郭崇濱 夏喜旺 斯朝銘 劉沛龍 杜 陽(yáng)

1.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203 2.中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

空間任務(wù)需求的牽引使航天器對(duì)有效載荷的應(yīng)用要求不斷提高。然而其包絡(luò)尺寸、口徑、焦距等參數(shù)還是受到較大的約束。在此背景下小衛(wèi)星分布式編隊(duì)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)編隊(duì)衛(wèi)星之間在動(dòng)力學(xué)方面關(guān)系的緊密程度，分布式編隊(duì)飛行可劃分為精密編隊(duì)、知識(shí)編隊(duì)和協(xié)作編隊(duì)[3]。

表1 編隊(duì)飛行分類

精密編隊(duì)在實(shí)現(xiàn)性能突破的同時(shí)，也要求編隊(duì)衛(wèi)星自身和星間有較高的位置、姿態(tài)精度[4]。因此，實(shí)現(xiàn)星間自主的高精度相對(duì)測(cè)量和控制成為分布式衛(wèi)星精密編隊(duì)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文對(duì)分布式精密編隊(duì)衛(wèi)星研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，對(duì)編隊(duì)衛(wèi)星之間相對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行了分析和總結(jié)，并討論了星間相對(duì)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展前景。

1 分布式精密編隊(duì)衛(wèi)星研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外分布式精密編隊(duì)衛(wèi)星研究現(xiàn)狀

1.1.1 PRISMA

瑞典于2010年發(fā)射的PRISMA是歐洲較早的精密編隊(duì)項(xiàng)目，包括Mango(95 kg)和Tango(50 kg)兩顆微小衛(wèi)星，在約725 km的太陽(yáng)同步軌道上同軌串行飛行，用于驗(yàn)證至m級(jí)距離內(nèi)dm級(jí)控制精度的自主編隊(duì)、停靠、交會(huì)和逼近等技術(shù)[5]。雙星分別搭載了CNES研發(fā)的用于衛(wèi)星編隊(duì)的射頻測(cè)量系統(tǒng)(Formation Flying Radio Frequency, FFRF)，并采用相對(duì)GPS系統(tǒng)作為星間備份測(cè)量系統(tǒng)[6]。

圖1 FFRF相對(duì)位置和姿態(tài)測(cè)量原理

表2 PRISMA中FFRF測(cè)量系統(tǒng)性能指標(biāo)

1.1.2 XEUS衛(wèi)星

歐空局2008年提出的X射線反演宇宙空間光譜項(xiàng)目(X-ray Evolving Universe Spectroscopy, XEUS)計(jì)劃由2顆間距約40 m、分別安裝光學(xué)組件和探測(cè)器的衛(wèi)星精密編隊(duì)構(gòu)成的一個(gè)長(zhǎng)焦距X射線虛擬望遠(yuǎn)鏡。XEUS引入了激光測(cè)量方法，將星間測(cè)量的精度從cm級(jí)提高到了亞μm級(jí)，拓展了編隊(duì)衛(wèi)星的應(yīng)用范圍[7]。如圖2所示，主衛(wèi)星上每個(gè)激光探頭通過指向控制依次測(cè)的距離得到2顆衛(wèi)星之間的相對(duì)位置和姿態(tài)信息，性能指標(biāo)如表3所示。

圖2 XEUS測(cè)量原理圖

表3 XEUS相對(duì)測(cè)量系統(tǒng)性能指標(biāo)

1.1.3 GRACE & GRACE-FO衛(wèi)星

NASA在2002年發(fā)射的重力恢復(fù)與氣候試驗(yàn)項(xiàng)目(Gravity Recovery and Climate Experiment, GRACE)500km、星間距約100～150km的衛(wèi)星。通過星上的雙向K波段星間測(cè)距系統(tǒng)(K-band Ranging System, KBR)對(duì)星間距離進(jìn)行精確測(cè)量。其距離與速率測(cè)量精度分別達(dá)到1μm和1μm/s[8]。

GRACE的成功促使NASA和德國(guó)地球科學(xué)研究中心在2018年5月又聯(lián)合發(fā)射了GRACE-Follow On衛(wèi)星來(lái)延續(xù)之前的任務(wù)。除KBR星間測(cè)距系統(tǒng)外，新一代GRACE-FO衛(wèi)星搭載了激光測(cè)距儀，提高了各項(xiàng)測(cè)量精度[9]。

1.1.4 Proba-3衛(wèi)星

歐空局計(jì)劃于2020年發(fā)射的Proba-3任務(wù)包括1顆約340kg的追蹤星(矮星)和1顆約200kg的目標(biāo)星(日冕儀)。如圖3所示，試驗(yàn)計(jì)劃在遠(yuǎn)地點(diǎn)兩星相距約100～150m時(shí)進(jìn)行精密編隊(duì)，目標(biāo)星遮擋太陽(yáng)營(yíng)造出人造日食的景象，追蹤星收集相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3 Proba-3雙星工作示意圖

為了實(shí)現(xiàn)亞mm級(jí)星間控制，Proba-3采用的星間測(cè)量鏈路包括GPS縱向相對(duì)位置測(cè)量、星間相對(duì)切向粗測(cè)量(Coarse Lateral Sensor，CLS)以及星間相對(duì)切向與縱向精測(cè)量(Fine Lateral and Longitudinal Sensor，F(xiàn)LLS)3個(gè)環(huán)節(jié)[10]。

表4 Proba-3相對(duì)測(cè)量系統(tǒng)性能指標(biāo)

1.1.5 Terra SAR-X / Tan DEM-X衛(wèi)星

德國(guó)航空航天中心分別于2007年和2010年發(fā)射的Terra SAR-X與Tan DEM-X兩顆相類似的約1350kg衛(wèi)星，在約514km的圓軌道上，通過雙星精密編隊(duì)進(jìn)行合成孔徑雷達(dá)SAR成像，用于地面數(shù)字高程的高精度測(cè)量和ATI測(cè)速。

該項(xiàng)目?jī)H使用了GPS偽距和雙頻載波相位觀測(cè)方程構(gòu)成的聯(lián)合觀測(cè)模型，并引入高精度動(dòng)力學(xué)模型(100階地球重力場(chǎng)模型)實(shí)現(xiàn)高精度的星間相對(duì)位置估計(jì)。其自主控制精度達(dá)到了10m(1σ)[11]。

1.1.6 Gemini衛(wèi)星

德國(guó)空間操作處理中心等單位發(fā)起的Gemini任務(wù)由2顆質(zhì)量80～100kg、軌道高度500～700km的衛(wèi)星組成，主要用于在軌演示驗(yàn)證基于激光測(cè)量的星間跟蹤技術(shù)和閉環(huán)編隊(duì)控制策略以及自主軌道控制技術(shù)。

Gemini用于相對(duì)測(cè)量的設(shè)備主要包括激光干涉計(jì)、脈沖激光雷達(dá)以及GPS接收機(jī)。如表5所示，衛(wèi)星根據(jù)不同的作用距離和控制要求選擇編隊(duì)結(jié)構(gòu)和測(cè)量方式[12]。

表5 Gemini任務(wù)測(cè)量精度

1.1.7 CANYVAL-X項(xiàng)目

CANYVAL-X是由NASA、韓國(guó)延世大學(xué)及韓國(guó)航空航天研究所在2016年合作開展的項(xiàng)目。該項(xiàng)目包含2顆綽號(hào)分別為Tom和Jerry的立方星來(lái)驗(yàn)證虛擬望遠(yuǎn)鏡技術(shù)。

該項(xiàng)目主要利用可見光視覺測(cè)量技術(shù)，如圖4所示。 Jerry安裝了激光二級(jí)管，Tom安裝了對(duì)準(zhǔn)識(shí)別激光信標(biāo)的視覺相機(jī)，它利用圖像投影來(lái)確定星間相對(duì)位置和姿態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)的姿態(tài)測(cè)量和控制精度約1°，位置測(cè)量精度約dm級(jí)，控制精度約m級(jí)[13]。

圖4 CANYVAL-X衛(wèi)星示意圖

1.2 國(guó)內(nèi)分布式精密編隊(duì)衛(wèi)星研究現(xiàn)狀

針對(duì)分布式精密編隊(duì)衛(wèi)星技術(shù)，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了深入的理論和工程研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)改進(jìn)的傳統(tǒng)應(yīng)答機(jī)、華中科技大學(xué)提出的基于載波的高精度自主相對(duì)測(cè)距技術(shù)、南京航天航空大學(xué)提出的利用類GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)編隊(duì)衛(wèi)星間的自主測(cè)量等，在測(cè)量設(shè)備及測(cè)量技術(shù)方面均取得了一定成果[14]。此外，中國(guó)科學(xué)院、國(guó)防科技大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)也為編隊(duì)衛(wèi)星相對(duì)測(cè)量技術(shù)提供了研究基礎(chǔ)。但由于我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的研究起步較晚，在在軌驗(yàn)證方面與發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展水平相比，還存在一定的差距。

2 星間相對(duì)測(cè)量方法特征分析

2.1 GPS相對(duì)測(cè)量技術(shù)

當(dāng)2顆編隊(duì)衛(wèi)星均安裝GPS接收機(jī)時(shí)，可通過星間通信鏈共享2顆衛(wèi)星接收到的GPS信號(hào)，從而完成2星相對(duì)位置的測(cè)量計(jì)算。具體算法可分為相對(duì)位置差分、相對(duì)偽距差分和相對(duì)載波相位差分[15]等。

GPS相對(duì)位置差分技術(shù)是將雙星GPS接收機(jī)處理后的定位結(jié)果進(jìn)行差分，得到相對(duì)位置關(guān)系，適用于星間大于100km的情況，其定位精度能達(dá)到10m；GPS相對(duì)偽距差分是對(duì)雙星偽距測(cè)量量進(jìn)行差分，得到相對(duì)偽距。適用于編隊(duì)雙星距離小于100km的情況，測(cè)量精度可達(dá)到1m；GPS相對(duì)載波相位差分是對(duì)2個(gè)衛(wèi)星GPS接收機(jī)得到的GPS載波相位測(cè)量量進(jìn)行差分，適用于編隊(duì)衛(wèi)星小于50 km的情況，精度能夠達(dá)到5 cm[16]。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量、功耗小，成熟度高，已成功在GRACE、PRISMA等型號(hào)中得到驗(yàn)證。但相對(duì)GPS測(cè)量技術(shù)只能用于低、中軌衛(wèi)星編隊(duì)或轉(zhuǎn)移軌道的近地點(diǎn)附近。

2.2 射頻測(cè)量技術(shù)

射頻測(cè)量技術(shù)的原理與GPS測(cè)距原理類似，基本思想是在每個(gè)編隊(duì)飛行器上安裝接收機(jī)，每個(gè)接收機(jī)上可安裝多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，通過測(cè)碼偽距觀測(cè)及測(cè)相偽距載波觀測(cè)得到相對(duì)距離。

利用射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)星間相對(duì)測(cè)量的主要步驟包括2步：

1)采用偽碼測(cè)距和雙向測(cè)距。如圖5所示，在A星和B星上分別安裝一副發(fā)射/接收天線，通過偽碼和相位測(cè)量得到星間的相對(duì)距離；

圖5 無(wú)線電實(shí)現(xiàn)高精度星間基線測(cè)量的原理圖

2)采用比相法實(shí)現(xiàn)星間方位、俯仰姿態(tài)信息測(cè)量。A星上安裝的4臺(tái)接收機(jī)構(gòu)成測(cè)角儀，采用比相法，得到B星與A星間的基線指向。理論分析表明，利用L波段的無(wú)線電波方案測(cè)距和測(cè)角精度可分別達(dá)到cm級(jí)和0.1°[17]。

射頻測(cè)量方法又稱類GPS測(cè)量技術(shù)，已成功在PRISMA衛(wèi)星上搭載驗(yàn)證，技術(shù)相對(duì)成熟。在精測(cè)量模式下，能夠達(dá)到cm級(jí)的測(cè)距精度，同時(shí)可為測(cè)量范圍較小但精度較高的光學(xué)測(cè)量傳感器提供初始化條件。射頻測(cè)量系統(tǒng)不依賴于外界信號(hào)，可以在任意軌道上使用。

2.3 激光測(cè)量技術(shù)

激光測(cè)量按機(jī)理可以分為脈沖式和連續(xù)波相位式，脈沖式通過測(cè)量光脈沖的傳播時(shí)延得到星間距離；連續(xù)波相位式則是通過觀測(cè)連續(xù)光波在星間往返傳播過程中的相位變化得到星間距離，在此基礎(chǔ)上通過多個(gè)高精度距離向量計(jì)算出相對(duì)姿態(tài)[18]。

典型的激光相對(duì)測(cè)量系統(tǒng)由激光發(fā)射、接收、伺服機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)控制處理單元等組成，如圖6所示。該系統(tǒng)采用CCD、帶通濾光片、實(shí)時(shí)圖像處理單元和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成目標(biāo)捕獲。目標(biāo)捕獲后采用四象限探測(cè)器QD對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度的瞄準(zhǔn)。CCD光學(xué)天線輔助無(wú)線電探測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲、粗定位，同時(shí)配合角度編碼及光電探測(cè)單元完成目標(biāo)的空間角度測(cè)量[19]。

該方案可獲得的基線長(zhǎng)度和角度(包括方位角和俯仰角)測(cè)量精度分別為mm量級(jí)和角秒級(jí)(優(yōu)于5”)。

激光測(cè)距具有測(cè)量精度高、隱秘性好、功率大、抗干擾能力強(qiáng)和單色性好等優(yōu)勢(shì)，已成功運(yùn)用于XEUS、LISA、Gemini等衛(wèi)星任務(wù)。但是激光測(cè)量波束較窄的特點(diǎn)限制了多目標(biāo)的同時(shí)測(cè)量功能，且需要其他測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)。選用多種測(cè)量系統(tǒng)相配合的模式開展星間測(cè)量工作成為發(fā)揮激光測(cè)量最大優(yōu)勢(shì)的熱點(diǎn)方案。

2.4 紅外測(cè)量技術(shù)

紅外測(cè)角技術(shù)為被動(dòng)探測(cè)方式，有調(diào)制盤編碼、非調(diào)制盤編碼、單元掃描和多元并行掃描、線陣推掃和面陣凝視等多種方式。與主動(dòng)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)組合使用，可以較好地利用各自的特點(diǎn)，發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，提高探測(cè)概率和跟蹤能力[20]。

圖6 星載激光雷達(dá)系統(tǒng)框圖

典型的紅外測(cè)角與主動(dòng)激光雷達(dá)組合的測(cè)量系統(tǒng)如圖7所示。該系統(tǒng)主要由中視場(chǎng)紅外熱像儀、長(zhǎng)焦距紅外測(cè)角儀、激光測(cè)距儀和擺鏡跟瞄系統(tǒng)以及信息處理機(jī)組成。

圖7 紅外+激光測(cè)量方案原理框圖

該方案實(shí)現(xiàn)星間基線測(cè)量主要步驟為：1)采用紅外跟蹤系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)星進(jìn)行俘獲跟蹤；2)采用長(zhǎng)焦距紅外相機(jī)目標(biāo)方位角和俯仰角；3)采用測(cè)相激光測(cè)距儀進(jìn)行精確測(cè)距；4)采用集成控制系統(tǒng)對(duì)各分系統(tǒng)進(jìn)行控制，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，構(gòu)成星間基線測(cè)量系統(tǒng)。此方案的距離測(cè)量精度約為厘米級(jí)，方位測(cè)量精度為角秒量級(jí)。

紅外測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、分辨率高、隱蔽性好且抗干擾能力強(qiáng)，在美國(guó)DARPA實(shí)驗(yàn)室的Orbital Express衛(wèi)星上得以成功運(yùn)用。但受空間背景輻射和強(qiáng)光影響大，測(cè)量精度不穩(wěn)定，且不能提供距離信息?？偟膩?lái)說，紅外測(cè)量與主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)組合使用能更好地發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高聯(lián)合探測(cè)的概率和跟蹤能力。

2.5 可見光視覺測(cè)量技術(shù)

可見光視覺測(cè)量是一種無(wú)源探測(cè)技術(shù)。通常的測(cè)量技術(shù)手段即在目標(biāo)衛(wèi)星選定的4個(gè)或4個(gè)以上的特征點(diǎn)上安裝光學(xué)信標(biāo)，然后使用部署的光學(xué)相機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，將得到的圖像與成像的幾何關(guān)系、特征點(diǎn)安裝的先驗(yàn)信息以及坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系相結(jié)合，就可得到衛(wèi)星的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)。

以VISNAV為例介紹可見光測(cè)量原理。VISNAV ( Vision-based Navigation ) ，利用一個(gè)位置敏感二極管(Position Sensitive Diode，簡(jiǎn)稱PSD)得到的電流測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算包括傳感器位置和方位在內(nèi)共6個(gè)自由度的估計(jì)值。

圖8 VISNAV傳感器系統(tǒng)的相對(duì)導(dǎo)航原理

如圖8所示，目標(biāo)衛(wèi)星上發(fā)出的多束光經(jīng)測(cè)量衛(wèi)星的光學(xué)透鏡聚焦到PSD傳感器上，再通過傳感器的光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流，電流的大小與光源與測(cè)量衛(wèi)星之間的距離和方位有關(guān)。當(dāng)星間距離小于10m時(shí)，相對(duì)定位精度為2mm，相對(duì)定姿精度為0.01°[21]。

可見光視覺測(cè)量方法具有敏感度高、光譜響應(yīng)寬，線性度好和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，在CANYVAL-X項(xiàng)目和上文提到的VISNAV傳感器中，已靈活應(yīng)用在衛(wèi)星對(duì)接和衛(wèi)星編隊(duì)飛行的相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)中。另一方面，該測(cè)量技術(shù)也有僅適用于近距離測(cè)量、測(cè)量精度穩(wěn)定性低和受光照影響大的缺點(diǎn)。所以需要結(jié)合對(duì)空間合作目標(biāo)與非合作不同的觀測(cè)特點(diǎn)，合理規(guī)劃視覺傳感器。

3 總結(jié)

目前適用于衛(wèi)星精密編隊(duì)星間測(cè)量的方法主要包括GPS相對(duì)測(cè)量、射頻測(cè)量、激光測(cè)量、紅外測(cè)量和可見光視覺測(cè)量等。其中，GPS測(cè)量方法依賴于GPS信號(hào)，故只能在近地軌道使用，其它測(cè)量方法則不依賴外界信號(hào)，可應(yīng)用于任意軌道。各測(cè)量技術(shù)的工作距離及測(cè)量精度如表6所示。

表6 星間相對(duì)測(cè)量技術(shù)總結(jié)

GPS測(cè)量方法技術(shù)成熟，可同時(shí)提供航天器位置、速度等信息，測(cè)量設(shè)備體積小重量輕。射頻測(cè)量技術(shù)與GPS測(cè)量技術(shù)相像，作用距離遠(yuǎn)，測(cè)量覆蓋率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可用于多航天器相對(duì)測(cè)量，但測(cè)量精度不足。激光測(cè)量技術(shù)測(cè)量精度高，保密性好，抗干擾能力強(qiáng)，但其波束窄，需其它測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)。紅外測(cè)量技術(shù)和可見光視覺測(cè)量技術(shù)分辨率高，卻易受空間輻射及強(qiáng)光等干擾；紅外測(cè)量技術(shù)隱蔽性好，但僅能提供角度信息；可見光測(cè)量技術(shù)工作距離小，適用于航天器的交會(huì)對(duì)接和近距離編隊(duì)衛(wèi)星的相對(duì)導(dǎo)航。

總體而論，在分布式衛(wèi)星精密編隊(duì)方面，低軌近距離衛(wèi)星編隊(duì)任務(wù)可采用GPS相對(duì)測(cè)量技術(shù)或射頻測(cè)量技術(shù)，中、高軌近距離衛(wèi)星編隊(duì)任務(wù)需采用射頻測(cè)量技術(shù)；在考慮空間交會(huì)任務(wù)時(shí)，交會(huì)末段還需應(yīng)用可見光視覺測(cè)量技術(shù)和激光測(cè)量技術(shù)，紅外測(cè)量技術(shù)可用作有益補(bǔ)充。

鑒于各測(cè)量手段優(yōu)劣勢(shì)明顯，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)開始使用多種手段組合測(cè)量的方式發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)，“無(wú)線電+激光”、“紅外+激光”、“可見光+紅外+激光”等各種組合測(cè)量手段也逐漸成為研究熱點(diǎn)[22]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在未來(lái)的精密編隊(duì)衛(wèi)星任務(wù)中，盡管針對(duì)不同的觀測(cè)任務(wù)，其探測(cè)性能、編隊(duì)形式、編隊(duì)參數(shù)及指標(biāo)要求均有差別，但相對(duì)位置和姿態(tài)測(cè)量技術(shù)具有一定的通用性，在未來(lái)相對(duì)位姿傳感器的發(fā)展也會(huì)像現(xiàn)在衛(wèi)星上GPS、星敏感器、陀螺、磁強(qiáng)計(jì)等傳感器的組成一樣，成為一個(gè)成熟的單機(jī)部件，可根據(jù)其具體的測(cè)量指標(biāo)需求配置相對(duì)位置和姿態(tài)傳感器。各種星間相對(duì)位姿測(cè)量技術(shù)的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍與測(cè)量精度成反比，即精度越高的測(cè)量技術(shù)其測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍越低。衛(wèi)星在編隊(duì)建立過程中，可以結(jié)合GPS、射頻、激光、紅外以及可見光的方法分階段進(jìn)行相對(duì)位置實(shí)時(shí)測(cè)量與控制，使測(cè)量與控制精度從km級(jí)到cm級(jí)再到μm級(jí)遞進(jìn)，同時(shí)多個(gè)編隊(duì)測(cè)量系統(tǒng)協(xié)同合作也提高了編隊(duì)控制系統(tǒng)的魯棒性[23]。