關(guān)于我們
書單推薦
新書推薦
|
快速響應(yīng)微小衛(wèi)星設(shè)計(jì) 讀者對象:本書適用于從事快速響應(yīng)微小衛(wèi)星技術(shù)研究和工程研制的科技人員
《快速響應(yīng)微小衛(wèi)星設(shè)計(jì)》是作者及其團(tuán)隊(duì)在微小衛(wèi)星及空間快速響應(yīng)領(lǐng)域二十余年研究成果的歸納總結(jié).針對快速響應(yīng)微小衛(wèi)星“省、好、快”的發(fā)展趨勢,在快速任務(wù)設(shè)計(jì)與分析、衛(wèi)星柔性化平臺及其模塊化快速集成、綜合電子系統(tǒng)重構(gòu)、星載軟件構(gòu)件化設(shè)計(jì)、高性能軌道與姿態(tài)控制、快速測試以及星箭一體化設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用等方面,提出了諸多設(shè)計(jì)理論與方法,原創(chuàng)性突出,并經(jīng)過工程應(yīng)用驗(yàn)證,對于我國快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與工程實(shí)施具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
更多科學(xué)出版社服務(wù),請掃碼獲取。
目錄
第1章緒論1 1.1快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的概念及其發(fā)展現(xiàn)狀1 1.1.1微小衛(wèi)星及其技術(shù)特點(diǎn)1 1.1.2快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的概念3 1.1.3快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀4 1.2快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的技術(shù)特點(diǎn)12 參考文獻(xiàn)16 第2章快速響應(yīng)微小衛(wèi)星任務(wù)分析與設(shè)計(jì)17 2.1任務(wù)分析與設(shè)計(jì)流程18 2.1.1任務(wù)目標(biāo)確定19 2.1.2任務(wù)要求和約束條件確定19 2.1.3影響任務(wù)設(shè)計(jì)與分析的主導(dǎo)因素19 2.1.4任務(wù)方案設(shè)計(jì)20 2.2快速響應(yīng)微小衛(wèi)星任務(wù)軌道設(shè)計(jì)與分析22 2.2.1任務(wù)軌道設(shè)計(jì)22 2.2.2任務(wù)軌道特性分析25 2.3衛(wèi)星總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)36 2.3.1衛(wèi)星總體參數(shù)中運(yùn)動因素對像移的影響36 2.3.2相對運(yùn)動對線陣CCD成像質(zhì)量的影響39 2.3.3衛(wèi)星總體參數(shù)對線陣CCD成像質(zhì)量的影響分析41 2.3.4衛(wèi)星總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法42 2.4任務(wù)方案評估47 2.4.1任務(wù)方案仿真評估系統(tǒng)48 2.4.2任務(wù)仿真評估的流程和實(shí)例51 參考文獻(xiàn)54 第3章快速響應(yīng)微小衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制方法56 3.1軌道維持控制方法56 3.1.1軌道衰減分析56 3.1.2軌道維持燃料消耗分析58 3.1.3軌道維持控制方法59 3.2軌道快速機(jī)動控制方法61 3.2.1正切脈沖推力軌道機(jī)動控制61 3.2.2脈沖推力星下點(diǎn)軌跡調(diào)整方法64 3.3高性能姿態(tài)確定及其濾波估計(jì)方法66 3.3.1衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)方程66 3.3.2衛(wèi)星偽角速率高精度估計(jì)69 3.3.3基于粒子濾波的高精度姿態(tài)確定方法71 3.3.4衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)的誤差標(biāo)定75 3.4姿態(tài)大角度快速機(jī)動控制方法78 3.4.1姿態(tài)機(jī)動軌跡規(guī)劃方法79 3.4.2繞瞬時歐拉軸的姿態(tài)機(jī)動控制算法80 3.5目標(biāo)跟蹤控制與機(jī)動過程中的高精度穩(wěn)定控制方法85 3.5.1針對目標(biāo)跟蹤的衛(wèi)星運(yùn)動學(xué)建模86 3.5.2目標(biāo)跟蹤控制器設(shè)計(jì)87 3.5.3帶有干擾觀測器的目標(biāo)跟蹤控制器設(shè)計(jì)89 3.5.4沿跡成像控制方法90 參考文獻(xiàn)92 第4章基于柔性化平臺的微小衛(wèi)星一體化設(shè)計(jì)方法93 4.1柔性化平臺的概念及其體系結(jié)構(gòu)93 4.1.1衛(wèi)星平臺的柔性與柔性化平臺的概念93 4.1.2柔性化平臺的體系結(jié)構(gòu)95 4.2可重構(gòu)模塊智能核心單元及其設(shè)計(jì)方法101 4.2.1智能核心單元主要功能及接口設(shè)計(jì)101 4.2.2智能核心單元內(nèi)部板卡設(shè)計(jì)102 4.2.3智能核心單元可靠性設(shè)計(jì)103 4.3公用模塊的劃分與確定104 4.3.1模塊劃分的準(zhǔn)則和依據(jù)104 4.3.2基于接口的功能模塊劃分方法106 4.3.3模塊的系列化設(shè)計(jì)110 4.3.4模塊的接口設(shè)計(jì)111 4.3.5柔性化平臺公用模塊的劃分112 4.4模塊的標(biāo)準(zhǔn)化和即插即用設(shè)計(jì)方法117 4.4.1物理接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)117 4.4.2電氣接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)118 4.4.3軟件接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)121 4.4.4即插即用的信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)124 4.4.5非標(biāo)準(zhǔn)模塊的接口轉(zhuǎn)換方法130 4.5基于柔性化平臺的微小衛(wèi)星一體化設(shè)計(jì)方法130 4.5.1基于優(yōu)化配置的公用模塊選配方法131 4.5.2可重構(gòu)模塊的重構(gòu)配置方法134 4.6基于柔性化平臺的微小衛(wèi)星快速集成方法139 4.6.1基于CAN總線的接口協(xié)議139 4.6.2即插即用模塊的自主識別和驅(qū)動方法143 4.6.3基于柔性化平臺的衛(wèi)星快速研制流程156 參考文獻(xiàn)161 第5章柔性化平臺可重構(gòu)綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法162 5.1綜合電子系統(tǒng)重構(gòu)機(jī)理及其體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)163 5.1.1電子系統(tǒng)硬件重構(gòu)的原理及方法163 5.1.2FPGA資源規(guī)劃與可重構(gòu)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)166 5.1.3可重構(gòu)綜合電子系統(tǒng)的故障處理方法171 5.2可重構(gòu)綜合電子系統(tǒng)快速重構(gòu)與可靠性設(shè)計(jì)173 5.2.1基于混合遺傳算法的重構(gòu)任務(wù)快速規(guī)劃173 5.2.2可重構(gòu)綜合電子系統(tǒng)等壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)179 5.3可重構(gòu)綜合電子系統(tǒng)的故障屏蔽與修復(fù)方法183 5.3.1空間環(huán)境對FPGA的影響分析183 5.3.2FPGA容錯有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)186 5.3.3基于SAT問題的FPGA永久性故障修復(fù)191 5.4可重構(gòu)綜合電子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法196 5.4.1可重構(gòu)綜合電子系統(tǒng)樣機(jī)及其性能測試方法196 5.4.2系統(tǒng)半物理仿真驗(yàn)證202 5.5COTS器件可靠性應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法205 5.5.1空間環(huán)境對COTS器件的影響206 5.5.2COTS器件在衛(wèi)星上應(yīng)用的主要方法207 5.5.3COTS器件冗余網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法208 5.5.4針對單粒子閂鎖的斷電/再加電保護(hù)設(shè)計(jì)213 5.5.5COTS器件抗輻射加固的設(shè)計(jì)方法214 參考文獻(xiàn)217 第6章柔性化平臺構(gòu)件化軟件及其設(shè)計(jì)方法219 6.1構(gòu)件化軟件體系結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法220 6.1.1構(gòu)件化軟件的體系結(jié)構(gòu)221 6.1.2構(gòu)件化軟件的自適應(yīng)與重構(gòu)方法224 6.1.3即插即用的構(gòu)件化軟件體系結(jié)構(gòu)225 6.2構(gòu)件化軟件總線設(shè)計(jì)230 6.2.1軟件總線中間件(QST)的概念231 6.2.2軟件總線中間件設(shè)計(jì)231 6.3柔性化平臺軟件的構(gòu)件劃分方法247 6.3.1系統(tǒng)服務(wù)軟件的構(gòu)件劃分247 6.3.2系統(tǒng)服務(wù)軟件構(gòu)件設(shè)計(jì)256 6.3.3應(yīng)用程序軟件構(gòu)件設(shè)計(jì)264 6.4構(gòu)件化軟件的動態(tài)鏈接與加載方法267 6.4.1軟件構(gòu)件的動態(tài)鏈接方法268 6.4.2軟件構(gòu)件的動態(tài)加載方法270 參考文獻(xiàn)272 第7章快速響應(yīng)微小衛(wèi)星快速測試方法273 7.1快速測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)274 7.1.1快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的測試要求及系統(tǒng)方案274 7.1.2快速測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)279 7.2測試序列快速生成方法287 7.2.1基于TG時延離散Petri網(wǎng)模型的測試序列動態(tài)生成方法287 7.2.2測試序列優(yōu)化方法293 7.3自動化測試軟件設(shè)計(jì)方法296 7.3.1圖形化測試序列生成方法296 7.3.2軟件協(xié)議配置方法303 7.3.3測試數(shù)據(jù)自主判讀方法305 7.3.4自動化測試軟件的應(yīng)用實(shí)例307 7.4衛(wèi)星在軌快速自主測試方法309 7.4.1在軌狀態(tài)自主確認(rèn)與評估方法310 7.4.2衛(wèi)星自激勵測試方法313 參考文獻(xiàn)314 第8章星箭一體化飛行器及其設(shè)計(jì)方法316 8.1星箭一體化飛行器的概念與特點(diǎn)317 8.1.1星箭一體化飛行器系統(tǒng)組成318 8.1.2星箭一體化飛行器的技術(shù)特點(diǎn)319 8.2星箭一體化設(shè)計(jì)方法322 8.2.1結(jié)構(gòu)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)方法323 8.2.2綜合電子系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)方法329 8.2.3軌道與姿態(tài)控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)方法333 8.2.4電源系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)方法335 8.2.5測控系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)方法339 8.2.6星箭一體化研制流程341 8.3星箭一體化飛行器全程制導(dǎo)與控制方法341 8.3.1柵格舵與側(cè)噴流聯(lián)合控制方法342 8.3.2大彈道偏差下的高精度制導(dǎo)控制方法345 8.3.3超低軌道飛行器高精度、高穩(wěn)定度控制方法356 參考文獻(xiàn)357 第9章快速響應(yīng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用359 9.1快速響應(yīng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的概念359 9.1.1衛(wèi)星集群/星簇的概念359 9.1.2快速響應(yīng)微小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用模式363 9.2快速響應(yīng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用方法365 9.2.1集群/星簇應(yīng)用系統(tǒng)體系構(gòu)架365 9.2.2集群/星簇系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)硬件層設(shè)計(jì)369 9.2.3集群衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的能量均衡方法371 9.2.4集群衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖疃搪窂椒治?75 9.2.5集群/星簇系統(tǒng)構(gòu)形設(shè)計(jì)與維持控制方法383 參考文獻(xiàn)386 索引387
第1章 緒論
微小衛(wèi)星是20世紀(jì)80年代末期隨著微電子、微機(jī)械、計(jì)算機(jī)、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(diǎn)。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(yàn)等諸多領(lǐng)域,成為軍用、民用衛(wèi)星中的重要成員[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來,伴隨各種新的設(shè)計(jì)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(diǎn),即使龐大的空間系統(tǒng)也難以實(shí)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(yán)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(qiáng)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(shí)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(hù)國家安全和保障經(jīng)濟(jì)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(diǎn) 關(guān)于微小衛(wèi)星的分類國際上尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),目前國際上普遍認(rèn)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(shí)現(xiàn)一種或幾種特定功能,也可以通過組網(wǎng)、編隊(duì)或集群飛行等構(gòu)成分布式衛(wèi)星系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)大衛(wèi)星的功能或完成單顆大衛(wèi)星難以實(shí)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(diǎn)。 (1)功能密度高 微小衛(wèi)星從設(shè)計(jì)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(jìn)行高度融合,通過星上資源和信息共享實(shí)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(dá)到40%以上[3]。 微小衛(wèi)星所采用的部組件基于微電子、微機(jī)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(jì)制造工藝,不僅能夠?qū)C(jī)械部件像電子電路一樣進(jìn)行集成,而且可以把傳感器、執(zhí)行機(jī)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(jī)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(yùn)行環(huán)境特殊,入軌后一旦出現(xiàn)故障將很難進(jìn)行在軌維護(hù)。因此,為提高系統(tǒng)的可靠性,在傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)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(jì);在研制過程中需要研制電性星、初樣星、正樣星等進(jìn)行的大量的地面試驗(yàn)驗(yàn)證,急劇增加了研制費(fèi)用。同時,由于運(yùn)載器的發(fā)射能力和衛(wèi)星的需求很難匹配,一般來講運(yùn)載能力要高于衛(wèi)星發(fā)射的需求,造成運(yùn)載能力的浪費(fèi),增加了發(fā)射費(fèi)用。 傳統(tǒng)衛(wèi)星的研制和發(fā)射費(fèi)用高昂,使得衛(wèi)星產(chǎn)品難以像飛機(jī)、汽車等產(chǎn)品那樣實(shí)現(xiàn)批量化,通常采用定制方式進(jìn)行研制,所采用的部組件需要單獨(dú)設(shè)計(jì)生產(chǎn),同時進(jìn)行大量的測試與試驗(yàn),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(bào)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(jì)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(jì)和虛擬試驗(yàn)等手段,可以在設(shè)計(jì)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(yàn)費(fèi)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(yùn)載器發(fā)射,能夠充分挖掘和利用運(yùn)載能力,顯著降低發(fā)射費(fèi)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行設(shè)計(jì)與研制,飛行任務(wù)確定后,需要進(jìn)行任務(wù)分析與設(shè)計(jì)、方案論證與設(shè)計(jì),然后進(jìn)行部組件設(shè)計(jì)、研制、測試與試驗(yàn),繼而還要進(jìn)行整星電性能聯(lián)試、初樣星設(shè)計(jì)、研制、測試與試驗(yàn)、與工程系統(tǒng)對接試驗(yàn)、正樣星設(shè)計(jì)、研制、測試與試驗(yàn)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(zhǔn)備等,研制周期長,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)微小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的需求。 在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行快速測試,采用虛擬試驗(yàn)與驗(yàn)證性試驗(yàn)相結(jié)合的方式代替大量的地面試驗(yàn),通過標(biāo)準(zhǔn)化接口靈活適應(yīng)多種運(yùn)載器和多種發(fā)射方式實(shí)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(jī)動性能好,通過軌道靈活機(jī)動可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(jī)動以及快速穩(wěn)定控制,能夠?qū)崿F(xiàn)同軌的多點(diǎn)目標(biāo)成像、條帶拼接成像、立體成像以及對同一目標(biāo)的重復(fù)成像等應(yīng)用。 通過組網(wǎng)、編隊(duì)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(shí)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(qiáng) 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(jī)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(jìn)程的加快,必將有力地帶動這些領(lǐng)域技術(shù)的快速進(jìn)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(jìn)行空間飛行試驗(yàn)驗(yàn)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(jì)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(diǎn),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(shí)現(xiàn)快速研制。以衛(wèi)星產(chǎn)品體系的標(biāo)準(zhǔn)化模塊為基線進(jìn)行快速設(shè)計(jì),以軟硬件即插即用的方式進(jìn)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(yàn)和檢驗(yàn)性試驗(yàn)相結(jié)合的方法,精簡試驗(yàn)矩陣,縮短試驗(yàn)時間。 快速響應(yīng)微小衛(wèi)星通過標(biāo)準(zhǔn)化接口可適應(yīng)多種運(yùn)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(shí)現(xiàn)快速發(fā)射,特別是可以采用小運(yùn)載車載機(jī)動發(fā)射。入軌后采用嵌入式自主測試方法,快速確認(rèn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品體系,通過產(chǎn)品的批量化進(jìn)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(diǎn)選擇低傾角軌道,實(shí)現(xiàn)第一軌即投入應(yīng)用的目的,同時增加對目標(biāo)的重復(fù)觀測次數(shù)(太陽同步軌道對同一目標(biāo)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(dá)到2~4次/天)。 快速響應(yīng)微小衛(wèi)星具有自主運(yùn)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(jī)動控制能力,以此實(shí)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(yùn)控管理簡單,可以實(shí)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?cái)?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(bào)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(shí)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(jī)動接收站實(shí)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)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(jì)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(shí)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(yùn)載等實(shí)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(shí)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(jì)劃分三個階段進(jìn)行實(shí)施。第一階段的目標(biāo)是通過戰(zhàn)術(shù)微小衛(wèi)星彌補(bǔ)目前航天系統(tǒng)的情報(bào)、監(jiān)視、偵察和通信能力的不足,同時逐步驗(yàn)證相關(guān)核心技術(shù);第二階段的目標(biāo)是研制和部署模塊化微小衛(wèi)星;第三階段目標(biāo)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(jì)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(diǎn),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(diǎn),美國陸續(xù)提出并實(shí)施了“戰(zhàn)術(shù)星”等一系列計(jì)劃用于先期的技術(shù)驗(yàn)證[5]。 1.“戰(zhàn)術(shù)星”計(jì)劃 “戰(zhàn)術(shù)星”計(jì)劃(TacSat系列衛(wèi)星計(jì)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(biāo)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(yàn)證快速研制、快速發(fā)射衛(wèi)星的創(chuàng)新模式和機(jī)制,通過數(shù)顆快速響應(yīng)微小衛(wèi)星的空間飛行試驗(yàn),有步驟、系統(tǒng)地演示驗(yàn)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(shí)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(jì)劃已完成TacSat-2/3/4的研制和飛行試驗(yàn),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(jì)原理取自傳統(tǒng)衛(wèi)星和無人機(jī)的功能和硬件設(shè)計(jì)。該衛(wèi)星驗(yàn)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(bào)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(duì)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(shí)際發(fā)射中因多次運(yùn)載火箭故障而推遲發(fā)射,直至后來發(fā)射的TacSat-2驗(yàn)證了其需要驗(yàn)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(shí)現(xiàn)在軌演示驗(yàn)證的ORS衛(wèi)星,于2006年12 查看全部↓
你還可能感興趣
我要評論
|