【微小卫星群系统研究现状的文献综述3700字】

微小卫星群系统研究现状的文献综述微小卫星的定义与分类如表1.1所示。微小卫星的优点主要有：(1)重量轻，体积小；(2)成本低；(3)研制周期短(通常1-2年，少至几个月)，技术更新快；(4)性能好（集成度高）；(5)快速灵活，机动性好等。是新技术试验的一条理想途径，在通信、遥感、科研、军事等领域都有着广泛的用途。在过去的几十年，微小卫星技术在国内外都取得了飞速的发展。但微小卫星也存在很多缺点，如寿命短、轨道衰减快、输出功率低、承载荷能力小、资源有限以及易产生空间碎片等。卫星编队是由一组空间分布的卫星相互绕飞组成，编队中各卫星相互保持联系、共同承担信号处理、有效载荷等任务，从而协同工作以实现单颗卫星无法实现的空间任务。根据上述描述，卫星编队飞行实际上强调的是卫星相对构形的保持和卫星测量基线的扩展。与传统卫星相比，卫星编队具有时间/空间覆盖性能好、可靠性高及适应性强等优势，成为微小卫星空间应用的重要途径和方向。卫星编队飞行的应用以合成孔径雷达(SAR)最为典型，其它比较典型的编队任务有：EO-1/LandSat-7编队、GRACE编队、TerraSAR-X/TanDEM-X双星编队、PRISMA双星编队等。卫星星座指在通信、监测、跟踪的任务需求中，由若干颗同构卫星按要求分布在单轨道或多轨道平面构成的卫星系统。星座轨道保持控制是定期的，几天或几十小时进行1次控制，周期长短决定于星座轨道摄动大小和星座位置保持精度。卫星星座的典型应用有：导航系列的美国GPS、俄罗斯GLANSS和中国“北斗”等，通信系列的美国“全球星”（Globalstar）和“铱”（Irid-ium）星等。星群是根据空间飞行任务要求，设计各颗卫星在轨位置，当卫星发射成功以后，在运行时期不需要进行轨道操作，各卫星若受轨道摄动，所产生的位置变化也不影响飞行任务的完成。即星群无需外加控制系统，也无需轨道操作。星群大部分用于空间环境参数的观测任务，因为卫星工作有一定寿命，在这段时间卫星因轨道摄动，引起卫星位置变化不影响任务完成。近年来，随着深空探测等任务的发展，提出了通过成百上千颗微小卫星构成大规模微小卫星群实现小行星带探测的航天任务。在严酷的空间环境中，大部分成员会在穿过小行星带时被毁坏。因此，组成卫星群的成员数量的增多也提高了系统对单颗卫星故障的容错能力，进而提高了系统的可靠性。下面从任务背景方面，针对与本文微小卫星群协同控制，尤其是姿态包容控制和轨道包容控制的应用背景相关的几种典型微小卫星群的飞行任务，进行简要介绍。表1-1小卫星的分类[[]林来兴,张小琳.现代小卫星与大众化空间时代[J].航天器工程,[]林来兴,张小琳.现代小卫星与大众化空间时代[J].航天器工程,2015(03):75-84.[]闻新,张兴旺.现代小卫星领域的发展现状分析[J].沈阳航空航天大学学报,2013,30(005):33-36.Table1-1Classificationofsatellites分类质量成本研制周期应用概况小卫星(Smallsat)100-500kg少于几千万美元2~5年取代大部分应用大卫星；部分导航星座；部分对地观测星座；部分深空探测器；编队飞行用于空间技术飞行试验微卫星(Microsat)10-100kg少于几百万美元1~2年基本与小型卫星相同，区别仅是其应用规模较小纳卫星(NanoSat)1-10kg少于百万美元≤1年可以廉价实现对地观测任务；廉价、及时提供各种空间技术飞行试验皮卫星(Picosat)0.1-1kg少于几十万美元几个月廉价及时提供各种空间技术飞行试验；廉价实现中等精度对地观测星座，可及时获得高空间分辨率和高时间分辨率飞卫星(Femtosat)0.01-0.1kg少于几万美元几周处于研究和试验阶段，如印刷电路板卫星(PCBSat)、芯片卫星(ChipSat)、精灵卫星(Sprite，美国康奈尔大学，重5g)1)ANTS(AutonomousNanoTechnologySwarm)系统ANTS系统由1000颗重1kg的皮星组成，其任务是探索和勘测介于火星和木星轨道之间的小行星带[[][]闻新,朱诗嘉,张帆.未来NASA的群卫星系统分析与展望[J].中国航天,2012,000(003):34-36.ANTS是群卫星体系结构，其等级划分包括“队”和“群”，“群”以及“子群”等。不同卫星装载的仪器不同，所以需要协同工作和信息共享才能更好地完成任务。群卫星系统包含三种类型的卫星：“Worker”，“Ruler”，与“Messenger”，如图1-1所示。其中，“Ruler”自主进行任务规划，并通过“Messenger”将该规划传递给各位“Worker”，然后“Worker”按照指定的任务进行小行星目标搜寻和勘探。当某个“Worker”发现了指定小行星后，将把粗略的信息发送给“Ruler”，若“Ruler”判断后认为该小行星值得深入探索，则通过“Messenger”发送命令指派更多“Worker”进行目标小行星探测。在ANTS系统中，80%的卫星是“Worker”，大约70％的“Worker”会在穿过小行星带时被毁坏。这主要是由于它们非常有限的变轨能力无法有效规避卫星之间及卫星与小行星的碰撞。这需要微小卫星群系统队形重构能力强，自恢复能力好等条件。图1-1ANTS/PAM任务示意图Fig.1-1DiagramofANTS/PAMMission2)“F6”计划2007年，美国DARPA提出并开始实施F6系统（Future，Fast，Flexible，Fractionated，Free-FlyingSpacecraftunitedbyInformationexchange，SystemF6）计划，主要目的是突破传统整体式卫星结构，建立一种“功能分解、结构分离、无线连接、编队飞行”的分离集群式卫星体系，并对无线数据连接、无线能量传输等技术进行在轨验证[[]刘豪,梁巍.美国国防高级研究计划局F6项目发展研究[J].航天器工程.2010,19(2):92-98.][]刘豪,梁巍.美国国防高级研究计划局F6项目发展研究[J].航天器工程.2010,19(2):92-98.3)突破摄星(BreakthroughStarShot)计划2016年4月，霍金和尤里·米尔纳宣布投资1亿美元启动突破摄星（BreakthroughStarShot）计划[[]李志杰,果琳丽,黄江川,等.光帆航天器发展现状及"突破摄星"计划关键技术[J].航天器工程,2016,25(005):111-118.]，目的是研制一款直径约10厘米、重几克的新型探测器，并让数千个这样的探测器组成星群，向距离太阳系最近的恒星半人马座阿尔法星进发，并发回图像。[]李志杰,果琳丽,黄江川,等.光帆航天器发展现状及"突破摄星"计划关键技术[J].航天器工程,2016,25(005):111-118.探测器主要由两部分构成：“星芯片”[[]Atchison,J.A.andPeck,M.A.Apassive,sun-pointing,millimeter-scalesolarsail[J].ActaAstronautica,2010,67:108-121.,[]Atchison,J.A.andPeck,M.A.LengthScalinginSpacecraftDynamics[J].JournalofGuidance,Control,andDynamics,2011,34:231-246.,[[]Atchison,J.A.andPeck,M.A.Apassive,sun-pointing,millimeter-scalesolarsail[J].ActaAstronautica,2010,67:108-121.[]Atchison,J.A.andPeck,M.A.LengthScalinginSpacecraftDynamics[J].JournalofGuidance,Control,andDynamics,2011,34:231-246.[]Barnhart,D.J.,Vladimirova,T.,andSweeting,M.N.Very-small-satellitedesignfordistributedspacemissions.JournalofSpacecraftandRockets,2007,44:1294-1306.探测器在星际飞行过程中，主要依靠太阳光提供动力，由于单位面积的太阳光压力很小，因此，星际旅行所需的动力需要足够大面积的太阳帆。在火箭发射探测器的过程中，需要把太阳帆折叠放置并送入太空。探测器在空间飞行稳定后，展开太阳帆，并提供在轨所需要的动力。太空中是真空环境，因此太阳光压力作用在探测器上能够使其不断加速，提供轨道加速度。在轨道控制的过程中，需要控制太阳帆的角度和方位，从而实现期望的轨道加速度，实现星际航行，并飞向阿尔法星。在摄星计划中，由于探测器所需的动力来自于地球上的激化发射器，因此需要在地球上建造大量的激光发射装置，为探测器脱离太阳系提供足够的动力和能量。运载火箭发射探测器入轨后，有地面上的激光发射器发射激光光束，照射在探测器上，使得探测器再次加速，提供探测器飞行的动力[[]Benford,J.StarshipSailsPropelledbyCost-OptimizedDirectedEnergy.JournaloftheBritishInterplanetarySociety,2013,66:85-109.,[]BaeYK.Prospectiveofphotonpropulsionforinterstellarflight[J].PhysicsProcedia,2012,38:253-279.,[]Slovick,B.,GangYu,Z.,Berding,M.,andKrishnamurthy,S.PerfectDielectric-MetamaterialReflector.PhysicalReviewB,2013,88:1-7.]。加速过程如图1-3所示。[]Benford,J.StarshipSailsPropelledbyCost-OptimizedDirectedEnergy.JournaloftheBritishInterplanetarySociety,2013,66:85-109.[]BaeYK.Prospectiveofphotonpropulsionforinterstellarflight[J].PhysicsProcedia,2012,38:253-279.[]Slovick,B.,GangYu,Z.,Berding,M.,andKrishnamurthy,S.PerfectDielectric-MetamaterialReflector.PhysicalReviewB,2013,88:1-7.图1-2F6系统示意图[[]王晓海.即插即用卫星系统技术研究进展（下）[J].卫星与网络,2014,000(003):56-61.[]王晓海.即插即用卫星系统技术研究进展（下）[J].卫星与网络,2014,000(003):56-61.Fig.1-2DiagramofF6systemFig.1-3BreakthoughStarshotproject4)硅片集成飞卫星(SWIFT)硅片集成飞型卫星[[]HadaeghFY,ChungSJ,ManoharaHM.OnDevelopmentof100-Gram-ClassSpacecraftforSwarmApplications[J].IEEESystemsJournal,2016,10(2):673-684.](100g)组成大型星群(Swarms)任务由美国国防先进研究计划局(DARPA)资助，NASA喷气实验室(JPL)等单位负责研制。采用众多飞型卫星(100g)组成星群，在地球低轨道飞行，如图1-4所示。该任务研究目的是由星群组成稀疏孔径阵列和空间分布式敏感器网络。星群在轨道上形成三维编队飞行。星上装有通信系统、三轴姿态和位置敏感器、星上坐标机、电源分系统、微型作用轮和一套微小型肼推进系统等。[]HadaeghFY,ChungSJ,ManoharaHM.OnDevelopmentof100-Gram-ClassSpacecraftforSwarmApplications[J].IEEESystemsJournal,2016,10(2):673-684.图1-4硅片集成飞卫星任务示意图1-5轨道彩虹Fig.1-4DiagramforSWIFTFig.1-5OrbitingRainbows5)轨道彩虹(OrbitingRainbows)轨道彩虹(OrbitingRainbows)是NASA于2012年提出的一个微小卫星星座计划，其目标是采用一系列尘埃大小的物质形成轨道云，并研究控制和维持轨道云的方法[[]QuadrelliMB,BasingerS,SwartzlanderG.Multi-ScaleDynamics,Control,andSimulationofGranularSpacecraft[C]//EuropeanNetworkforSocialandEmotionalCompetence,Zagreb,Croatia,2013,1-8.]。通过在空间部署轨道云，形成一个具有电磁特性（如光学、射频或者微波频段）的超轻物质面。受到彩虹和气溶胶中光散射和聚焦特性的启发，NASA提出一种空间光学和自主机器人系统技术[[]LermanK,MartinoliA,GalstyanA.Areviewofprobabilisticmacroscopicmodelsforswarmroboticsystems[C]//InternationalWorkshoponSwarmRobotics.Springer,Berlin,Heidelberg,2004,143-152.,[]Guizar-SicairosM,FienupJR.Phaseretrievalwithtransversetranslationdiversity:anonlinearoptimizationapproach[J].Opticsexpress,2008,16(10):7264-7278.]，用于实现一个新的空间视觉和超轻空间光学应用系统，并最后实现工程应用。一般来说，空间系统的预算是由主载荷的大小和质量决定的，轨道云通过在轨控制后，具有高重构性、高容错性和低成本的特点[[]Quadrelli,M.,Basinger,S.,Swartzlander,G.NIACPhaseIIOrbitingRainbowsGranularImager,DynamicsandControlofaDisorderedSystemInSpace,AIAASPACE2013Conference,SanDiego,CA,2013./directorates/spacetech/niac/[]QuadrelliMB,BasingerS,SwartzlanderG.Multi-ScaleDynamics,Control,andSimulationofGranularSpacecraft[C]//EuropeanNetworkforSocialandEmotionalCompetence,Zagreb,Croatia,2013,1-8.[]LermanK,MartinoliA,GalstyanA.Areviewofprobabilisticmacroscopicmodelsforswarmroboticsystems[C]//InternationalWorkshoponSwarmRobotics.Springer,Berlin,Heidelberg,2004,143-152.[]Guizar-SicairosM,FienupJR.Phaseretrievalwithtransversetranslationdi