衛(wèi)星星座運行管理方法研究

趙 娜,董 崢

(中國人民解放軍61081部隊,北京100094)

0 引言

近年來,隨著空間戰(zhàn)略地位的日益突出,衛(wèi)星星座呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢。但作為一個龐大的空間系統(tǒng),衛(wèi)星星座的運行管理是一個很大的難題。首先,衛(wèi)星數(shù)目多,不僅研制和發(fā)射費用高昂,而且維持和運行管理代價巨大。其次,系統(tǒng)的運行管理完全依賴于地面,平時的管理難度大,在特殊時期還可能出現(xiàn)無法管理的情況。再次,隨著相同功能的地面系統(tǒng)以及單個航天器能力的日益提高,對星座的服務(wù)性能、長期穩(wěn)定運行能力、協(xié)同工作能力等要求也越來越高。同時由于衛(wèi)星壽命、經(jīng)費和發(fā)射能力等因素的制約,星座的建設(shè)周期很長,往往會出現(xiàn)后面的衛(wèi)星還未發(fā)射入軌,前面的衛(wèi)星已經(jīng)到壽命末期的情況。

因此,平衡星座成本與性能、降低運行維持代價、提高星座的穩(wěn)定運行、協(xié)同工作與自主生存能力是星座運行管理的主要目標(biāo),這就需要從星座控制維持、備份和部署、自主導(dǎo)航和星座監(jiān)測等方面尋求有效的技術(shù)途徑。

1 星座構(gòu)型維持方法

目前星座構(gòu)型維持方法主要有2種:站位維持方法和攝動補(bǔ)償方法。

維持星座構(gòu)型通常采用站位維持的方法,即對衛(wèi)星進(jìn)行主動控制,將衛(wèi)星的絕對或相對位置維持在設(shè)計位置,當(dāng)衛(wèi)星運行超出該允許漂移范圍時,才對衛(wèi)星進(jìn)行控制。為了保持星座的長期穩(wěn)定性和連續(xù)性,在星座設(shè)計時需要選擇具有較好容錯性和較大容許偏差量的星座構(gòu)型,使得星座具有一定的降價運行能力,并且衛(wèi)星偏離標(biāo)稱軌道一定范圍時也不會影響星座的服務(wù)性能。星座構(gòu)型保持是星座中所有衛(wèi)星的整體控制,在控制時必須注意衛(wèi)星之間完成任務(wù)的整體性和協(xié)同性,衛(wèi)星軌道控制在控制參數(shù)、控制量和控制精度的要求上都發(fā)生了變化,因此必須從星座空間結(jié)構(gòu)、任務(wù)需求、協(xié)同控制和性能影響等方面綜合考慮。同時,星座構(gòu)型保持控制時還應(yīng)根據(jù)衛(wèi)星的覆蓋特性、過頂時間、最大不可視時間以及健康狀況等信息確定具體的控制策略和控制方法。

通常認(rèn)為,編隊飛行的各衛(wèi)星之間有動力學(xué)聯(lián)系和約束條件;而星座則以單顆衛(wèi)星軌道運動為基礎(chǔ),星與星之間的動力學(xué)聯(lián)系并不緊密。事實上,由于星座的特殊結(jié)構(gòu),使得衛(wèi)星之間也存在復(fù)雜的動力學(xué)耦合關(guān)系,而這種耦合關(guān)系決定了星座構(gòu)型的整體變化趨勢,同時也使得利用攝動補(bǔ)償方法來提高星座的長期穩(wěn)定性成為可能。攝動補(bǔ)償方法通過對星座中衛(wèi)星軌道的合理選擇和參數(shù)調(diào)整來補(bǔ)償某些可預(yù)測攝動引起的星座構(gòu)型變化,從而達(dá)到保持星座整體構(gòu)型的目的。當(dāng)前世界各國研究者在星座相對運動和受攝分析方面進(jìn)行了大量的研究,經(jīng)過研究表明,地球非球形攝動和衛(wèi)星的初始位置偏差是導(dǎo)致星座構(gòu)型破壞的主要原因。因此,選擇具有較高穩(wěn)定性的軌道,同時利用攝動力的補(bǔ)償設(shè)計可以提高星座構(gòu)型的穩(wěn)定性。攝動補(bǔ)償方法是對已經(jīng)設(shè)計好的星座構(gòu)型的衛(wèi)星軌道參數(shù)的一種小量偏置手段,并不改變星座的基本結(jié)構(gòu)。通過攝動補(bǔ)償設(shè)計對軌道參數(shù)進(jìn)行調(diào)整能夠減緩攝動外力對構(gòu)型的破壞作用,使星座構(gòu)型在較長時間內(nèi)保持在容許范圍內(nèi),同時對星座入軌后偏離容許范圍的衛(wèi)星施加控制,維持星座的整體構(gòu)型,從而降低星座構(gòu)型控制代價,減少控制頻率,提高星座構(gòu)型的長期穩(wěn)定性。

經(jīng)過攝動補(bǔ)償設(shè)計后的軌道仍然有一些小偏差需要通過控制來修正,因此,采用站位維持控制和攝動補(bǔ)償設(shè)計2種方法相結(jié)合來維持星座構(gòu)型不但可以大大降低星座運行管理的成本和難度,同時還可以提高星座的可靠性和穩(wěn)定性。

2 星座備份與階段部署策略

2.1 星座備份策略與設(shè)計

在星座工作期間,為了提高整個星座的可靠性和穩(wěn)定性,一般都會準(zhǔn)備一定數(shù)目的備份衛(wèi)星,在必要時替代故障衛(wèi)星。雖然,在星座設(shè)計時通常會有一定的冗余度,即部署比滿足任務(wù)要求更多的衛(wèi)星,使得星座具備承受少數(shù)衛(wèi)星故障而不會出現(xiàn)大幅度性能下降的能力。例如導(dǎo)航星座通常要求具有在2顆衛(wèi)星失效的情況下仍然能夠提供滿足最低需求服務(wù)的能力。但為了保證星座的長期穩(wěn)定運行,最好還是用能夠正常工作的衛(wèi)星替換故障衛(wèi)星,即采用一定的備份手段來保證服務(wù)質(zhì)量。

星座的備份通常包括在軌備份和地面?zhèn)浞?種方式,而在軌備份又包括備份衛(wèi)星停泊在工作軌道上、備份衛(wèi)星運行在工作軌道上融入星座工作、備份衛(wèi)星停泊在高度較低的非工作軌道上等多種模式,這些備份模式通常每軌道面都至少備份1～2顆衛(wèi)星,這樣既能夠較快地響應(yīng)任務(wù)需求,及時將備份衛(wèi)星調(diào)整到指定位置代替故障衛(wèi)星工作,而又不需要消耗過多的能量。地面?zhèn)浞菀话阍谛亲谐霈F(xiàn)故障衛(wèi)星后發(fā)射備份衛(wèi)星,需要的時間較長,但是這種備份方式需要備份的衛(wèi)星數(shù)目少,因此也是經(jīng)常采用的方式。

考慮到衛(wèi)星的交付、發(fā)射準(zhǔn)備和調(diào)整入軌等因素,在軌備份具有對星座系統(tǒng)性能快速修復(fù)的優(yōu)勢,同時將備份衛(wèi)星集成到系統(tǒng)中工作而不是停泊在軌道上的模式,即將衛(wèi)星放置在故障概率最高的衛(wèi)星附近組成衛(wèi)星組,既能增強(qiáng)星座的可用度和覆蓋性能,又可以提高星座系統(tǒng)的修復(fù)性能,使得星座具有更高的故障冗余度。

同時可靠的星座在采用備份策略的同時,星座本身還必須具有接受某段故障修復(fù)時間的能力,以使備份衛(wèi)星能夠完成對失效星的替換。

2.2 星座分階段部署策略與設(shè)計

星座的部署不是一個短時期內(nèi)能完成的任務(wù),大多數(shù)星座都需要幾年甚至十幾年的時間才能夠最終部署完成。因此,星座構(gòu)型的分階段部署,必須考慮星座每個階段的系統(tǒng)性能,而不是以最終系統(tǒng)狀態(tài)作為優(yōu)化的唯一目標(biāo)。星座的初始構(gòu)型、中間構(gòu)型和最終構(gòu)型是相互牽連、相互制約的,在星座設(shè)計初期就應(yīng)該予以充分考慮。應(yīng)該在考慮工程實際約束的前提下最大化星座各階段子星座的功能,使其在建設(shè)過程中實現(xiàn)臺階式的性能提升,使得在部署過程中,已經(jīng)發(fā)射上天的衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的部分功能,或者能夠完全實現(xiàn)系統(tǒng)的功能只是未達(dá)到預(yù)期的水平要求。

同時在星座組網(wǎng)過程中針對每一次發(fā)射,還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行運載器的優(yōu)選。運載器選擇與星座系統(tǒng)的投資、運營計劃直接相關(guān),很大程度上影響到星座系統(tǒng)能否成功。根據(jù)星座部署總時間,衛(wèi)星的質(zhì)量、體積、衛(wèi)星操作軌道的高度、傾角,充分考慮可選用的發(fā)射場和運載器可以大大降低整個星座系統(tǒng)組網(wǎng)過程的成本和風(fēng)險。

3 星座自主導(dǎo)航與運行管理技術(shù)

星座的衛(wèi)星數(shù)目越來越多,依靠地面測控站進(jìn)行衛(wèi)星的定軌與跟蹤將難以承受其高負(fù)荷的數(shù)據(jù)傳輸與處理壓力。同時,衛(wèi)星星座如果過分依賴地面站的測控,在地面站受毀的情況下,其正常運行將難以得到保證。因此發(fā)展衛(wèi)星星座系統(tǒng)的自主性成為星座運行管理的一個重要發(fā)展方向。

目前應(yīng)用較為廣泛地星座自主導(dǎo)航方案包括天文導(dǎo)航、導(dǎo)航星導(dǎo)航以及星間相對觀測導(dǎo)航等。由于星座中的衛(wèi)星數(shù)目較多,單純采用單顆衛(wèi)星自主導(dǎo)航則會忽略星座中星間相對運動的信息。充分利用星間運動的相對運動規(guī)律,采用星間相對測量信息進(jìn)行相對自主導(dǎo)航已逐漸成為研究的熱點。

美國的第三代GPS衛(wèi)星BlockⅡR就是利用星間相對測量進(jìn)行自主導(dǎo)航的一個具體應(yīng)用,它具有交聯(lián)測距和在軌處理導(dǎo)航數(shù)據(jù)的能力。各顆衛(wèi)星使用星載處理器,計算導(dǎo)航參數(shù)的修正值,從而提供導(dǎo)航精度,增強(qiáng)自主生存能力。BlockⅡR采用一種TDMA式的測量通訊方法,設(shè)定36 s為一幀,其中每顆衛(wèi)星分配1.5 s,并采用雙頻信號測量,用來修正電離層延遲效應(yīng)。在每一幀的數(shù)據(jù)幀(Data Frame)中,每顆衛(wèi)星在自己分配的1.5 s時間里發(fā)射與自身狀態(tài)相關(guān)的參數(shù),在測距幀(Ranging Frame)中,所有衛(wèi)星進(jìn)行偽距測量。在數(shù)據(jù)幀中,各種參數(shù)進(jìn)行相互傳遞的同時,每顆衛(wèi)星計算出偽距測量值。同時每顆衛(wèi)星還可以自身估計位置和時鐘,聯(lián)合評估協(xié)方差,并利用雙向測量的結(jié)果,將星歷和時鐘進(jìn)行解耦,最終產(chǎn)生測量的距離和鐘差,這些測量值通過估計器進(jìn)行處理獲得對預(yù)存星歷的修正值。BlockⅡR能夠在軌自主更新和精化GPS衛(wèi)星的廣播星歷和星鐘A系數(shù),無需地面監(jiān)控系統(tǒng)的干預(yù)。它能夠自主運行180 d做導(dǎo)航定位服務(wù),且在第180 d時,用戶測距精度(URE)仍可達(dá)到±7.4 m。因此即使地面監(jiān)控系統(tǒng)暫時毀壞,仍能維持高精度的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位,增強(qiáng)了GPS系統(tǒng)的抗毀能力。

Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)也曾提出過采用星間觀測的自主導(dǎo)航方案。該方案運用星間測量和星地測量相結(jié)合進(jìn)行處理,用于日常星歷的修正,提高衛(wèi)星預(yù)報星歷和時鐘的精度,通過地面仿真實驗,用戶測距誤差可達(dá)到分米級(低軌星歷數(shù)據(jù)刷新率15 min,高軌2 h)。因此對于利用星間測量的星座的相對定位方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)星座的自主生存,還能通過提高日常星歷的精度來提高用戶的定位精度,從而提升整個導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。

基于星間鏈路信息的星座自主導(dǎo)航,不能修正星座整體旋轉(zhuǎn)誤差、地球自轉(zhuǎn)非均勻誤差和極移參差,致使星座難以長時間自主運行。X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)以脈沖星輻射的X射線信號作為外部信息基準(zhǔn),能夠高精度地確定衛(wèi)星軌道、時間和姿態(tài)參數(shù),不存在星座整體旋轉(zhuǎn)誤差累積問題,為星座自主導(dǎo)航技術(shù)研究提供了一種新的思路和實現(xiàn)途徑。

4 太空“交通”實時監(jiān)測與管理

隨著各國太空資源開發(fā)利用步伐的不斷加快,多年來,世界各國的航天專家已經(jīng)不止一次發(fā)出警告:在近地軌道日漸擁擠的情況下,難免會發(fā)生航天器相互碰撞、產(chǎn)生大量危險太空垃圾的事件。因此,加強(qiáng)太空“交通”實時監(jiān)測與管理也應(yīng)成為星座運行管理的重要內(nèi)容之一。

為了確保星座的安全穩(wěn)定運行,首先要加強(qiáng)對太空中各類物體的監(jiān)測,使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測高軌道,用雷達(dá)探測低軌道,對各種飛行物進(jìn)行監(jiān)測,對星座安全構(gòu)成威脅的飛行物進(jìn)行軌跡分析和預(yù)警,及時制定相應(yīng)的應(yīng)對方案。其次當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障無法修復(fù)時,應(yīng)根據(jù)衛(wèi)星狀況和任務(wù)需求等信息及時建立處置策略,使其不會影響整個星座的正常穩(wěn)定工作。此外,加厚衛(wèi)星的外殼,可以增強(qiáng)其抗撞擊的能力,同時還可以在未來的衛(wèi)星上裝備預(yù)警系統(tǒng),使之預(yù)先發(fā)現(xiàn)危險并主動改變軌道,從而免遭碰撞。

5 結(jié)束語

隨著衛(wèi)星星座的迅猛發(fā)展,為了確保星座長期高可靠、高性能穩(wěn)定運行,完善的運行管理策略是必不可少的。主要從星座維持控制、備份與階段部署、自主導(dǎo)航和太空“交通”實時監(jiān)測4個方面論述了衛(wèi)星星座運行管理策略和技術(shù)方法。在不斷完善和提高星座運行管理策略和技術(shù)的同時,國家從整體利益出發(fā)制定政策規(guī)劃也是非常重要的,只有將衛(wèi)星星座運行管理置于國家戰(zhàn)略的高度進(jìn)行協(xié)調(diào)部署,才能保證衛(wèi)星星座的長期穩(wěn)定運行。

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