小卫星有如下优点 : 1) 重量轻 (1 千克～几百千克) ; 2) 体积小 ,成本低 ; 3) 研制周期短 (1～2 年 ,甚至几个月) ,技术更 新快 ; 4) 性能好 (功能密度高) ,能够及时应用新技术 ; 5) 快速灵活 ,机动性好 ; 6) 能提供更多进入空间的机会 ,特别有利于发 展中的国家 ; 7) 便于进行教育培训和空间演示试验 。 小卫星也存在下列缺点 : 1) 单颗小卫星有效载荷重量和功率有限 ; 2) 对单点故障敏感 ; 3) 短期运行寿命和高风险 ; 4) 难以找到廉价可靠的发射工具 (相对大卫星 每千克发射费用高而言) 。 如何发挥以上优点克服缺点 ? 在应用上采用分 布式空间系统 ,小卫星就具有巨大发展潜力和应用 前景 。分布式空间系统有如下优势 : 1) 单颗大卫星功能可由若干颗小卫星来替代 , 还可以获得更好的技术性能 ; 2) 可以实现全球实时观测 ; 3) 可提供甚长测量基线 ,从而促进下列领域的 发展 ,例如 :星载干涉仪 ,全球遥感 ,同步目标跟踪观 测等 ; 4) 编队飞行卫星可以随时加入和退出队列 (因 故障等原因) ,系统具有很高的重构性 、冗余性 、安全 可靠性 ; 5) 系统技术性能可以定期获得改善和提高 ; 6) 系统偶然性经费很低 ,也就是说 ,消除故障所
关键词 小卫星 分布式系统 编队飞行 星座 中图分类号 :V529 文献标志码 :A 文章编号 :167328748 (2010) 0120060207
Technological Development and Appl ication Prospects of Distributed Small Satellite System
4
三角形纳星
ION2F ( Iono sp heric Observation -
5
Nano satellite - Formation)
电离层观测 - 纳星 - 编队
Tan DEM2X/ Terra SAR2X
6
合成孔径雷达高程编队飞行
Swedis / Prisma
7
( Tango / Mango)
分布式小卫星系统是由分布式空间系统或者分 布式航天器系统派生出来的一个分支 。它的定义 是 :由两颗或两颗以上的小卫星按一定要求分布在 一种或多种轨道上 ,共同协调合作完成某些空间飞 行任务 (例如 :观察 、测量 、通信 、导航等) ,从而获得 更大价值 。
从单颗小卫星发展成为分布式小卫星系统 ,这 是小卫星在技术和应用方面的一个崭新领域 ,具有 创造性和很好的发展前景 。
发射 时间
卫星
轨道
类型
数量
1999～ L EO
2000
4 编队
2002 L EO 6 编队
2004 L EO 3 编队
2004 L EO 3 编队
2009 L EO 2 编队
2010 L EO 2 编队
2009
日心 轨道
2 编队
2005
日心 轨道
2 编队
2010 H EO 4 编队
2013 H EO 2 编队
2014 H EO 2 编队
2014
H EO GEO
2 编队
2015 L 2/ H EO 3 编队
2011 H EO 2 编队
2014
L EO , M EO , 若干颗 编队 GEOS
卫星质量 / kg 572
( EO21) 480
< 1 000 15 15
1 000 ?
串联编队 ,两星相距 100～150km ,距离与速率测量 精度分别为 1μm 与 1μm/ s ,获得高精度重力模型
Aqua ,Aara ,Calipso ,Cloudsat Parasol ,OCO 6 颗卫星 串联编队 ,下午 1 点半通过太阳同步轨道上升节点 由美国三所大学研制 ,实现纳星编队飞行 ,进行气 象立体成像技术演示 。发射时两颗纳星未能到达 原定轨道
4 分布式小卫星系统技术发展水平
现代小卫星应用到分布式系统的星群和星座从 20 世纪 90 年代就开始了 。但是真正意义上的分布 式小卫星系统应是小卫星编队飞行 。当今 ,小卫星 编队飞行正处在研究探讨和空间飞行演示验证阶 段 ,真正应用还没有开始 。下面从应用实例来说明 分布式小卫星系统技术发展水平 。
140/ 40 500
150
300～ 400 ?
150/ 85 250/ 750 125/ 265 150/ 250
215/ 277
几十～ 几百
说明
EO21 ,L S27 , Terra ,SAC2O 4 颗卫星串联编队 ,上午 10 :30 通过太阳同步轨道下降节点 。第一次进行 编队飞行控制试验 ,精度几千米
“探戈”/ “芒果”
S TEREO[ Solar Terrest rial
8
Relations Observatory ]
日地关系观测台
Space Technology23 ( ST23)
9
空间技术23
Magneto sheric Multiscale ( MMS)
10
磁层多路标定
MAX
11
X 射线天体物理学观测
Lin Laixing (Beijing Instit ute of Co nt rol Engineering , Beijing 100190 , China)
Abstract : Dist ributed Small Satellite System (DSSS) is a brand2new applicatio n field of modern small satellites , which can give f ull play to t he advantages of small satellites and at t he same time overco me t heir shortco mings1 DSSS include cluster , co nstellatio n , formatio n flying , etc1 Small satellite formatio n flying will soo n lead to a major technological revolutio n in space remote sens2 ing , deep space exploratio n and co mmunicatio n and navigatio n1 This article fir st discusses t he characteristics of small satellites and t he co ncept of dist ributed systems , followed by int roductio n to technological develop ment and key technologies , as well as p ro spect s for f ut ure applicatio ns of DSSS. Key words : small satellite ; dist ributed systems ; formatio n flying ; co nstellatio n
卫星编队飞行方式 ,使分布式小卫星系统得到进一 步的发展 。
分布式航天器系统 (也称分布式空间系统) 是当 前空间技术应用领域的一个重要研究课题 。本文中 所涉及的是分布式航天器系统中的航天器专指小卫 星 (或者轻小型航天器) 。分布式即表明需要采用数 量较多的航天器 。现代小卫星具有重量轻 、成本低 、 研制周期短等技术特点 ,这正是采用分布式系统的 物质基础和必需条件 。分布式小卫星系统具有极大
61
优势和广泛的应用前景 。
用费用会很少 。
2 小卫星的特点
3 分布式小卫星系统的概念
20 世纪 80 年代中期 ,国际上采用新技术和新 设计思路 ,兴起了小卫星热 ,20 多年来 ,全世界共发 射各种各样的小卫星近 900 颗 ,约占同期航天器发 射量的 20 %。小卫星经过 20 多年的快速发展 ,在 技术上获得了巨大进步 ,在应用上正在向全方位扩 展[1] 。
Si mbol2x 12 硬 X 射线望远镜观测黑洞任务
A spic s
13
太阳日观测
Pe ga se
14
红外干涉观测木星
Pro ba23
15
ESA 编队飞行演示
F6 ( Fut ure , Fast , Flexible , 16 Fractionated , Formation2Flying) 未来 、快速 、灵活 、模块化 、 编队飞行 、组合航天器
Vol. 19 No . 1 60
航 天 器 工 程 SPACECRA F T EN GIN EER
IN
G
第
19 卷 2010
第 年1
1期 月
分布式小卫星系统的技术发展与应用前景
林来兴
(北京控制工程研究所 ,北京 100190)
图 1 列出了美国 20 年来一些典型应用实例[3] , 图 2 列出了非美国 (主要是欧洲) 等 20 年来一些典 型应用实例[3] 。这些图片比较形象地描述了分布式 小卫星系统在各方面应用的概况 。图 1 和图 2 有关 小卫星编队飞行各种具体型号任务内容见表 1 。
因为上述要求测量和控制的精度太高 ,而且使 用编队飞行航天器个数多 ,技术难度大 ,对表 1 所列 的任务规划 ,只能作概念和粗略了解 。图 3 列出了 欧洲分布式小卫星系统的一些典型任务 ,其中包括 任务名称 、分布式规模和轨道位置控制精度要求 。 美国分布式小卫星系统的技术要求随着时间推移不 断提高 ,如图 4 所示 。
摘 要 分布式小卫星系统是现代小卫星的一个崭新的应用领域 ,它能充分发挥小卫星的优 势 ,同时也能克服小卫星的缺点 。分布式小卫星系统包括星群 、星座 、编队飞行等 。小卫星编队飞 行将在空间遥感 、深空探测 、通信导航等方面带来一场重大的技术革命 。文章论述了小卫星特点和 分布式系统概念 ,介绍了分布式小卫星系统技术发展水平和关键技术 ,以及未来的应用前景 。