航天編隊飛行與空間虛擬探測技術

1、航天編隊飛行和空間虛擬探測技術香山科學會議第206次學術討論會綜述    以“建立高效、低成本、低風險分布式天基探測系統(tǒng)航天編隊飛行和空間虛擬探測技術”為主題的206次香山科學會議學術討論會于2003年8月2628日在北京舉行。會議聘請宋健院士、中國科學院上海技術物理所龔惠興院士和中國科學院空間科學與應用研究中心姜景山院士擔任執(zhí)行主席。會議的中心議題為航天編隊飛行技術、空間虛擬探測技術、分布式合成孔徑雷達、現(xiàn)代一體化設計小衛(wèi)星等。    宋健院士首先做了“重視研究低成本小衛(wèi)星和虛擬探測技術”的報告，指出21世紀航天

2、技術的發(fā)展對于外空間的科學探測、認識宇宙，擴展生存空間、挑戰(zhàn)傳統(tǒng)物理學和天體物理學具有非常重要的意義。強調航天的作用不僅僅是認識我們地球，而是認識宇宙的不可缺少的手段。他提出了三點需要重視的問題：第一重視基礎研究，要搞編隊飛行或者是虛擬探測技術研究，都要重視基礎研究；第二加強長遠項目的研究，“編隊飛行”是一個長遠課題的研究，從近期入手，逐步到達更高的目的；第三航天技術應用研究，要向社會開放，特別是要向全國的研究機構和高等院校開放，動員社會力量逐步提高我們的航天技術，這樣使航天技術的根基更深，深入民間。    一、航天編隊飛行及空間虛擬探測技術研究現(xiàn)狀及重

3、要性    姜景山院士作了題為“航天編隊飛行及空間虛擬探測技術21世紀航天應用技術前沿”的總評述報告。他指出，編隊飛行的目的在于以多顆小衛(wèi)星編隊飛行來實現(xiàn)大衛(wèi)星才能具備的強大功能并且可以實現(xiàn)功能重組，它要求編隊中的每一顆衛(wèi)星的傳感器所獲得的信號要進行相干處理。從技術上說，實現(xiàn)編隊飛行必須以具有高度自主能力的小衛(wèi)星和特殊軌道設計為技術前提。編隊飛行與虛擬探測緊密相連，相互促進、共同發(fā)展。    編隊飛行及空間虛擬探測技術是本世紀航天技術及應用領域的前沿性、戰(zhàn)略性課題。在21世紀人類的航天活動中，編隊飛行及虛擬探測技術

4、必將發(fā)揮出越來越重要的作用。對于國家安全來說，它是我們必須爭取的21世紀航天領域的戰(zhàn)略制高點。它的發(fā)展也將對空間科學、空間技術及應用產生深遠的影響、對于空間對地觀測以及對宇宙觀測方面具有重大意義，同時可以極大地提高對地觀測以及對宇宙觀測的能力，還將極大地促進計算機、自動控制、精密定軌、星間信息交換、空間軌道設計和編隊構形設計等航天技術的發(fā)展。我國作為一個重要航天國家，應不失時機地抓住機會，縱深布局，加快研究及試驗，將有可能在這一領域與國際水平同步，為我國空間技術、國家建設及國家安全提供先進有效的戰(zhàn)略科技途徑。    迄今為止，這一技術在國際上的發(fā)展也不過

5、十幾年，而且普遍處在研究和試驗階段，美國的規(guī)劃目標是到2020年在相關領域使這一技術具備實用性。我國對這一技術的研究始于上世紀末，也已有78年的時間。如果現(xiàn)在開始有計劃地加強這一領域的研究，我國在這一領域與國際上的發(fā)展可以同步進行。到2020年時，在航天應用中將有可能廣泛采用編隊飛行技術，在提高我國航天競爭能力，提升國威方面將發(fā)揮重要作用。    二、航天編隊飛行技術    航天科技集團502所林來興研究員作了題為“航天器編隊飛行技術和應用”的評述報告。認為編隊飛行的特點是由若干顆衛(wèi)星在軌道上構成一個特定形狀，各顆

6、衛(wèi)星一方面保持這個形狀，同時又繞地球中心旋轉，各顆衛(wèi)星軌道周期都相同。編隊飛行中各顆衛(wèi)星相互協(xié)同工作，共同構成一個虛擬衛(wèi)星。報告中還論述了編隊飛行動力學和軌道設計方法。著重研究了地球軌道編隊飛行動力學模型和軌道構型，使編隊飛行既能滿足日益發(fā)展的應用需求，又能以低燃耗長期運行（例如編隊飛行衛(wèi)星每年燃耗占整星重量在百分之幾以內等）。他指出以編隊飛行應用為目的的關鍵技術包括：分布式有效載荷研究、自主編隊隊形的測量和位置保持控制技術、微推力器技術、星間通信以及編隊飛行動力學和軌道構型設計軟件工具開發(fā)研究等。    航天科技集團五院總體設計部楊維廉研究員作了關于“

7、編隊飛行的軌道設計”的議題評述報告。針對當前比較有應用價值的三類編隊飛行同軌跡、同軌道面和沿同一橢圓形地面軌跡的飛行，分析了目前關于相對運動模型基礎Hill方程或C-W方法很難分析軌道攝動影響的局限性，提出一種利用衛(wèi)星相對位置與軌道平根數(shù)的關系研究這些類型編隊的軌道設計方法，并對這三種編隊飛行的軌道參數(shù)進行了計算。為了減小攝動引起的隊形演變，他提出在軌道設計時應選擇某顆星與虛擬衛(wèi)星的軌道共面或具有相同的軌道傾角，從而使所有軌道傾角偏置的最大值最小。    中國科學院計算技術研究所王貞松研究員的報告題目為“衛(wèi)星自主處理及運行技術”，對星上需要自主處理的內容

8、如衛(wèi)星的姿態(tài)控制、太陽能帆板的控制、編隊衛(wèi)星的隊形保持、軌道間距、姿態(tài)一致性控制、衛(wèi)星間通訊與信號的處理、有效負載部分如自動增益控制、遙感信號實時處理等進行了分析。并初步計算了二星編隊飛行后的距離分辨率和方位向分辨率，說明了合適的編隊可以使分辨率得到提高。    三、空間虛擬探測技術    中國科學院空間科學與應用研究中心張云華研究員作了“空間虛擬探測技術及其發(fā)展趨勢”的議題評述報告，分析了空間虛擬探測技術需要解決的理論問題，并圍繞著這些問題闡述了空間虛擬探測技術的基本原理和實現(xiàn)方法，并重點分析了空間虛擬技術所面臨

9、的關鍵技術突破，包括為適應虛擬技術需要而進行的編隊飛行技術、完成虛擬探測的數(shù)據(jù)處理技術等。在闡述空間虛擬探測技術時，以子孔徑信號處理方法、超分辨率算法、外推插值技術、發(fā)射信號波形分解與綜合技術等多種技術與方法說明實現(xiàn)空間虛擬探測技術的可能性并討論了空間虛擬探測系統(tǒng)的設計方法。    中國科學院空間科學與應用研究中心都亨研究員作了“編隊飛行在空間科學探測中的應用”的議題評述報告。報告從空間科學探測的角度，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過多個探測器形成的干涉測量。而現(xiàn)在編隊飛行提供了實現(xiàn)長基線干涉的有效方法，尤其編隊飛行航天器之間的

10、距離（即基線長度）可以根據(jù)需要進行調節(jié)，更是編隊飛行獨特的優(yōu)勢。編隊干涉可以應用在從X射線到微波的所有波段上，觀測目的不同，探測器的數(shù)目（編隊航天器的數(shù)目）從2個到數(shù)十個不等，因而具有廣闊的前景。對于空間的大尺度現(xiàn)象，也需要在超長的距離上安置設備，進行編隊測量。    中國科學院空間科學與應用研究中心吳季研究員“綜合孔徑微波輻射成像技術”的中心發(fā)言介紹了微波輻射計的工作原理，分析了將其用于星載對地觀測時的主要困難是需要通過增大探測器天線的物理孔徑來獲得較高的空間分辨率。提出了目前獲得大孔徑天線的兩種做法：一是利用較小的單元天線，在不同的地點分時測量，然后

11、再進行孔徑綜合；二是將大孔徑進行有效稀疏，用點陣列上的小單元天線代替大孔徑。    四、分布式合成孔徑雷達    國防科技大學電子科學與工程學院梁甸農教授作了“分布式合成孔徑雷達技術的發(fā)展及策略”的評述報告。對分布式SAR的基本概念、工作原理及優(yōu)勢進行了較為詳細的分析，認為分布式雷達是一種嶄新的概念系統(tǒng)，它不僅具有小衛(wèi)星分布式航天器的共性優(yōu)勢，且因其能夠提供合適長度的基線，突破單星雷達在功率、分辨率、距離和方位模糊、測繪帶寬間的物理約束關系，極大地提高成像系統(tǒng)的自由度，從而能夠同時實現(xiàn)天基雷達的多種功能，是國內外分

12、布式航天器應用研究的熱點。對實現(xiàn)分布式SAR的關鍵技術從理論層面和技術層面進行了全面的闡述，包括子雷達間同步控制；多任務協(xié)調；滿足SAR、MTI任務的軌道構形和保持；小衛(wèi)星空間狀態(tài)精確測量；子雷達輕量化等。同時指出實現(xiàn)分布式SAR面臨很多理論和技術的困難，主要包括多任務系統(tǒng)整體性能優(yōu)化、雷達衛(wèi)星編隊協(xié)同控制、稀疏孔徑信息處理和航天器的微小型化。分布式SAR是多個學科交叉的研究領域，機遇與挑戰(zhàn)并存。    報告提出關于該項技術的研究應該基于我國國情，結合需求定位，綜合考慮我國相關技術的發(fā)展趨勢來發(fā)展我國的分布式SAR。從基礎概念研究開始，以有效載荷為中心，

13、加強各學科的相互協(xié)作攻關，分階段研究，最終實現(xiàn)分布式雷達系統(tǒng)。    北京航空航天大學周蔭清教授作了有關“空間分布式小衛(wèi)星合成孔徑雷達設計方法”的評述報告。首先討論了分布式小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)中SAR與載體一體化、載體平臺與軌道一體化、星地一體化設計的必要性。然后討論了分布式小衛(wèi)星SAR利用空間構形獲取高分辨率、大測繪帶SAR圖像，利用干涉SAR技術獲取高精度DEM圖，利用MTI技術實現(xiàn)動目標檢測和成像等功能的原理和系統(tǒng)工作模式，并簡要給出系統(tǒng)基本組成框圖。通過對系統(tǒng)的總體分析，提出分布式小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)實現(xiàn)中需要著重解決編隊構形、同步、測量與控制精度以及數(shù)

14、據(jù)處理等四個方面的關鍵技術問題。認為空間編隊構形設計是系統(tǒng)設計中非常重要的技術，也是分布式系統(tǒng)之所以不同于單顆星系統(tǒng)，能夠同時實現(xiàn)三種功能的關鍵所在。    中國科學院電子學研究所王巖飛研究員作了關于“分布式合成孔徑雷達關鍵技術分析及解決途徑”的中心發(fā)言，針對分布式合成孔徑雷達系統(tǒng)的發(fā)展，對分布式合成孔徑雷達系統(tǒng)的關鍵技術進行了分析，認為就實現(xiàn)方面還面臨著許多技術挑戰(zhàn)，必須解決分布式合成孔徑雷達的系統(tǒng)構成及工作模式，多星雷達協(xié)調工作的空間同步、時間同步、相位同步問題，以及分布式合成孔徑雷達數(shù)據(jù)綜合處理等問題。并探討解決這些問題可能的方法和途徑。 

15、;   五、現(xiàn)代小衛(wèi)星和有效載荷一體化設計    航天東方紅衛(wèi)星有限公司張永維研究員就“現(xiàn)代小衛(wèi)星發(fā)展及編隊飛行”作了評述報告，從需求牽引與技術推動的角度，首先闡述了多、快、好、省地發(fā)展中國應用小衛(wèi)星的必要性，提出打破傳統(tǒng)的設計思路與設計概念的重要性。認為“分布式星座”或“編隊飛行”的需求引出了新概念、新體系，對航天器功能和數(shù)量都提出更高的要求。根據(jù)不同的用途，對航天器設計提出的主要要求是：系統(tǒng)任務分析與實現(xiàn)的頂層設計技術、衛(wèi)星群隊形保持技術、空間無線網絡技術等。提出中國的航天工業(yè)部門從一開始就遵循需求牽引和技術推動的發(fā)展宗

16、旨，定位于為國民經濟服務和國家安全服務。要針對潛在的任務需求，做出深入細微分析；鑒于國內技術的工藝和材料水平，通過轉變設計思路和打破傳統(tǒng)衛(wèi)星的分系統(tǒng)的界線，轉變服務意識，為用戶著想、為有效載荷開發(fā)創(chuàng)造盡可能的寬松的環(huán)境，讓用戶在最短時間內用上屬于自己的衛(wèi)星。    中國科學院空間科學與應用研究中心胡行毅教授作了題為“小衛(wèi)星編隊飛行的地面運控管理技術綜述”的議題評述報告。報告認為，小衛(wèi)星星座和編隊飛行的運控管理策略要以自主為主導、地面系統(tǒng)支持為輔助的手段。星上自主能力是基于很強的星上觀測處理與決策能力，使衛(wèi)星能自主導航定位、位置保持、自主管理調整與修復或重

17、組等以及具備星間鏈路的支持。    清華大學尤政教授針對“納型衛(wèi)星編隊飛行設計”作了報告。報告在總結國內外納星技術發(fā)展的基礎上，提出納型衛(wèi)星技術的兩個主要發(fā)展方向，一是向更小、功能密度比更高的方向邁進；一是納型航天器已經成為衛(wèi)星組網技術飛行試驗以及基于編隊飛行的“虛擬衛(wèi)星”的主要載體。報告結合國家863領域與清華大學共同支持研制的納型衛(wèi)星，提出了進行我國納型衛(wèi)星編隊飛行的方案及其經濟可行性分析。       與會專家對我國編隊飛行及空間虛擬探測技術的發(fā)展與應用提出如下建議：  

18、;  1、我國正在制定到2020年的中長期發(fā)展規(guī)劃，各行各業(yè)都在考慮規(guī)劃。建議在戰(zhàn)略高技術的規(guī)劃中把編隊飛行及相關技術的發(fā)展列為一項重大科技專項。在2005年前開展關鍵問題研究并為作演示驗證作準備；在2010年以前根據(jù)條件進行若干飛行試驗；在“11.5”計劃中安排相應的型號或專項試驗；在2020年前全面開展實質性研究，在部分應用領域（如對地觀測和科學探測）進行系統(tǒng)試驗，同時取得一定的應用成果。    2、在我國載人飛行第二階段“空間實驗室”任務中，以空間實驗室為核心進行編隊飛行及空間虛擬探測試驗，并把這一項目作為載人第二期的重要應用目

19、標之一。（關于此建議已有專門報告及技術實現(xiàn)方案）    3、考慮新的型號任務時，在不影響主任務的前提下，安排編隊飛行的可能性，力爭在有些序列衛(wèi)星中作關鍵技術試驗（如SAR系列衛(wèi)星）。    4、發(fā)射專門作編隊飛行的小衛(wèi)星或納衛(wèi)星，進行相關試驗及應用試驗。    5 、在國家重大研究計劃中將編隊飛行及空間虛擬探測技術相關研究項目作為一項前瞻性、戰(zhàn)略性課題來布局研究。如863航天航空領域、973計劃。或作為專項安排。     &#

20、160;      （李增惠2003年11月12日）        參會人員名單：    宋健  院士        中國工程院    龔惠興  院士        中科院上海技物

21、所    姜景山  院士        中科院空間中心    王貞松  研究員      中科院計算所    尤政  教授        清華大學    周蔭清

22、  教授        北京航空航天大學    魏鍾銓  研究員      中國航天科技集團公司    張永維  研究員      中國航天科技集團公司    楊維廉  研究員  

23、    501部    周志鑫  研究員      總參二部航天偵察局    王巖飛  研究員      中科院電子所    張云華  研究員      中科院空間中心  

24、0; 劉和光  研究員      中科院空間中心    許可  研究員      中科院空間中心    孫家棟  院士        中國航天科技集團公司    張履謙  院士 &

25、#160;      中國航天科技集團公司    屠善澄  院士        中國空間技術研究院    楊嘉墀  院士        中國空間技術研究院    李濟生  院士  

26、      總裝備部科技委    王任享  院士        總參測繪所    保錚  院士        西安電子科技大學    卞國良  研究員    &

27、#160; 總參二部技術局    林來興  研究員      中國航天科技集團公司    梁甸農  教授        國防科技大學    雷利卿  副研        中科院空間中心

28、60;   都亨  研究員      中科院空間中心    胡行毅  研究員      中科院空間中心    禹秉熙  研究員      中科院長春光機所    穆冬  講師 &#

29、160;      中國電子科技集團公司    李祖洪  研究員      航天五院    朱炬波  副研        國防科技大學    張曉敏  高工     &#

30、160;  航天東方紅衛(wèi)星有限公司    姜康林  研究員      中國電子科技集團公司54所    熊群力  研究員      中國電子科技集團公司    吳季  研究員      中科院空間中心    胡光鎮(zhèn)