航天编队飞行与空间虚拟探测技术.doc

航天编队飞行和空间虚拟探测技术香山科学会议第206次学术讨论会综述以“建立高效、低成本、低风险分布式天基探测系统航天编队飞行和空间虚拟探测技术”为主题的206次香山科学会议学术讨论会于2003年8月2628日在北京举行。会议聘请宋健院士、中国科学院上海技术物理所龚惠兴院士和中国科学院空间科学与应用研究中心姜景山院士担任执行主席。会议的中心议题为航天编队飞行技术、空间虚拟探测技术、分布式合成孔径雷达、现代一体化设计小卫星等。宋健院士首先做了“重视研究低成本小卫星和虚拟探测技术”的报告，指出21世纪航天技术的发展对于外空间的科学探测、认识宇宙，扩展生存空间、挑战传统物理学和天体物理学具有非常重要的意义。强调航天的作用不仅仅是认识我们地球，而是认识宇宙的不可缺少的手段。他提出了三点需要重视的问题：第一重视基础研究，要搞编队飞行或者是虚拟探测技术研究，都要重视基础研究；第二加强长远项目的研究，“编队飞行”是一个长远课题的研究，从近期入手，逐步到达更高的目的；第三航天技术应用研究，要向社会开放，特别是要向全国的研究机构和高等院校开放，动员社会力量逐步提高我们的航天技术，这样使航天技术的根基更深，深入民间。一、航天编队飞行及空间虚拟探测技术研究现状及重要性姜景山院士作了题为“航天编队飞行及空间虚拟探测技术21世纪航天应用技术前沿”的总评述报告。他指出，编队飞行的目的在于以多颗小卫星编队飞行来实现大卫星才能具备的强大功能并且可以实现功能重组，它要求编队中的每一颗卫星的传感器所获得的信号要进行相干处理。从技术上说，实现编队飞行必须以具有高度自主能力的小卫星和特殊轨道设计为技术前提。编队飞行与虚拟探测紧密相连，相互促进、共同发展。编队飞行及空间虚拟探测技术是本世纪航天技术及应用领域的前沿性、战略性课题。在21世纪人类的航天活动中，编队飞行及虚拟探测技术必将发挥出越来越重要的作用。对于国家安全来说，它是我们必须争取的21世纪航天领域的战略制高点。它的发展也将对空间科学、空间技术及应用产生深远的影响、对于空间对地观测以及对宇宙观测方面具有重大意义，同时可以极大地提高对地观测以及对宇宙观测的能力，还将极大地促进计算机、自动控制、精密定轨、星间信息交换、空间轨道设计和编队构形设计等航天技术的发展。我国作为一个重要航天国家，应不失时机地抓住机会，纵深布局，加快研究及试验，将有可能在这一领域与国际水平同步，为我国空间技术、国家建设及国家安全提供先进有效的战略科技途径。迄今为止，这一技术在国际上的发展也不过十几年，而且普遍处在研究和试验阶段，美国的规划目标是到2020年在相关领域使这一技术具备实用性。我国对这一技术的研究始于上世纪末，也已有78年的时间。如果现在开始有计划地加强这一领域的研究，我国在这一领域与国际上的发展可以同步进行。到2020年时，在航天应用中将有可能广泛采用编队飞行技术，在提高我国航天竞争能力，提升国威方面将发挥重要作用。二、航天编队飞行技术航天科技集团502所林来兴研究员作了题为“航天器编队飞行技术和应用”的评述报告。认为编队飞行的特点是由若干颗卫星在轨道上构成一个特定形状，各颗卫星一方面保持这个形状，同时又绕地球中心旋转，各颗卫星轨道周期都相同。编队飞行中各颗卫星相互协同工作，共同构成一个虚拟卫星。报告中还论述了编队飞行动力学和轨道设计方法。着重研究了地球轨道编队飞行动力学模型和轨道构型，使编队飞行既能满足日益发展的应用需求，又能以低燃耗长期运行（例如编队飞行卫星每年燃耗占整星重量在百分之几以内等）。他指出以编队飞行应用为目的的关键技术包括：分布式有效载荷研究、自主编队队形的测量和位置保持控制技术、微推力器技术、星间通信以及编队飞行动力学和轨道构型设计软件工具开发研究等。航天科技集团五院总体设计部杨维廉研究员作了关于“编队飞行的轨道设计”的议题评述报告。针对当前比较有应用价值的三类编队飞行同轨迹、同轨道面和沿同一椭圆形地面轨迹的飞行，分析了目前关于相对运动模型基础Hill方程或C-W方法很难分析轨道摄动影响的局限性，提出一种利用卫星相对位置与轨道平根数的关系研究这些类型编队的轨道设计方法，并对这三种编队飞行的轨道参数进行了计算。为了减小摄动引起的队形演变，他提出在轨道设计时应选择某颗星与虚拟卫星的轨道共面或具有相同的轨道倾角，从而使所有轨道倾角偏置的最大值最小。中国科学院计算技术研究所王贞松研究员的报告题目为“卫星自主处理及运行技术”，对星上需要自主处理的内容如卫星的姿态控制、太阳能帆板的控制、编队卫星的队形保持、轨道间距、姿态一致性控制、卫星间通讯与信号的处理、有效负载部分如自动增益控制、遥感信号实时处理等进行了分析。并初步计算了二星编队飞行后的距离分辨率和方位向分辨率，说明了合适的编队可以使分辨率得到提高。三、空间虚拟探测技术中国科学院空间科学与应用研究中心张云华研究员作了“空间虚拟探测技术及其发展趋势”的议题评述报告，分析了空间虚拟探测技术需要解决的理论问题，并围绕着这些问题阐述了空间虚拟探测技术的基本原理和实现方法，并重点分析了空间虚拟技术所面临的关键技术突破，包括为适应虚拟技术需要而进行的编队飞行技术、完成虚拟探测的数据处理技术等。在阐述空间虚拟探测技术时，以子孔径信号处理方法、超分辨率算法、外推插值技术、发射信号波形分解与综合技术等多种技术与方法说明实现空间虚拟探测技术的可能性并讨论了空间虚拟探测系统的设计方法。中国科学院空间科学与应用研究中心都亨研究员作了“编队飞行在空间科学探测中的应用”的议题评述报告。报告从空间科学探测的角度，提出了提高分辨率的重要性。由于常用的提高分辨率的方法是通过多个探测器形成的干涉测量。而现在编队飞行提供了实现长基线干涉的有效方法，尤其编队飞行航天器之间的距离（即基线长度）可以根据需要进行调节，更是编队飞行独特的优势。编队干涉可以应用在从X射线到微波的所有波段上，观测目的不同，探测器的数目（编队航天器的数目）从2个到数十个不等，因而具有广阔的前景。对于空间的大尺度现象，也需要在超长的距离上安置设备，进行编队测量。中国科学院空间科学与应用研究中心吴季研究员“综合孔径微波辐射成像技术”的中心发言介绍了微波辐射计的工作原理，分析了将其用于星载对地观测时的主要困难是需要通过增大探测器天线的物理孔径来获得较高的空间分辨率。提出了目前获得大孔径天线的两种做法：一是利用较小的单元天线，在不同的地点分时测量，然后再进行孔径综合；二是将大孔径进行有效稀疏，用点阵列上的小单元天线代替大孔径。四、分布式合成孔径雷达国防科技大学电子科学与工程学院梁甸农教授作了“分布式合成孔径雷达技术的发展及策略”的评述报告。对分布式SAR的基本概念、工作原理及优势进行了较为详细的分析，认为分布式雷达是一种崭新的概念系统，它不仅具有小卫星分布式航天器的共性优势，且因其能够提供合适长度的基线，突破单星雷达在功率、分辨率、距离和方位模糊、测绘带宽间的物理约束关系，极大地提高成像系统的自由度，从而能够同时实现天基雷达的多种功能，是国内外分布式航天器应用研究的热点。对实现分布式SAR的关键技术从理论层面和技术层面进行了全面的阐述，包括子雷达间同步控制；多任务协调；满足SAR、MTI任务的轨道构形和保持；小卫星空间状态精确测量；子雷达轻量化等。同时指出实现分布式SAR面临很多理论和技术的困难，主要包括多任务系统整体性能优化、雷达卫星编队协同控制、稀疏孔径信息处理和航天器的微小型化。分布式SAR是多个学科交叉的研究领域，机遇与挑战并存。报告提出关于该项技术的研究应该基于我国国情，结合需求定位，综合考虑我国相关技术的发展趋势来发展我国的分布式SAR。从基础概念研究开始，以有效载荷为中心，加强各学科的相互协作攻关，分阶段研究，最终实现分布式雷达系统。北京航空航天大学周荫清教授作了有关“空间分布式小卫星合成孔径雷达设计方法”的评述报告。首先讨论了分布式小卫星SAR系统中SAR与载体一体化、载体平台与轨道一体化、星地一体化设计的必要性。然后讨论了分布式小卫星SAR利用空间构形获取高分辨率、大测绘带SAR图像，利用干涉SAR技术获取高精度DEM图，利用MTI技术实现动目标检测和成像等功能的原理和系统工作模式，并简要给出系统基本组成框图。通过对系统的总体分析，提出分布式小卫星SAR系统实现中需要着重解决编队构形、同步、测量与控制精度以及数据处理等四个方面的关键技术问题。认为空间编队构形设计是系统设计中非常重要的技术，也是分布式系统之所以不同于单颗星系统，能够同时实现三种功能的关键所在。中国科学院电子学研究所王岩飞研究员作了关于“分布式合成孔径雷达关键技术分析及解决途径”的中心发言，针对分布式合成孔径雷达系统的发展，对分布式合成孔径雷达系统的关键技术进行了分析，认为就实现方面还面临着许多技术挑战，必须解决分布式合成孔径雷达的系统构成及工作模式，多星雷达协调工作的空间同步、时间同步、相位同步问题，以及分布式合成孔径雷达数据综合处理等问题。并探讨解决这些问题可能的方法和途径。五、现代小卫星和有效载荷一体化设计航天东方红卫星有限公司张永维研究员就“现代小卫星发展及编队飞行”作了评述报告，从需求牵引与技术推动的角度，首先阐述了多、快、好、省地发展中国应用小卫星的必要性，提出打破传统的设计思路与设计概念的重要性。认为“分布式星座”或“编队飞行”的需求引出了新概念、新体系，对航天器功能和数量都提出更高的要求。根据不同的用途，对航天器设计提出的主要要求是：系统任务分析与实现的顶层设计技术、卫星群队形保持技术、空间无线网络技术等。提出中国的航天工业部门从一开始就遵循需求牵引和技术推动的发展宗旨，定位于为国民经济服务和国家安全服务。要针对潜在的任务需求，做出深入细微分析；鉴于国内技术的工艺和材料水平，通过转变设计思路和打破传统卫星的分系统的界线，转变服务意识，为用户着想、为有效载荷开发创造尽可能的宽松的环境，让用户在最短时间内用上属于自己的卫星。中国科学院空间科学与应用研究中心胡行毅教授作了题为“小卫星编队飞行的地面运控管理技术综述”的议题评述报告。报告认为，小卫星星座和编队飞行的运控管理策略要以自主为主导、地面系统支持为辅助的手段。星上自主能力是基于很强的星上观测处理与决策能力，使卫星能自主导航定位、位置保持、自主管理调整与修复或重组等以及具备星间链路的支持。清华大学尤政教授针对“纳型卫星编队飞行设计”作了报告。报告在总结国内外纳星技术发展的基础上，提出纳型卫星技术的两个主要发展方向，一是向更小、功能密度比更高的方向迈进；一是纳型航天器已经成为卫星组网技术飞行试验以及基于编队飞行的“虚拟卫星”的主要载体。报告结合国家863领域与清华大学共同支持研制的纳型卫星，提出了进行我国纳型卫星编队飞行的方案及其经济可行性分析。 与会专家对我国编队飞行及空间虚拟探测技术的发展与应用提出如下建议：1、我国正在制定到2020年的中长期发展规划，各行各业都在考虑规划。建议在战略高技术的规划中把编队飞行及相关技术的发展列为一项重大科技专项。在2005年前开展关键问题研究并为作演示验证作准备；在2010年以前根据条件进行若干飞行试验；在“11.5”计划中安排相应的型号或专项试验；在2020年前全面开展实质性研究，在部分应用领域（如对地观测和科学探测）进行系统试验，同时取得一定的应用成果。2、在我国载人飞行第二阶段“空间实验室”任务中，以空间实验室为核心进行编队飞行及空间虚拟探测试验，并把这一项目作为载人第二期的重要应用目标之一。（关于此建议已有专门报告及技术实现方案）3、考虑新的型号任务时，在不影响主任务的前提下，安排编队飞行的可能性，力争在有些序列卫星中作关键技术试验（如SAR系列卫星）。4、发射专门作编队飞行的小卫星或纳卫星，进行相关试验及应用试验。5 、在国家重大研究计划中将编队飞行及空间虚拟探测技术相关研究项目作为一项前瞻性、战略性课题来布局研究。如863航天航空领域、973计划。或作为专项安排。（李增惠2003年11月12日）参会人员名单：宋健院士中国工程院龚惠兴院士中科院上海技物所姜景山院士中科院空间中心王贞松研究员中科院计算所尤政教授清华大学周荫清教授北京航空航天大学魏锺铨研究员中国航天科技集团公司张永维研究员中国航天科技集团公司杨维廉研究员501部周志鑫研究员总参二部航天侦察局王岩飞研究员中科院电子所张云华研究员中科院空间中心刘和光研究员中科院空间中心许可研究员中科院空间中心孙家栋院士中国航天科技集团公司张履谦院士中国航天科技集团公司屠善澄院士中国空间技术研究院杨嘉墀院士中国空间技术研究院李济生院士总装备部科技委王任享院士总参测绘所保铮院士西安电子科技大学卞国良研究员总参二部技术局林来兴研究员中国航天科技集团公司梁甸农教授国防