【航天甲子年50讲】 12 空间分布式系统

【航天甲子年50讲】 12 空间分布式系统



文:晟宇(视频讲解)

本文图片来源于网络

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先打一个小广告。


晟宇将在2018年的1月21日,星期天的晚上19:00在知乎和Live和大家分享地球自拍历-遥感卫星。欢迎参加~


Live链接:地球自拍史-遥感卫星


https://www.zhihu.com/video/928395315520897024


前言


在上一讲【航天甲子年50讲】 11 微小卫星 中我们聊了聊微小卫星最近十年的快速发展与技术特点,其中一个特点就是数量优势和灵活的空间部署。这种通过多颗卫星来完成一些任务的系统我们就把它们称为空间分布式系统(Distributed Space Systems)


所以今天我们就来聊聊卫星的花式组合有哪些组合法,又有什么好处~


空间分布式系统至今还没有一个非常准确的定义,不同机构和研究也采取出入不小的的划分方法,这里我们选择了一个涵盖范围比较全面的定义与划分方式来和大家分享。




A.Poghosyana的这种划类方式主要包含了不同空间尺度上的分布式系统。具体划分为:





虽然很全面,其中一些概念还是存在争议的。例如有的星座也包含了异构的系统,国内一些研究者也认为编队(Formation)只是那些任务高度协同的空间分布式系统。这里我们就不讨论具体争议,就根据这个划分方式来讨论,欢迎在留言中进一步讨论。


以下我们就分门别类的来看看。


1.星座(Constellation)


首先想和大家八一八的是星座~







像晟宇这种工科的处女座对于什么分类整理之类的事情最来劲儿了。咳咳~ 聊的并不是这个星座。


卫星星座比起十二宫来可是乏味多了,很难成为谈资。因为卫星星座的特点就是好单调,因为一般一个星座里的卫星都是一样的。例如大名鼎鼎的铱星星座,用66颗一样的卫星来构成覆盖全球的移动通信网络。让我们来聊聊空间网络[第二弹]从铱星说起


之所以需要组成星座的原因就是因为要实现全球覆盖,每颗卫星就好像一个通信基站,所以要凑够数才能处处覆盖到。


这就勾勒出了卫星星座的几个特点:一、尺度很大,例如全球;二、卫星同构,每颗卫星一个样子(当然也存在一些异构的系统、或者换代过程中的系统);三、要那么多颗星是因为他们都有一个共同的目标






除了铱星之外更著名的是全球导航系统GNSS了,具体请看定位和方向很重要:全球导航系统是如何解救迷途小羔羊的~ 。每套GNSS系统的卫星也都差不多是一样的,通过广播准确的时间和位置来为地面和空中提供定位和导航服务。





GPS星座

另外还有像Planet的Flock这样的地球观测星座,用150颗卫星构成一个每天扫描地球一次的扫描仪。






2.跟随(Trains)


在分类中使用的英文名称是Trains,但是直接翻译成火车有些突兀。虽然真的有这样的火车,那就是NASA大名鼎鼎的A-Train,好吧,大概也不是那么有名气,那么我就来介绍一下吧。





A-Train是在705km太阳同步轨道(什么是太阳同步轨道见:【航天甲子年50讲】 02 轨道力学【航天甲子年50讲】 03 轨道摄动)上六颗卫星OCO-2, GCOM-W1, Aqua, CALIPSO, CloudSat和Aura组成的列车状编队(不好意思在视频中一开心说了landsat,其实landsat并不在其中,特此说明)。A-train的全称是Afternoon-Train,这是由于他们运行的这个太阳同步轨道赤道交点的地方时是下午1:30分。






这几颗卫星之间相隔也就几分钟,因此他们可以形成一个观测序列。A-Train中的每一颗卫星都有自己本来的观测任务,有的是探测云层的,有的是探测气溶胶的,有的是观测海洋的,然而通过将这些卫星部署到一个近似的轨道上形成前后跟随的编队使得他们获取的这些数据得以进行一些深入的分析和科学观测。同时NASA也在开展基于A-train的自主观测任务,例如前面一颗卫星发现了疑似的火灾,跟随的卫星中具备观测的能力的就可以依据这个信息开展后随的重点观测。





A-Train综合数据结果



这样我们就看出来了跟随trains的编队特点:一、异构、每颗星都不一样;二、各有目的,而是在一些特定情况下分享任务;三、编队松散、其实几颗卫星的轨道高度也有出入,并没有紧密的编队控制。


3.星簇(Cluster)


星簇这个名称从字面上来感觉就是卫星挤在一起,这一类的分布式系统算是要求比较高的系统。一般来说这类系统都有很高的协同要求,例如有要求非常紧密的编队和高度交互的星间通信等等。




星簇这类编队的存在目的一般是为了实现较长的空间基线,来形成干涉协同或者综合孔径。基线范围从几十米到几百米,实现一颗大卫星难以达到的长基线。





长基线的科学要求


举个栗子吧,类地行星发现者Terrestrial Planet Finder TPF1


红外线天文干涉仪(TPF-I):是多个小型望远镜固定在一个结构上或分散在不同的太空探测器上并在太空中以特定形状排列,模拟一个大口径的望远镜以大幅增加观测能力。这个干涉仪预期将使用化零干涉(Nulling interferometry)将星光的光度缩减为原始的百万分之一,这样就可以侦测来自行星的极暗淡红外线辐射。(引用自wiki)


之前介绍过的测量重力场的GRACE卫星也应该属于星簇型的编队,汤姆和杰瑞-聊聊GRACE重力场双子星。两颗星之间通过精密的轨道测量来获取重力场的数据。




GRACE编队


概括一下,星簇这类编队的特点是:一、同构、星群内的卫星一般都是相同的卫星;二,高度交互与紧密编队,从而实现不同类型的构型来实现干涉系统等;三、数量有限,一般都是个位数的卫星数量,编队的尺度也较少。


4.星群(Swarms)


想到星群,我们可以想象一大群蚂蚁或者一大群蜜蜂。这就是星群的特点,首先数量庞大,一般要达到几十颗到上百颗。同时星群中可以包含异构的卫星,通过自组织网络在一起协同,实现不同等级,不同类型的任务,大大体现卫星星群的能力。




之前EDSN(Edison Demonstration of Smallsat Networks)计划就是面向这样的技术发展趋势开展的早期试验,可惜发射失败,没能在轨验证。







EDSN主要需要验证的就是来支撑大规模星群的网络框架,只有有了这个基础才能延伸出灵活的应用。所以星群是虽然不需要紧密的编队,却需要高效的网络交互,才能通过群体行为来实现数量优势。


5.分散式卫星(Fractionated Satellite)


分散式卫星就是把一个单一卫星的功能拆开来,拆成多个具备单一功能的小卫星,再通过在轨的无限能源、数据传输等手段实现一个单一卫星的功能。


好处是:系统分散,灵活弹性。






分散式卫星就是DARPA提出了F6计划,是一个非常概念性的面向未来的计划,因此也是几经波折。


F6系统基本思想是要论证:不论任务或大小,既可以采用整体式航天器—虽然这将是针对‘多个有效载荷’航天器—也可以把此整体式航天器分解成‘无线联系模块网络’或‘群’飞的、以网络形式工作的各个小型航天器,提供与整体式航天器相同或比其更多的功能,因此,这不是过去的那种编队飞行演习,这是一组飞行着的小型航天器,每一个航天器执行一项独特功能—不仅执行有效载荷或任务功能,而且还提供基础设施支持。例如,可以是一个模块执行数据处理任务,另一个模块在执行数据下执行传输任务,而又另一个模块又在执行一项特殊有效载荷的任务。这个航天器集群是‘即插即用’的,但没有插头。(引用自:百度百科)




credit DARPA


分散式卫星特点就是从卫星生命生命线上来看比较灵活。单一卫星需要所有单机齐全,完成了集成,AIT测试后,才能发射入轨,一段关键点出问题就一起报废。而分散式系统,可以哪个模块好了就哪个模块上天,慢慢组成完整功能,然而有模块坏了再进行更换,整个系统非常灵活。




credit DARPA



从而既保证了分散系统能实现大卫星的功能,又能保持很高的系统弹性,面向不用场景下的灵活应用。


6.联合式卫星(Federated Satellite)


联合式卫星实际上是一种面向未来空间广泛协作的一种框架的构想,也就是卫星之间可以指定一些通用的网络标准,从而在特定的情况下互相协同来实现一些数据远距离传输,计算共享的应用,充分挖掘空间资源的潜力。





总结


无论是什么样的空间分布式系统,目标都是为了更好地实现任务,一颗单一的卫星会受到空间拓扑,能力等各方面因素的限制,而通过网络、构型、编队等手段来统筹空间分散的各个卫星就可以发挥出1+1大于2的系统优势,然而依然从网络、任务规划与调度等技术方面提出了很多挑战,有待科学家和攻城狮们大展拳脚去解决。






下一期开始我们聊聊,深空探测的故事。



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参考文献


  1. E. Dekens.A satellite swarm for radio astronomy
  2. FRACTIONATED SATELLITES.ESA/ESTEC contract 22258/09/NL/AF
  3. The Swarm Satellite Constellation Application and Research Facility (SCARF)
  4. Terrestrial Planet Finder Interferometer (TPF-I)
  5. Using a Satellite Swarm for building a Space-based Radio Telescope for Low Frequencies
  6. Collaboration Among a Satellite Swarm
  7. Applying Autonomy to Distributed Satellite Systems
  8. A Swarm Intelligence Networking Framework for Small Satellite Systems
  9. DARPA
  10. NASA
  11. Mission Planning for a Formation-Flying Satellite Cluster
  12. 林来兴 张小琳.星群、星座与编队飞行的概念辨析
  13. A. Poghosyan,Unified Classification for Distributed Satellite Systems




[航天甲子年五十讲] 往期回顾

【航天甲子年50讲】 01 飞天

【航天甲子年50讲】 02 轨道力学

【航天甲子年50讲】 03 轨道摄动

【航天甲子年50讲】 04 奔月:从地球到月球

【航天甲子年50讲】 05 空间任务几何

【航天甲子年50讲】 06 空间环境

【航天甲子年50讲】 07 卫星设计流程

【航天甲子年50讲】 08 载人航天

【航天甲子年50讲】 09 空间机器人

【航天甲子年50讲】 10 空间望远镜

【航天甲子年50讲】 11 微小卫星

编辑于 2017-12-27