wèi)星、納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星[2]，見(jiàn)表1-1。
表1-1 500k-以下衛(wèi)星分類
本書將質(zhì)量在25~500k之間的小衛(wèi)星和微衛(wèi)星統(tǒng)稱為微小衛(wèi)星。它既可以單顆衛(wèi)星應(yīng)用實(shí)現(xiàn)一種或幾種特定功能，也可以通過(guò)組網(wǎng)、編隊(duì)或集群飛行等構(gòu)成分布式衛(wèi)星系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大衛(wèi)星的功能或完成單顆大衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)的空間任務(wù)。
區(qū)別與其他衛(wèi)星，微小衛(wèi)星具有鮮明的技術(shù)特點(diǎn)。
(1)功能密度高
微小衛(wèi)星從設(shè)計(jì)方法上打破了傳統(tǒng)衛(wèi)星分系統(tǒng)的概念，將衛(wèi)星系統(tǒng)的功能(包括有效載荷)進(jìn)行高度融合，通過(guò)星上資源和信息共享實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)共用；同時(shí)采用硬件軟件化、軟件無(wú)線電等技術(shù)最大限度地發(fā)揮軟件的作用，從而顯著減少了系統(tǒng)的硬件冗余，提高了功能密度。
微小衛(wèi)星在研制方法上采用圍繞有效載荷的一體化集成，通過(guò)整星系統(tǒng)優(yōu)化，在保證系統(tǒng)性能和功能的前提下，可有效減少結(jié)構(gòu)、電纜以及熱控等系統(tǒng)的質(zhì)量，提高功能密度，通常情況下有效載荷比可達(dá)到40%以上[3]。
微小衛(wèi)星所采用的部組件基于微電子、微機(jī)械、微處理器和新材料等領(lǐng)域的技術(shù)成果，利用多維集成技術(shù)和大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)制造工藝，不僅能夠?qū)�機(jī)械部件像電子電路一樣進(jìn)行集成，而且可以把傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、微處理器以及其他電學(xué)和光學(xué)組件高度集成為一個(gè)機(jī)電一體化的微型系統(tǒng)，為微小衛(wèi)星的高功能密度集成創(chuàng)造了條件。
(2)研制成本低
由于衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境特殊，入軌后一旦出現(xiàn)故障將很難進(jìn)行在軌維護(hù)。因此，為提高系統(tǒng)的可靠性，在傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)中大量應(yīng)用高等級(jí)器件，并采用硬件的備份和冗余設(shè)計(jì)；在研制過(guò)程中需要研制電性星、初樣星、正樣星等進(jìn)行的大量的地面試驗(yàn)驗(yàn)證，急劇增加了研制費(fèi)用。同時(shí)，由于運(yùn)載器的發(fā)射能力和衛(wèi)星的需求很難匹配，一般來(lái)講運(yùn)載能力要高于衛(wèi)星發(fā)射的需求，造成運(yùn)載能力的浪費(fèi)，增加了發(fā)射費(fèi)用。
傳統(tǒng)衛(wèi)星的研制和發(fā)射費(fèi)用高昂，使得衛(wèi)星產(chǎn)品難以像飛機(jī)、汽車等產(chǎn)品那樣實(shí)現(xiàn)批量化，通常采用定制方式進(jìn)行研制，所采用的部組件需要單獨(dú)設(shè)計(jì)生產(chǎn)，同時(shí)進(jìn)行大量的測(cè)試與試驗(yàn)，這也是衛(wèi)星研制成本居高不下的主要根源。
雖然單顆微小衛(wèi)星功能相對(duì)簡(jiǎn)單，但多顆微小衛(wèi)星協(xié)同工作同樣可以完成傳統(tǒng)大型衛(wèi)星的復(fù)雜任務(wù)，更重要的是一旦某顆微小衛(wèi)星出現(xiàn)故障，不至于使整個(gè)系統(tǒng)報(bào)廢，顯著降低了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。因此，微小衛(wèi)星可以采用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念，大量應(yīng)用低等級(jí)器件，通過(guò)系統(tǒng)資源和信息的共享與融合，簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置，降低研制成本。同時(shí)，通過(guò)采用數(shù)字化設(shè)計(jì)和虛擬試驗(yàn)等手段，可以在設(shè)計(jì)階段及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的缺陷，簡(jiǎn)化研制流程，節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用。另外微小衛(wèi)星可以采用搭載或一箭多星的方式發(fā)射，也可以采用小型運(yùn)載器發(fā)射，能夠充分挖掘和利用運(yùn)載能力，顯著降低發(fā)射費(fèi)用。
微小衛(wèi)星研制和發(fā)射成本的降低，使得其批量化生產(chǎn)成為可能，航天產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和批量化，能夠從根本上改變衛(wèi)星的定制模式，從而顯著降低研制成本。
(3)生產(chǎn)周期短
傳統(tǒng)衛(wèi)星采用定制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)與研制，飛行任務(wù)確定后，需要進(jìn)行任務(wù)分析與設(shè)計(jì)、方案論證與設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行部組件設(shè)計(jì)、研制、測(cè)試與試驗(yàn)，繼而還要進(jìn)行整星電性能聯(lián)試、初樣星設(shè)計(jì)、研制、測(cè)試與試驗(yàn)、與工程系統(tǒng)對(duì)接試驗(yàn)、正樣星設(shè)計(jì)、研制、測(cè)試與試驗(yàn)以及發(fā)射場(chǎng)技術(shù)陣地和發(fā)射陣地的測(cè)試與發(fā)射準(zhǔn)備等，研制周期長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)微小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的需求。
在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、批量化的基礎(chǔ)上，微小衛(wèi)星可以采用即插即用的方式進(jìn)行快速集成(包括與有效載荷的快速匹配)，采用智能化測(cè)試方法進(jìn)行快速測(cè)試，采用虛擬試驗(yàn)與驗(yàn)證性試驗(yàn)相結(jié)合的方式代替大量的地面試驗(yàn)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口靈活適應(yīng)多種運(yùn)載器和多種發(fā)射方式實(shí)現(xiàn)快速入軌，從而大大簡(jiǎn)化研制流程，縮短研制周期。
(4)應(yīng)用靈活性好
微小衛(wèi)星重量輕、體積小，在軌機(jī)動(dòng)性能好，通過(guò)軌道靈活機(jī)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息的快速獲取、空間在軌服務(wù)等應(yīng)用；通過(guò)衛(wèi)星姿態(tài)的快速敏捷機(jī)動(dòng)以及快速穩(wěn)定控制，能夠?qū)崿F(xiàn)同軌的多點(diǎn)目標(biāo)成像、條帶拼接成像、立體成像以及對(duì)同一目標(biāo)的重復(fù)成像等應(yīng)用。
通過(guò)組網(wǎng)、編隊(duì)和集群飛行等途徑，可顯著提高微小衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間分辨率和覆蓋區(qū)域，是微小衛(wèi)星的重要應(yīng)用方式。通過(guò)快速、靈活、大規(guī)模部署及在軌重構(gòu)，可大幅提高空間系統(tǒng)的生存能力和完成復(fù)雜空間任務(wù)的能力。多星、多任務(wù)和多模式的綜合應(yīng)用，可形成新的工作體制和航天應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)單顆大衛(wèi)星難以勝任的功能和性能。
(5)技術(shù)帶動(dòng)性強(qiáng)
微小衛(wèi)星是眾多領(lǐng)域高新技術(shù)成果的結(jié)晶，涉及微電子、微機(jī)械、高性能處理器、多功能材料與結(jié)構(gòu)、高密度電源、新型空間動(dòng)力、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸、控制理論與方法、自動(dòng)化測(cè)試、健康管理與自主控制以及新概念有效載荷等領(lǐng)域，為多學(xué)科的交叉融合與集成創(chuàng)新提供了重要平臺(tái)。同時(shí)，微小衛(wèi)星的迅猛發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快，必將有力地帶動(dòng)這些領(lǐng)域技術(shù)的快速進(jìn)步和發(fā)展。
微小衛(wèi)星是航天領(lǐng)域新概念、新原理、新方法、新技術(shù)以及新的應(yīng)用模式和技術(shù)體制進(jìn)行空間飛行試驗(yàn)驗(yàn)證的重要載體，對(duì)于加速航天領(lǐng)域的新成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，推動(dòng)航天裝備建設(shè)具有極其重要的作用。
1.1.2 快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的概念
快速響應(yīng)微小衛(wèi)星是21世紀(jì)剛剛興起的一類針對(duì)突發(fā)事件、具備空間信息快速支持能力的小型、廉價(jià)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用衛(wèi)星，具有快速研制、快速發(fā)射、快速應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)，充分體現(xiàn)了微小衛(wèi)星“省、好、快”的技術(shù)特征，是微小衛(wèi)星領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。
快速響應(yīng)微小衛(wèi)星采用優(yōu)化的研制流程實(shí)現(xiàn)快速研制。以衛(wèi)星產(chǎn)品體系的標(biāo)準(zhǔn)化模塊為基線進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，以軟硬件即插即用的方式進(jìn)行快速集成；采用自動(dòng)化測(cè)試方法，提高測(cè)試效率，縮短測(cè)試時(shí)間；采用虛擬試驗(yàn)和檢驗(yàn)性試驗(yàn)相結(jié)合的方法，精簡(jiǎn)試驗(yàn)矩陣，縮短試驗(yàn)時(shí)間。
快速響應(yīng)微小衛(wèi)星通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口可適應(yīng)多種運(yùn)載和發(fā)射方式，通過(guò)簡(jiǎn)化發(fā)射流程、采用狀態(tài)自主檢測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射，特別是可以采用小運(yùn)載車載機(jī)動(dòng)發(fā)射。入軌后采用嵌入式自主測(cè)試方法，快速確認(rèn)和建立衛(wèi)星狀態(tài)，保證其第一軌即投入應(yīng)用。
由于快速響應(yīng)微小衛(wèi)星主要針對(duì)突發(fā)事件提供信息保障，一般來(lái)講設(shè)計(jì)壽命較短，通常為幾個(gè)月，因此可以采用商用貨架產(chǎn)品(COTS)和低等級(jí)器件降低成本；同時(shí)，易于建立標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品體系，通過(guò)產(chǎn)品的批量化進(jìn)一步降低研發(fā)成本。
快速響應(yīng)微小衛(wèi)星具備適應(yīng)任意任務(wù)軌道的能力，可以針對(duì)突發(fā)事件的地點(diǎn)選擇低傾角軌道，實(shí)現(xiàn)第一軌即投入應(yīng)用的目的，同時(shí)增加對(duì)目標(biāo)的重復(fù)觀測(cè)次數(shù)(太陽(yáng)同步軌道對(duì)同一目標(biāo)的觀測(cè)次數(shù)最多為2次/天，而低傾角軌道的觀測(cè)次數(shù)可達(dá)到2~4次/天)。
快速響應(yīng)微小衛(wèi)星具有自主運(yùn)行管理、自主任務(wù)規(guī)劃、在軌信息處理等功能以及姿態(tài)敏捷機(jī)動(dòng)控制能力，以此實(shí)現(xiàn)多模式成像等復(fù)雜任務(wù)。由于這種高自主性，衛(wèi)星運(yùn)控管理簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)一鍵式管理。
快速響應(yīng)微小衛(wèi)星具備星地和星間通信鏈路，以及星地?cái)?shù)傳、中繼數(shù)傳等鏈路。對(duì)于在境外獲取的應(yīng)急信息可通過(guò)中繼鏈路及時(shí)傳回國(guó)內(nèi)或經(jīng)過(guò)星上處理后直接傳給用戶；經(jīng)過(guò)星上處理識(shí)別后的情報(bào)信息，也可直接發(fā)送至地面手持終端。信息多路徑有利于其接入天基信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息快速高效應(yīng)用。
快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的地面應(yīng)用系統(tǒng)除傳統(tǒng)地面站外，還可配備機(jī)動(dòng)接收站實(shí)現(xiàn)信息的快速處理和分發(fā)；同時(shí)分布廣泛的地面移動(dòng)終端和手持終端可直接接收衛(wèi)星處理后的信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的靈活應(yīng)用[4]。
1.1.3 快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1.3.1 國(guó)外快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀
美國(guó)于2005年1月頒布軍事空間轉(zhuǎn)型政策，明確提出了快速響應(yīng)空間(opera tionally responsive space，ORS)的概念，將快速響應(yīng)空間技術(shù)作為航天領(lǐng)域的重要研究方向，其核心就是空間力量在戰(zhàn)術(shù)層面上如何支持地面作戰(zhàn)，要求在數(shù)小時(shí)之內(nèi)就能夠發(fā)射快速響應(yīng)衛(wèi)星到指定的作戰(zhàn)區(qū)域。
ORS計(jì)劃將空間快速響應(yīng)所需能力分為三個(gè)等級(jí)(如圖1-1所示)。
圖1-1 快速響應(yīng)能力的等級(jí)劃分
第一等級(jí)為直接利用在軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間為0.5~24小時(shí)；第二等級(jí)為通過(guò)已經(jīng)存儲(chǔ)的衛(wèi)星平臺(tái)、載荷、運(yùn)載等實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間為1~14天；第三等級(jí)則是采用新技術(shù)研發(fā)衛(wèi)星平臺(tái)和載荷實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間為3~12月。
根據(jù)快速響應(yīng)的三級(jí)能力需求，ORS辦公室計(jì)劃分三個(gè)階段進(jìn)行實(shí)施。第一階段的目標(biāo)是通過(guò)戰(zhàn)術(shù)微小衛(wèi)星彌補(bǔ)目前航天系統(tǒng)的情報(bào)、監(jiān)視、偵察和通信能力的不足，同時(shí)逐步驗(yàn)證相關(guān)核心技術(shù)；第二階段的目標(biāo)是研制和部署模塊化微小衛(wèi)星；第三階段目標(biāo)是建立滿足快速響應(yīng)作戰(zhàn)需求的新型航天系統(tǒng)。
ORS計(jì)劃是航天系統(tǒng)從戰(zhàn)略支持到戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)變的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，概念自提出以來(lái)，已逐漸成為航天領(lǐng)域一個(gè)備受關(guān)注的焦點(diǎn)，美國(guó)陸續(xù)提出并實(shí)施了“戰(zhàn)術(shù)星”等一系列計(jì)劃用于先期的技術(shù)驗(yàn)證[5]。
1.“戰(zhàn)術(shù)星”計(jì)劃
“戰(zhàn)術(shù)星”計(jì)劃(TacSat系列衛(wèi)星計(jì)劃)于2001年提出，作為發(fā)展快速響應(yīng)空間技術(shù)的先期行動(dòng)，其主要目標(biāo)是遵循2-8原則(即用常規(guī)衛(wèi)星20%的成本獲取其80%性能的模式)，發(fā)展快速響應(yīng)、低成本空間系統(tǒng)的能力，驗(yàn)證快速研制、快速發(fā)射衛(wèi)星的創(chuàng)新模式和機(jī)制，通過(guò)數(shù)顆快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的空間飛行試驗(yàn)，有步驟、系統(tǒng)地演示驗(yàn)證快速響應(yīng)空間的相關(guān)技術(shù)，以最終形成可以支援戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)的實(shí)用型軍事產(chǎn)品(如圖1-2所示)。
圖1-2 TacSat-1~TacSat-4衛(wèi)星構(gòu)型圖
目前，戰(zhàn)術(shù)星計(jì)劃已完成TacSat-2/3/4的研制和飛行試驗(yàn)，各衛(wèi)星的主要性能見(jiàn)表1-2。
表1-2 TacSat系列微小衛(wèi)星參數(shù)表
(1)TacSat-1衛(wèi)星。作為一顆低分辨率光學(xué)成像微小衛(wèi)星，其設(shè)計(jì)原理取自傳統(tǒng)衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)的功能和硬件設(shè)計(jì)。該衛(wèi)星驗(yàn)證的3個(gè)重要功能包括:①空中和空間設(shè)備的協(xié)作；②載荷的戰(zhàn)術(shù)控制和通過(guò)保密IP路由網(wǎng)絡(luò)(SIPRNET)的數(shù)據(jù)分發(fā)；③特殊信號(hào)情報(bào)系統(tǒng)技術(shù)。TacSat-1攜帶有分辨率分別為70m 和850m 的可見(jiàn)光和紅外成像儀兩個(gè)光學(xué)載荷。根據(jù)美國(guó)國(guó)防部的最初設(shè)想，一旦TacSat-1發(fā)射成功，地面部隊(duì)將可直接對(duì)星上遙感器發(fā)出指令，并通過(guò)SIPRNET獲得需要數(shù)據(jù)。但在實(shí)際發(fā)射中因多次運(yùn)載火箭故障而推遲發(fā)射，直至后來(lái)發(fā)射的TacSat-2驗(yàn)證了其需要驗(yàn)證的部分技術(shù)，TacSat-1衛(wèi)星的任務(wù)被迫終止。
(2)TacSat-2衛(wèi)星。該衛(wèi)星也稱為“聯(lián)合作戰(zhàn)空間演示1號(hào)”(Joint Warfihtin Space Demonst Rator1，JWSDR1)，是首顆實(shí)現(xiàn)在軌演示驗(yàn)證的ORS衛(wèi)星，于2006年12
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