大型小卫星星座发展面临的挑战

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随着小型化技术、设计能力、发射能力和市场需求的发展，小型卫星发射频率大幅加快。目前已提出了很多大型小卫星星座，大多数预计将在未来十年内发射入轨。这些星座在通信、气象科学、安全/安保和灾害监测等领域都有很大应用潜力。不过，目前还没有成本效益高的基础设施来支撑大型星座卫星协同飞行。这些大型星座要实现可持续性发展，仍面临多重挑战。

1 卫星星座发展趋势

从20世纪90年代到2015年，用于商业目的大型卫星星座一直成功者寥寥。ViaSat、波音、三星、Yaliny、全球星和铱星等公司提出的卫星星座或是不断推迟、或是重新设计，或是以失败告终。这些星座的目标应用都是通信领域，旨在通过不同的策略（中地球轨道或低地球轨道，大量或较少卫星）提供全球连通能力。

过去几年来，提出的卫星星座经历了巨幅增长过程，一百多家公司试图以不同方式占据不同市场。截止到2020年，除了上述提及的一些较早尝试的公司，另有90多家公司或机构也提出建设卫星星座。

图1 不同应用领域提出的星座占比

从目标应用领域看，这些卫星星座可分为三类：地球观测（面向科学或商业）、空间观测和通信。从图1可以看出，地球观测应用（气象、灾害和报警监测）与通信应用（物联网、机对机应用）是星座发展的主要驱动力。

图2展示了未来几年拟在轨的星座卫星数量趋势。由于很多公司缺乏详细的部署计划信息，假设每个星座的部署速度保持稳定，对于每个星座，第一次卫星发射（发生或计划发射）的年份与预期完成年份之差被视为部署窗口。用星座中的卫星数量除以部署窗口，获得了一个恒定的部署速率。如此，可以得到图2所示卫星数量。其中，有些没有公布卫星数量和预计完成年份的公司被归到了NC（未分类）类。

图2 预期星座发展带来的卫星数量增长

从图中可以看出，到2024年，拟建设星座的在轨卫星数量将达到8000颗。由此产生的业务量提出了一个问题，即这种发展是否可能持续。例如，目前的地面段基础设施可能无法胜任监测和控制如此大量卫星的任务。诸如KSAT等主要卫星地面服务提供商已经在投资扩建基础设施。同时，还必须要加强星座管理，以有效利用新基础设施。这需要新的运行体系架构朝着实现更高自动化程度方向发展，无论是星载还是地面，例如采用人工智能和虚拟现实技术。第二个问题涉及通信，RF频谱可能会过于拥挤，所需数据吞吐量越来越大。最后，但可能最重要的是，空间交通和轨道碎片问题，这可能会妨碍航天器的安全成功运行。

就星座规模来看，约一半星座相对较小，包含卫星数量小于50颗。包括50～150颗卫星的星座看起来颇具吸引力，占到22%，更大的星座则占据较少份额，另有17%未宣布卫星数量。

图3 按卫星数量统计的星座占比

就卫星大小而言，明显偏向于微纳卫星类别，反映了卫星平台总体小型化的趋势。虽然有约35%的星座项目没有宣布卫星尺寸，但仍有32%属于纳卫星级别，18%属于微卫星级别。皮卫星、小型卫星、中大型卫星较少，共占15%。这意味着星座将由重量主要从1到100公斤的卫星组成。

表1 卫星按质量大小分类

2 未来挑战

大型星座将需要改变目前的空间任务处理方式，主要挑战涉及星座管理、通信和空间交通管理。

管理数量如此庞大的在轨卫星是受到关注的一个基本问题。过去在这方面做的工作并不多，但仍可以从一些项目中获得一些关键经验，如欧洲伽利略卫星导航系统，“全球星”星座和GPS、北斗等GNSS星座。目前探索的不同策略的共同目标是提高自动化水平，提出的解决方案分为两大类：

· 自动卫星跟踪优化（如遥测数据下载）；

· 自动故障检测，操作人员无需人工检查卫星健康状态。

此外，仍要执行大量非自动操作，从所需运行提升和当前运行星座获得的经验来看，以下几点值得关注：

（1）有效载荷运行和航天器运行分离，每一部分可能有专用的地面段。

（2） 受卫星尺寸限制，提高星上自动化水平并不总能实现。这种情况下，需在地面部署专家系统（作为算法集合和帮助操作员决策的机器，通常与人工智能有关），用于完成高级任务，如预测、规划、诊断、维修等。

（3）从星座设计的初始阶段不仅要考虑地面段，还要考虑星座运行。

（4）专家系统设计应能协助操作员，并在星座运行期间保持工作负荷稳定，例如，减轻发射和早期轨道阶段的繁重工作量。

自动化需求方面，一个相关例子是防撞评估和机动规划，现在主要是靠人工完成。提升定轨精度有助于减少误报警和实现自动轨道修正。为了支持自动化需求，美国航空航天局（NASA）研究人员提出了一种基于人工智能的星载自动管理系统，这种系统不仅能检测故障，而且能自动处理并解决问题，同时修改初始计划。该方法的缺点是需要星间链路，在低成本策略下无法负担。另外，由此产生的密集星间通信可能造成RF频谱更加拥挤。

关于星座设计之初操作方面应考虑的问题，一是上文提出的自动化逻辑，这极大地影响着空间段设计开发的复杂度，至少是在软件方面。第二个必须要考虑的问题是替换策略，替换或备件策略是运营商为替换星座中出现故障或终止使用的卫星而采取的策略。大多数星座需要这样的策略来保证24/7服务。研究人员提出将库存管理方法应用于空间领域，即设立一组低于卫星星座轨道高度的停放轨道，备用卫星按照最优策略（即最小化总预期备用策略成本）从地面供给。然后，这些备用卫星在需要时被移动到星座中。另外，星座的可靠性也可以从建造过程的角度考虑（而不仅仅是卫星设计），例如，采用故障模式和影响分析实现稳健的大规模生产。

考虑到星座规模趋势和在该领域的竞争力，部署策略也是一个要考虑的问题。从设计之初就必须考虑卫星部署，因为它对生命周期成本有重大影响。实际上，它既影响发射次数，也影响要发射卫星的复杂性。原则上，每个轨道面需要一次发射，而且星载推进系统（如果有）的复杂性会根据发射后的操作而变化。根据市场需要逐步部署卫星，可以显著降低星座的生命周期成本。另一种方法是考虑采取用遗传算法优化的分阶段部署。这种方法看起来比较有吸引力，因为它使星座大小能根据市场反应进行调整，而市场反应很难预测。

其他有效的部署策略还包括采取运载飞行器部署等方法，在空间配置轨道避免多次发射。研究人员还设想使用地月拉格朗日点L1，不过，这种解决方案可能只在与运载飞行器结合时才方便。

星座运行过程中，通信是个关键问题，实际上

· 星载自动化不太可能发展到允许完全自主星群管理的程度，因此大量卫星需要频繁与地面通信。

· 星座通常针对实时需求设计，需要随时上传/下载数据。

这两点引起了对RF频谱划分的关注。过度拥挤的RF频谱可能导致相邻RF信号间的物理干扰。同时，通信基础设施的通信容量应与RF信道中传输的数据量同步增长。

学术界正致力于解决这两个问题。基础设施优化最有前景的一种方法是空间和地面通信网络之间的共享和集成，特别是考虑到新兴的5G业务。最初的设想是使用IP通信将地面网络与卫星网络集成到一起，后来又提出发展支持IP通信的移动卫星系统，由于当时低轨星座（如铱星和全球星）发展并不顺利，受负面经验的影响，以及出于成本效益考虑，建议使用地球同步轨道卫星。近几年来，低轨卫星作为通信基础设施的潜力再次受到关注。5G地面网络与天基网络集成提供全球连接是关注的一个重点；另外关注的是如何实现高效星间链路。

对于低自主性航天器所需的频繁通信，一个更实际的解决方案是利用现有的传统地面站网络。基于通信和硬件接口标准定义，这种方案已经可以实现。像KSAT或者KRATOS这样的地面站供应商正朝这一方向发展。例如，KRATOS设计了一种称做quantumCMD的设备，这是一种小型计算机，当集成到地面站时，可以运行多达4颗卫星。该设备的强大之处在于其能力可以随着卫星和地面站数量的增加而扩展。

对日益拥挤的频谱问题，解决方案主要集中在两个方面：频谱共享和加强监管。如，数据库辅助的频谱共享，这种方式可以重新分配暂时未使用的频谱。另一种完全不同的方法是使用光学频谱。光通信可使用更小更轻的终端实现更高数据率，但由于其对大气条件高度敏感，更适合自由空间星间链路。低轨星座光通信系统当前处于开发阶段。

尽管当前的研究还不多，但空间交通管理可能是星座竞赛中面临的一个最关键的问题。这一问题与空间碎片密切相关。碎片已经是监视网络（如美军联合太空作战中心JSpOC）和航天器操作人员规避机动所面临的一个问题。监视网络能否生成报警并为未来空间交通提供进一步辅助？如果某一星座有很高价值，但不能搭载推进系统来避免碰撞，会怎样？解决这些问题的第一步是讨论大型星座造成的低轨卫星空间环境的变化，可能需要随着碎片环境的变化更新最先进的空间碎片模型。

正在采取的一种有效预防性措施是实施碎片减缓政策，让航天器在寿命结束时重返大气层。然而，如果成百上千颗报废或出现故障的星座卫星几乎同时脱离轨道，这种方法还能否奏效，仍然是一个悬而未决的问题。

应对碎片问题的其他方案包括主动清除和利用天基监视网络。还可以通过在轨服务减少成为碎片的故障或死亡卫星，但这种方法实施成本高昂且面临很大技术挑战。

空间交通管理监管方面，目前一旦确认了某一空闲轨位，通常的做法是寻求能够到达这一轨位的技术和经济上可行的办法，对影响其他操作员的干扰问题则未过多关注，航天器到达目标轨道或在寿命结束脱离轨道时可能造成这些干扰。而不远的将来，太空卫星之间不再有足够大的间隔。例如，轨道上增加数千颗卫星，某颗地球观测卫星可能意外在其视野中发现另一颗；或某一空间区域变得过于拥挤，以至于影响了从地面进行空间观测的质量——首颗“星链”卫星发射后就出现了这种事件。

除了监管，还需要克服一些技术挑战。例如，机器学习通过支持向量机用于监测卫星健康和解决管理问题，突出了神经网络在加强空间交通管理方面的巨大潜力。其他方法，如空间转发器和通过角形反射器或星载GPS接收机增强跟踪能力，也在推进中。

合（Conjunction，从地球上看两个航天器赤经/黄经相等的现象，即航天器相互靠近）评估服务的新概念也在开发中。2019年国际宇航大会上研究人员提出了一种地基服务原型系统，它可以与所有注册的卫星操作人员连接。除了集成不同的对象数据库和给出报警，它还可计算出最合适的规避机动。由于该服务具有全球态势感知能力，这种机动可以确保燃料消耗最小，同时避免“级联机动”。此外，在直接向相关航天器操作员提出机动建议后，它可以更新其数据库，并在机动完成后通知其他操作员。

澳大利亚政府正在资助一项采用地基激光“偏差器”的合评估服务。其目的是利用激光束从地面远程机动不协作的小物体，这在理论上可行，但考虑到所需的激光功率，仍面临巨大技术挑战。

3 结语

越来越多的小卫星将发射进入太空已成为明显趋势，利用这些卫星构建星座在全球覆盖通信、近实时地球观测和持续太空观测等领域极具吸引力。目前已有约一百家公司提出了星座建设计划，卫星大小集中在1千克到100千克范围，预计大部分卫星将于2025年在轨运行。这些卫星星座要可持续发展，主要面临星座管理、通信和空间交通方面的挑战。

其中，通信的发展最为成熟，相关研究涉及到基础设施集成和协议效率；星座管理方面比较明确的一点是需要提高自动化水平，而人工智能和基础设施共享将成为可行方案；空间交通管理方面准备最为不足，只是在应对空间碎片方面有较大发展。未来几年，空中交通管制方法有望扩展到太空领域，缓解当前自由空间政策带来的空间拥挤问题。