第1章 緒論
微小衛(wèi)星是20世紀80年代末期隨著微電子、微機械、計算機、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。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)用于對地遙感、特種通信、空間環(huán)境探測以及空間科學(xué)試驗等諸多領(lǐng)域，成為軍用、民用衛(wèi)星中的重要成員[1]。進入21世紀以來，伴隨各種新的設(shè)計理念、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)爭和自然災(zāi)害具有突發(fā)性和局域性的特點，即使龐大的空間系統(tǒng)也難以實現(xiàn)對事件突發(fā)區(qū)域的完全覆蓋，且耗資巨大；同時，隨著反衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，空間系統(tǒng)越來越脆弱，極端戰(zhàn)爭情況下，面臨被摧毀的嚴重威脅�？臻g快速響應(yīng)就是針對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)急增強和被毀后快速重建的必備手段，空間快速響應(yīng)就是針對突發(fā)事件快速構(gòu)建應(yīng)急空間系統(tǒng)，實現(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，在空間快速響應(yīng)領(lǐng)域具有不可替代的作用，已成為一類維護國家安全和保障經(jīng)濟社會發(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
關(guān)于微小衛(wèi)星的分類國際上尚沒有統(tǒng)一的標準，目前國際上普遍認同的是英國薩瑞大學(xué)對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)用實現(xiàn)一種或幾種特定功能，也可以通過組網(wǎng)、編隊或集群飛行等構(gòu)成分布式衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)大衛(wèi)星的功能或完成單顆大衛(wèi)星難以實現(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。
(1)功能密度高
微小衛(wèi)星從設(shè)計方法上打破了傳統(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)進行高度融合，通過星上資源和信息共享實現(xiàn)系統(tǒng)共用；同時采用硬件軟件化、軟件無線電等技術(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到40%以上[3]。
微小衛(wèi)星所采用的部組件基于微電子、微機械、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)計制造工藝，不僅能夠?qū)�機械部件像電子電路一樣進行集成，而且可以把傳感器、執(zhí)行機構(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機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)星運行環(huán)境特殊，入軌后一旦出現(xiàn)故障將很難進行在軌維護。因此，為提高系統(tǒng)的可靠性，在傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計中大量應(yīng)用高等級器件，并采用硬件的備份和冗余設(shè)計；在研制過程中需要研制電性星、初樣星、正樣星等進行的大量的地面試驗驗證，急劇增加了研制費用。同時，由于運載器的發(fā)射能力和衛(wèi)星的需求很難匹配，一般來講運載能力要高于衛(wèi)星發(fā)射的需求，造成運載能力的浪費，增加了發(fā)射費用。
傳統(tǒng)衛(wèi)星的研制和發(fā)射費用高昂，使得衛(wèi)星產(chǎn)品難以像飛機、汽車等產(chǎn)品那樣實現(xiàn)批量化，通常采用定制方式進行研制，所采用的部組件需要單獨設(shè)計生產(chǎn)，同時進行大量的測試與試驗，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)星功能相對簡單，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，不至于使整個系統(tǒng)報廢，顯著降低了系統(tǒng)風(fēng)險。因此，微小衛(wèi)星可以采用創(chuàng)新的設(shè)計理念，大量應(yīng)用低等級器件，通過系統(tǒng)資源和信息的共享與融合，簡化系統(tǒng)配置，降低研制成本。同時，通過采用數(shù)字化設(shè)計和虛擬試驗等手段，可以在設(shè)計階段及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的缺陷，簡化研制流程，節(jié)省試驗費用。另外微小衛(wèi)星可以采用搭載或一箭多星的方式發(fā)射，也可以采用小型運載器發(fā)射，能夠充分挖掘和利用運載能力，顯著降低發(fā)射費用。
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)品的標準化、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)星采用定制方式進行設(shè)計與研制，飛行任務(wù)確定后，需要進行任務(wù)分析與設(shè)計、方案論證與設(shè)計，然后進行部組件設(shè)計、研制、測試與試驗，繼而還要進行整星電性能聯(lián)試、初樣星設(shè)計、研制、測試與試驗、與工程系統(tǒng)對接試驗、正樣星設(shè)計、研制、測試與試驗以及發(fā)射場技術(shù)陣地和發(fā)射陣地的測試與發(fā)射準備等，研制周期長，遠遠不能適應(yīng)微小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的需求。
在產(chǎn)品標準化、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行快速集成(包括與有效載荷的快速匹配)，采用智能化測試方法進行快速測試，采用虛擬試驗與驗證性試驗相結(jié)合的方式代替大量的地面試驗，通過標準化接口靈活適應(yīng)多種運載器和多種發(fā)射方式實現(xiàn)快速入軌，從而大大簡化研制流程，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，在軌機動性能好，通過軌道靈活機動可實現(xiàn)目標信息的快速獲取、空間在軌服務(wù)等應(yīng)用；通過衛(wèi)星姿態(tài)的快速敏捷機動以及快速穩(wěn)定控制，能夠?qū)崿F(xiàn)同軌的多點目標成像、條帶拼接成像、立體成像以及對同一目標的重復(fù)成像等應(yīng)用。
通過組網(wǎng)、編隊和集群飛行等途徑，可顯著提高微小衛(wèi)星系統(tǒng)的時間分辨率和覆蓋區(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，實現(xiàn)單顆大衛(wèi)星難以勝任的功能和性能。
(5)技術(shù)帶動性強
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、新型空間動力、大容量數(shù)據(jù)存儲與傳輸、控制理論與方法、自動化測試、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。同時，微小衛(wèi)星的迅猛發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)化進程的加快，必將有力地帶動這些領(lǐng)域技術(shù)的快速進步和發(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)體制進行空間飛行試驗驗證的重要載體，對于加速航天領(lǐng)域的新成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，推動航天裝備建設(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世紀剛剛興起的一類針對突發(fā)事件、具備空間信息快速支持能力的小型、廉價戰(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，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)化的研制流程實現(xiàn)快速研制。以衛(wèi)星產(chǎn)品體系的標準化模塊為基線進行快速設(shè)計，以軟硬件即插即用的方式進行快速集成；采用自動化測試方法，提高測試效率，縮短測試時間；采用虛擬試驗和檢驗性試驗相結(jié)合的方法，精簡試驗矩陣，縮短試驗時間。
快速響應(yīng)微小衛(wèi)星通過標準化接口可適應(yīng)多種運載和發(fā)射方式，通過簡化發(fā)射流程、采用狀態(tài)自主檢測的方法實現(xiàn)快速發(fā)射，特別是可以采用小運載車載機動發(fā)射。入軌后采用嵌入式自主測試方法，快速確認和建立衛(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)星主要針對突發(fā)事件提供信息保障，一般來講設(shè)計壽命較短，通常為幾個月，因此可以采用商用貨架產(chǎn)品(COTS)和低等級器件降低成本；同時，易于建立標準化產(chǎn)品體系，通過產(chǎn)品的批量化進一步降低研發(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，可以針對突發(fā)事件的地點選擇低傾角軌道，實現(xiàn)第一軌即投入應(yīng)用的目的，同時增加對目標的重復(fù)觀測次數(shù)(太陽同步軌道對同一目標的觀測次數(shù)最多為2次/天，而低傾角軌道的觀測次數(shù)可達到2~4次/天)。
快速響應(yīng)微小衛(wèi)星具有自主運行管理、自主任務(wù)規(guī)劃、在軌信息處理等功能以及姿態(tài)敏捷機動控制能力，以此實現(xiàn)多模式成像等復(fù)雜任務(wù)。由于這種高自主性，衛(wèi)星運控管理簡單，可以實現(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，以及星地數(shù)傳、中繼數(shù)傳等鏈路。對于在境外獲取的應(yīng)急信息可通過中繼鏈路及時傳回國內(nèi)或經(jīng)過星上處理后直接傳給用戶；經(jīng)過星上處理識別后的情報信息，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，還可配備機動接收站實現(xiàn)信息的快速處理和分發(fā)；同時分布廣泛的地面移動終端和手持終端可直接接收衛(wèi)星處理后的信息，實現(xiàn)點對點式的靈活應(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 國外快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀
美國于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計劃將空間快速響應(yīng)所需能力分為三個等級(如圖1-1所示)。
圖1-1 快速響應(yīng)能力的等級劃分
第一等級為直接利用在軌衛(wèi)星實現(xiàn)快速響應(yīng)，響應(yīng)時間為0.5~24小時；第二等級為通過已經(jīng)存儲的衛(wèi)星平臺、載荷、運載等實現(xiàn)快速響應(yīng)，響應(yīng)時間為1~14天；第三等級則是采用新技術(shù)研發(fā)衛(wèi)星平臺和載荷實現(xiàn)快速響應(yīng)，響應(yīng)時間為3~12月。
根據(jù)快速響應(yīng)的三級能力需求，ORS辦公室計劃分三個階段進行實施。第一階段的目標是通過戰(zhàn)術(shù)微小衛(wèi)星彌補目前航天系統(tǒng)的情報、監(jiān)視、偵察和通信能力的不足，同時逐步驗證相關(guān)核心技術(shù)；第二階段的目標是研制和部署模塊化微小衛(wèi)星；第三階段目標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，概念自提出以來，已逐漸成為航天領(lǐng)域一個備受關(guān)注的焦點，美國陸續(xù)提出并實施了“戰(zhàn)術(shù)星”等一系列計劃用于先期的技術(shù)驗證[5]。
1.“戰(zhàn)術(shù)星”計劃
“戰(zhàn)術(shù)星”計劃(TacSat系列衛(wèi)星計劃)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，其主要目標是遵循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，驗證快速研制、快速發(fā)射衛(wèi)星的創(chuàng)新模式和機制，通過數(shù)顆快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的空間飛行試驗，有步驟、系統(tǒng)地演示驗證快速響應(yīng)空間的相關(guān)技術(shù)，以最終形成可以支援戰(zhàn)場作戰(zhàn)的實用型軍事產(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)星計劃已完成TacSat-2/3/4的研制和飛行試驗，各衛(wèi)星的主要性能見表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)計原理取自傳統(tǒng)衛(wèi)星和無人機的功能和硬件設(shè)計。該衛(wèi)星驗證的3個重要功能包括:①空中和空間設(shè)備的協(xié)作；②載荷的戰(zhàn)術(shù)控制和通過保密IP路由網(wǎng)絡(luò)(SIPRNET)的數(shù)據(jù)分發(fā)；③特殊信號情報系統(tǒng)技術(shù)。TacSat-1攜帶有分辨率分別為70m 和850m 的可見光和紅外成像儀兩個光學(xué)載荷。根據(jù)美國國防部的最初設(shè)想，一旦TacSat-1發(fā)射成功，地面部隊將可直接對星上遙感器發(fā)出指令，并通過SIPRNET獲得需要數(shù)據(jù)。但在實際發(fā)射中因多次運載火箭故障而推遲發(fā)射，直至后來發(fā)射的TacSat-2驗證了其需要驗證的部分技術(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”(Joint Warfihtin Space Demonst Rator1，JWSDR1)，是首顆實現(xiàn)在軌演示驗證的ORS衛(wèi)星，于2006年12
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