王利利 馬海磊

摘 要：多個飛行器協(xié)同開展空間任務時，飛行器和飛行器之間、飛行器內部部件之間要進行數(shù)據(jù)和有關信息的交互，因此空間網絡的發(fā)展也將會影響飛行器的發(fā)展，空間網絡與在地面構建的網絡差別很大，在空間中，在空間網絡的建立、維修、差錯處理時，人不能及時的實際介入，空間網絡節(jié)點必須能夠自主處理上述出現(xiàn)的問題，隨著飛行器的發(fā)展，新型空間網絡體制也將隨之變的更自主、更智能。

關鍵詞：飛行器；衛(wèi)星；發(fā)展

1. 引言

傳統(tǒng)的飛行器普遍外形龐大，功能復雜，研發(fā)周期長，這就導致飛行器還沒有完成發(fā)射升空，就出現(xiàn)一些零部件老化，加上傳統(tǒng)的飛行器物理結構一體化，飛行器內部結構之間相處牽制，相互制約，在飛行器的制造過程中，一個小部件損壞或者一件運行軟件出現(xiàn)問題，將會導致整個飛行器的癱瘓，傳統(tǒng)飛行器的弊端推動了新型優(yōu)化的飛行器的發(fā)展。

2. 飛行器的概述和發(fā)展

由于傳統(tǒng)的飛行器體型龐大且容易出現(xiàn)部件老化，為了防止研究多年的飛行器在飛行時出現(xiàn)問題，所以飛行器一個相同的部件要配備好多份，從而會使飛行器體積龐大、結構功能十分混亂、制造成本也比較高。隨著信息時代的到來，航空航天技術也取得了很大的進步，隨之也出現(xiàn)了許多新型的飛行器。若使飛行器在空間系統(tǒng)變得靈活、自主、高效，飛行器需進一步向模塊化、標準化、系列化的方向發(fā)展。

在小衛(wèi)星分類中，納衛(wèi)星的質量為1—10kg，皮衛(wèi)星的質量為01—1kg，1999年美國斯坦福大學湯姆肯尼（Tom Kenny）教授根據(jù)多年對皮衛(wèi)星研究積累的經驗，提出了一種新概念的皮衛(wèi)星，質量為1kg，結構尺寸為10cm*10cm*10cm的正立體，這種皮衛(wèi)星被稱為立方體星，又稱為1個立方體星單元（1U），由若干個單元（n U）可以組成納衛(wèi)星。

飛行器的模塊化用了物理分離技術，采用無線傳輸方式和編隊飛行模式，構成邏輯上一體化的飛行器，其中立方體星在飛行器的模塊化中起到了尤為至關的作用，邏輯上一體化的飛行器是由許多立方體星構成的或者飛行器自身的某些部件是由立方體星構成的，立方體星的標準化、模塊化、易于技術更新、研制周期短，研制成本低等優(yōu)點使得其在飛行器中的應用變得尤為廣泛。

3. 衛(wèi)星網絡的簡單介紹

衛(wèi)星網絡是由空間中飛行的飛行器、飛行器的構成元件、地面站為網絡節(jié)點組成的空間網絡，它和地面的網絡不同，衛(wèi)星網絡的網絡節(jié)點運動方式獨特、網絡規(guī)模少、網絡節(jié)點和網絡節(jié)點間距離比較大、可靠性要求嚴格。同時衛(wèi)星網絡還具有四大特征：自發(fā)現(xiàn)——自組織網絡的網絡節(jié)點可以自動檢測到周圍空間中的網絡信號；自配置——網絡節(jié)點和網絡節(jié)點間的通信鏈路能夠自動建立，多個網絡節(jié)點可以構成一個網絡拓撲關系圖；自運行——衛(wèi)星網絡可以使數(shù)據(jù)通信服務更高效，而且對網絡運行狀態(tài)變化的隨機性也比較適應；自保護——空間自組織網絡采用安全通信協(xié)議進行自保護，包括身份認證和安全數(shù)據(jù)通信。

根據(jù)網絡的作用域和性質可將衛(wèi)星網絡分為三層結構：星內自組織網絡、集群自組織網絡和星地互聯(lián)自組織網絡。

（1）星內自組織網絡圖：

（2）集群自組織網絡圖：

（3）星地互聯(lián)自組織網絡圖：

在航空航天領域中，集群自組織網絡應用的極為廣泛，集群自組織網絡還包括一系列的網絡體系結構、網絡協(xié)議等，在此不作深入講述。

4. 飛行器和衛(wèi)星網絡的發(fā)展前景

飛行器和衛(wèi)星網絡的發(fā)展，可以用F6計劃很好的體現(xiàn)，F(xiàn)6計劃是美國國防高級研究計劃局（DARPA）正在進行的一項新研究，F(xiàn)指的是——Future、Fast、Flexible、Fractionated、Free-Flying，音譯過來為：“未來、快速、靈活、模塊化、自由飛行”。

傳統(tǒng)的飛行器質量、體積非常龐大，通常由衛(wèi)星組成，F(xiàn)6計劃是一種新型的衛(wèi)星系統(tǒng)，它的構想是圍繞使命任務， 采用了模塊化和組合的概念，把一個飛行器的數(shù)據(jù)加工、能量配置、定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理等功能單元，優(yōu)化拆分為多個模塊，而不是把飛行器相互嵌套的分系統(tǒng)進行機械式分離。分離模塊在功能上相當于是一顆衛(wèi)星，每個模塊都帶有在空間執(zhí)行任務的相關數(shù)據(jù)信息和能源，采用模塊分離、編隊飛行、數(shù)據(jù)交換和能源交換方式，功能上相互補充，能源上相互共享，形成一個邏輯上龐大的衛(wèi)星來完成特定的任務。F6計劃是把傳統(tǒng)衛(wèi)星上的重要部件將各自形成一個個單獨的小衛(wèi)星， 在主衛(wèi)星附近飛行，這些小衛(wèi)星一般由立方體星或者立方體星構成的納衛(wèi)星組成，多個立方體星可以構成一個星群，在這個星群中使用的衛(wèi)星網絡是集群自組織網絡， 如果某個立方體星出現(xiàn)問題， 新立方體星將會對它進行補充替換。

F6計劃共分為4個階段：

①計劃著重開發(fā) F6 項目中的五項關鍵技術，它們分別為：功能完備的網絡技術、可信傳輸?shù)臒o線通信技術、分布式計算技術、能源傳輸技術和衛(wèi)星自主控制導航技術。

②運用分離模塊化的思想進行設計F6計劃，力爭可以讓F6執(zhí)行與國家安全相關的航天任務。

③在制造過程中對成本進行優(yōu)化，綜合考慮各種風險，把制造傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)的費用和采用模塊化分離后的衛(wèi)星系統(tǒng)的費用進行比較。

④設計一個試驗平臺，利用相關技術對具有分離的模塊系統(tǒng)進行半實物模擬。

飛行器的分離模塊化是近代設計飛行器的新方法，它可以高效的完成空間各種飛行任務。為了將分離模塊化的概念進一步具體化， F6計劃打算設計開發(fā)分離模塊飛行試驗系統(tǒng)，從而對相關技術進行具體演示，進而讓這種新概念更清晰具體，具體化其潛在的巨大價值。模塊化的飛行器在未來的航空航天和軍事領域中，將會得到更為廣泛的進步和發(fā)展。

“分離模塊飛行器” 的核心技術是無線傳輸技術， 它包括各模塊間數(shù)據(jù)的傳輸和能源的傳輸。無線數(shù)據(jù)傳輸技術發(fā)展的比較快，在很多領域都已應用。在 F6 計劃中， 要想實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，適用于太空環(huán)境下無線傳輸?shù)木W絡協(xié)議的建立是至關重要的， 它可以使模塊間的無線通信變得安全可靠。

在F6計劃中，如果衛(wèi)星各組成模塊分離，在模塊數(shù)量眾多的情況下，如何管理這些眾多的分離模塊，成為非常重要的問題。通常將模塊設計成通用或標準模塊，通過對這些模塊采用不同的組合方式形成不同的系統(tǒng)，并不對每種系統(tǒng)進行單獨設計，模塊之間通過無線連接，F(xiàn)6設計的原理是“功能分解，結構分離，無線連接，編隊飛行”，從而將多模塊有效的進行管理。

5.應用前景

模塊化的飛行器系統(tǒng)將會應用越來越廣泛，其實它在邏輯功能上相當于一顆大衛(wèi)星， 本質上它把傳統(tǒng)的飛行器在質量上進行分解，從而使風險降低，衛(wèi)星技術將會朝著模塊化的方向發(fā)展。分離模塊化的飛行器和集群自組織網絡相結合，在間接遙控技術和相對定位與導航方面有了很大的發(fā)展。F6 計劃是由美國在2007年提出的，近幾年得到了很快的發(fā)展，如果F6 計劃取得成功，無論是在軍用、民用、還是在商業(yè)領域中，都將會得到廣泛的應用，同時新型航天技術將會開辟出一片新天地。