太空探索正在進(jìn)入航天器集群時(shí)代

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代小衛(wèi)星的優(yōu)勢越來越明顯，一方面，以美國、歐盟為首的航天大國已經(jīng)將現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)列為航天技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域之一；另一方面，多顆小衛(wèi)星協(xié)同工作完成復(fù)雜太空探索任務(wù)已成為當(dāng)今國際航天領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。航天器集群的應(yīng)用與開發(fā)必將成為未來國際太空發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。為了全面地呈現(xiàn)這一技術(shù)，本文首先討論微納航天器集群概念的產(chǎn)生、定義和功能，介紹了集群魯棒性、容錯(cuò)性和可擴(kuò)展性，指出了航天器集群的優(yōu)勢，然后歸納和總結(jié)了國內(nèi)外航天器集群的應(yīng)用模式，并比較詳細(xì)地分析了未來的國外航天器集群項(xiàng)目的應(yīng)用模式和價(jià)值，在此基礎(chǔ)上指出了航天器集群的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)和問題。

【關(guān)鍵詞】航天器  航天器集群  群智能  太空探索  微納衛(wèi)星

【中圖分類號】 V423.9                    【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2017.05.003

自20世紀(jì)80年代以來，隨著微電子、微機(jī)械技術(shù)迅猛發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，計(jì)算機(jī)外型越來越輕巧，功能也越來越強(qiáng)大。依靠這些技術(shù)的進(jìn)步，航天器也逐漸向小型化、低成本的方向發(fā)展。90年代以來小衛(wèi)星技術(shù)出現(xiàn)，其優(yōu)勢也越來越明顯。一方面，以美國、歐盟為首的航天大國已經(jīng)將現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)列為航天技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域之一；另一方面，多顆小衛(wèi)星協(xié)同工作完成復(fù)雜太空探索任務(wù)已成為當(dāng)今國際航天領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，航天器集群的應(yīng)用與開發(fā)必將成為未來國際太空發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。

隨著小衛(wèi)星的發(fā)展，微納航天器漸漸地成為了航天領(lǐng)域一個(gè)熱點(diǎn)問題。由于微納航天器采用了大量的高新技術(shù)，具有功能密度與技術(shù)性能高、投資運(yùn)營成本低、靈活性強(qiáng)、研制周期短、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的啟發(fā)下，由多顆微納航天器編隊(duì)飛行而構(gòu)成的“空間飛行集群”的概念被廣泛接受，并迅速成為航天領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的焦點(diǎn)。

目前，在天文觀測、深空探測、對地勘測以及空間技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)方面，美國國家航空航天局、德國宇航中心、歐洲空間局、日本宇航事業(yè)部以及中國航天局相繼提出并逐漸實(shí)施各式各樣的航天器集群計(jì)劃。未來航天器集群飛行模式必然會成為宇宙探索和空間應(yīng)用領(lǐng)域的主流。

航天器集群概念的產(chǎn)生

“航天器集群”這種新概念主要來源于對昆蟲群體的觀察。自然界存在很多集群性昆蟲和生物，比如蜜蜂、螞蟻、大雁和鳥等，即使沒有明顯的類似于人類社會的組織級別，這些生物在大群體中仍然可以共同合作，完成很多復(fù)雜的工作。未來，這種集群技術(shù)，可以用于清理海洋石油管道、深海探索、軍事偵察以及行星探測。

根據(jù)文獻(xiàn)分析結(jié)果可知，集群的概念已經(jīng)引起國內(nèi)外航天器設(shè)計(jì)和導(dǎo)彈設(shè)計(jì)領(lǐng)域的高度重視，如多彈攔截、智能卵石和小衛(wèi)星編隊(duì)等。如美國2008年啟動的計(jì)劃——“分布式模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)”也含有集群的技術(shù)成分，盡管項(xiàng)目計(jì)劃困難重重，并且目前已經(jīng)終止了，但世界各國的權(quán)威專家認(rèn)為：“項(xiàng)目計(jì)劃終止不等于這種理念終止，而這種理念將永存。”

直到今天，航天器集群還沒有統(tǒng)一定義，但有一個(gè)共識，即航天器集群是一片被控制的衛(wèi)星云，一個(gè)航天器集群是由多個(gè)航天器單體所組成，它們共同合作完成一個(gè)任務(wù)。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，它們形成一個(gè)松散的聚集族，本著簡單的行為和原則聚集在一起，好像昆蟲群體社會。而學(xué)術(shù)界認(rèn)為“任何一種受昆蟲群體或其他動物社會行為機(jī)制而激發(fā)設(shè)計(jì)出的算法或分布式解決問題的策略均屬于集群智能范疇”。由此可見，所謂航天器集群，是指數(shù)量巨大，至少100顆，甚至數(shù)千顆航天器組成的群體。

對于成百上千顆航天器組成的群體，其控制和管理就顯得尤其重要，采用常規(guī)的集中式的航天器管理模式來管理數(shù)量巨大的集群系統(tǒng)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。所以，結(jié)合集群理論研究航天器集群系統(tǒng)，探索集群系統(tǒng)的應(yīng)用，將會豐富和推動空間探索技術(shù)的發(fā)展。迄今為止，在集群理論探索方面，自組織聚集、自組織分散、連接運(yùn)動、協(xié)同傳輸、模式構(gòu)成和自組織建設(shè)仍然是熱點(diǎn)問題。

大多數(shù)的群體都存在一定的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部耦合緊密的群體大多都有如層次等級結(jié)構(gòu)，有些是社會分工造成，有些是以能力高低區(qū)分，這種結(jié)構(gòu)使得信息在群體間傳播快速且有效，促使集體行為快速執(zhí)行。不同的群體結(jié)構(gòu)中，個(gè)體所發(fā)揮的作用也不一樣，個(gè)體與環(huán)境、個(gè)體與個(gè)體之間的通信效率和通信范圍也隨之不同，最終導(dǎo)致的群體效果也不同。集群系統(tǒng)應(yīng)該具備一定的結(jié)構(gòu)，這是建立信息通道、實(shí)現(xiàn)個(gè)體交互的基礎(chǔ)。這里的結(jié)構(gòu)關(guān)系包括了結(jié)構(gòu)形式、連接關(guān)系以及個(gè)體的地位分工等。所以，未來航天器集群系統(tǒng)級也應(yīng)該具有生物自然群的三種主要功能。

魯棒性：航天器集群是在外界干擾和單體波動的情況下運(yùn)行，協(xié)作是分散式的，且構(gòu)成航天器集群的單體相對簡單，載荷是分布的，因此集群對環(huán)境的擾動具有魯棒性。

靈活性：航天器集群中的單體有能力協(xié)作其他單體完成任務(wù)，也有能力在不同的組里工作，且支持大量單體的自主行為。

擴(kuò)展性和容錯(cuò)性：航天器集群是個(gè)冗余系統(tǒng)，單體的缺失可以立即由另外一個(gè)單體補(bǔ)償，因此群中某一特定部分的故障不會使其停止工作。

縱觀各式各樣的航天器集群計(jì)劃

歐空局的CLUSTER計(jì)劃。CLUSTER于2000年8月發(fā)射，目前仍在運(yùn)行。CLUSTER計(jì)劃是由歐空局提出的，由四顆相同的衛(wèi)星組成，這四顆衛(wèi)星運(yùn)行于大橢圓地球極地軌道，軌道近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)高度分別為19000km和119000km。在實(shí)施CLUSTER太空計(jì)劃之前，一般情況下是采用單個(gè)航天器對空間環(huán)境的局部區(qū)域進(jìn)行探測，當(dāng)然也有特例，極少數(shù)的情況下采用了雙星探測，因此在對地球近地空間環(huán)境進(jìn)行探測時(shí)無法在三維的視角下完成。然而，CLUSTER計(jì)劃的成功實(shí)施，為地球空間探測領(lǐng)域開辟出了新的路徑。CLUSTER計(jì)劃在太空中采用了一個(gè)四面體的空間隊(duì)形進(jìn)行編隊(duì)飛行，并可根據(jù)不同探測任務(wù)對其星間距離進(jìn)行調(diào)整。這種航天器集群能夠監(jiān)測太陽離子和地球磁場之間的交互作用，從而得到太陽和地球電磁交互的三維模型。

ST-5計(jì)劃。2006年3月22日，美國成功發(fā)射了三顆衛(wèi)星（Space Technology 5, ST-5），旨在驗(yàn)證未來科學(xué)任務(wù)試驗(yàn)的新技術(shù)。單顆ST-5衛(wèi)星重24.75kg，采用機(jī)載發(fā)射方式入軌。三顆衛(wèi)星排成星座，近乎位于同一軌道面內(nèi)，每顆衛(wèi)星相距約354km，通過微推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)軌道與姿態(tài)的聯(lián)合控制。

ST-5計(jì)劃中的衛(wèi)星雖然在尺寸和重量上都小于其他衛(wèi)星，但每顆衛(wèi)星均可提供全套服務(wù)，具有動力、推進(jìn)、通信、制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制功能，以及搭載地磁場測量載荷的能力。該計(jì)劃有效驗(yàn)證了利用星座進(jìn)行極地極光研究的優(yōu)勢，小型無線電轉(zhuǎn)發(fā)器與常規(guī)天線、計(jì)算機(jī)優(yōu)化天線組成新型通信鏈路的可行性，小型動力系統(tǒng)的可行性以及地面系統(tǒng)制造技術(shù)的可行性。

ST-5計(jì)劃作為NASA“新千禧計(jì)劃”的一部分，它的成功實(shí)施為美國小型化航天部件、批量制造數(shù)十至數(shù)百顆微衛(wèi)星打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

MMS（Magnetospheric Multiscale Mission）項(xiàng)目。2015年3月，NASA通過“宇宙神”火箭成功發(fā)射了MMS項(xiàng)目的四顆衛(wèi)星，用以實(shí)現(xiàn)對地球電磁場的高精度測量。該項(xiàng)目中衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)和功能完全相同，衛(wèi)星的有效載荷包括等檢測設(shè)備高能粒子探測儀、電場儀器、數(shù)據(jù)處理設(shè)備離子分析儀、姿態(tài)敏感器磁強(qiáng)計(jì)和防干擾設(shè)備等。四顆衛(wèi)星組成一個(gè)邊長從1km到幾個(gè)地球半徑長度變化的四面體，能夠在地球磁層中，在三維視角下對磁邊界進(jìn)行相關(guān)的測量，以此來分析研究磁重聯(lián)現(xiàn)象。空間天氣的混亂主要是由太陽風(fēng)對地球磁層的影響造成，研究人員的主要任務(wù)就是結(jié)合MMS衛(wèi)星編隊(duì)對當(dāng)前的主流磁場理論進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

“天拓三號”微納衛(wèi)星集群飛行計(jì)劃。2015年9月，由我國高校自主研制的微納衛(wèi)星“天拓三號”搭載火箭長征六號成功發(fā)射進(jìn)入預(yù)定軌道。“天拓三號”衛(wèi)星集群中包含6顆衛(wèi)星，采用“一主五從”的模式進(jìn)行編隊(duì)飛行，其中主星的質(zhì)量在20kg左右，從星中包含有1顆1kg級的手機(jī)衛(wèi)星和4顆100g級的飛衛(wèi)星。在整個(gè)衛(wèi)星集群成功入軌之后，從星將與主星分離，以較為形象的“母雞帶小雞”的方式在太空形成微小衛(wèi)星的星間組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)6顆衛(wèi)星在空間中的集群飛行。

“天拓三號”星群系統(tǒng)中的主星也稱為“呂梁一號”，采用的衛(wèi)星體系結(jié)構(gòu)與立方星類似，即模塊化多層板式結(jié)構(gòu)，該星群主要任務(wù)是星載航空目標(biāo)信號監(jiān)視（ADS-B）、新型星載船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）的信號接收、20kg級通用化衛(wèi)星平臺以及火災(zāi)監(jiān)測等一系列新技術(shù)驗(yàn)證和科學(xué)實(shí)驗(yàn)。星載ADS-B能夠在全球范圍內(nèi)對航空目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)的空中流量測量，并實(shí)現(xiàn)對航空目標(biāo)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，為航空服務(wù)的空管系統(tǒng)提供高時(shí)效性的飛行數(shù)據(jù)，進(jìn)而能夠使得航空飛行的效率提高一個(gè)檔次。

多規(guī)模磁性層測量任務(wù)的四星編隊(duì)。2015年7月19號，美國宇航局執(zhí)行多規(guī)模磁性層測量任務(wù)的四星編隊(duì)首次排成三棱錐隊(duì)形飛行，也稱四面體編隊(duì)飛行，這是美國宇航局第四個(gè)太陽探測任務(wù)。采用這種隊(duì)形意味著科學(xué)家們可以利用這些探測器進(jìn)行三維觀察。三棱錐隊(duì)形對于提供地球空間環(huán)境的三維信息是至關(guān)重要的，如果四個(gè)探測器都在一條直線或一個(gè)平面上運(yùn)動，當(dāng)它們飛經(jīng)某個(gè)天體結(jié)構(gòu)時(shí)，就不能觀測到該天體結(jié)構(gòu)的完整形態(tài)。

因?yàn)樗男蔷庩?duì)每個(gè)探測器的軌道可以單獨(dú)調(diào)整，科學(xué)家們可以調(diào)節(jié)四個(gè)探測器之間的距離，類似于望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦，通過調(diào)整四星編隊(duì)的隊(duì)形，它們會讓不同過程成為我們的焦點(diǎn)，這樣就使得他們可以從很多不同的空間方位來研究磁重聯(lián)。

颶風(fēng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星器群。美國宇航局計(jì)劃2016年12月中旬在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射地球科學(xué)小型衛(wèi)星群，其任務(wù)是勘測一些科學(xué)家感興趣的關(guān)于地球科學(xué)的未知信息，從而更準(zhǔn)確地理解熱帶氣旋和颶風(fēng)的形成和強(qiáng)度。

颶風(fēng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星器群基于GPS道路導(dǎo)航技術(shù)，使用8個(gè)小型衛(wèi)星群測量地球海洋的表面粗糙度。科學(xué)家將利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算海洋表面風(fēng)速，進(jìn)而更好地分析風(fēng)暴的強(qiáng)度。“颶風(fēng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星群”聚焦于低成本、快速的科學(xué)勘測，是人類首次為地球颶風(fēng)勘測，衛(wèi)星群將完成單個(gè)探測器無法完成的任務(wù)，能夠穿透“颶風(fēng)眼壁”的暴雨，獲得關(guān)于風(fēng)暴強(qiáng)烈內(nèi)核的重要數(shù)據(jù)。所謂“颶風(fēng)眼壁”是雷暴云層的密集環(huán)狀結(jié)構(gòu)，它環(huán)繞平靜的颶風(fēng)眼，內(nèi)核區(qū)域就像是風(fēng)暴發(fā)動機(jī)，從溫暖表面海水抽取能量，再蒸發(fā)至地球大氣層。

“颶風(fēng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星群”能夠持續(xù)監(jiān)測全球熱帶颶風(fēng)帶緯度海洋的表面風(fēng)力。每顆衛(wèi)星能夠每秒進(jìn)行4次風(fēng)力測量，對于衛(wèi)星群而言，每秒能夠進(jìn)行32次風(fēng)力測量。

NASA擬派遣微型機(jī)器人艦隊(duì)探索木衛(wèi)二。“新視野”號探測器讓全世界都知曉了它的任務(wù)，花了10年時(shí)間飛了50億公里，確實(shí)夠震撼。最近，NASA又向美國政府要錢，計(jì)劃向木星發(fā)送一個(gè)龐大的微型機(jī)器人艦隊(duì)。

目前，人類對木星探索已經(jīng)進(jìn)行了三輪，第一輪美國“旅行者號”飛掠了木星，第二輪伽利略探測器專門研究木星，今年“朱諾號”探測器又抵達(dá)木星，這還不算一些借力木星加速的任務(wù)。“朱諾號”探測器全副武裝，使用了最先進(jìn)的防輻射技術(shù)來抵抗木星輻射?，F(xiàn)在，NASA已經(jīng)開始著手下一輪木星系統(tǒng)的探索，并邀請了全美10所高校參與木星微型機(jī)器人艦隊(duì)的研發(fā)，目標(biāo)是木衛(wèi)二。木衛(wèi)二是太陽系中除了地球外，最有潛力擁有生命的星球，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了冰下海洋，接下來就要對木衛(wèi)二實(shí)地勘察。

至于NASA為什么要研發(fā)微型機(jī)器人艦隊(duì)，這主要出于對經(jīng)費(fèi)方面的考慮。以立方星為架構(gòu)的微衛(wèi)星是一個(gè)方向，每個(gè)探測器任務(wù)專一，造價(jià)較低，比如可以收集木衛(wèi)二稀薄大氣的信息、攜帶高能粒子探測裝置后可研究帶電粒子的問題等。但NASA希望研制出更先進(jìn)的微型探測器，而不是簡約型的立方體平臺，能夠在太陽系內(nèi)廣泛部署。前期任務(wù)主要涉及對木衛(wèi)二的探索，比如對木衛(wèi)二大氣、冰層以及冰下海洋進(jìn)行針對性調(diào)查，后期將拓展至整個(gè)太陽系。南加州大學(xué)提出并且有能力開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)化的微型平臺，比如適用于登陸小行星、彗星，以及較大的衛(wèi)星等。NASA工程師打算研制一種飛往木星的微型機(jī)器人，稱為“windbots”，這種微型機(jī)器人外形呈多面體，穿越木星大氣層時(shí)，在木星大氣的湍流作用下，旋轉(zhuǎn)吸收能量，產(chǎn)生漂浮升力。它允許科學(xué)家詳細(xì)地研究氣體行星，也可以應(yīng)用于地球上的颶風(fēng)和龍卷風(fēng)的研究。

美國的ANTS集群探測系統(tǒng)。美國NASA受昆蟲社會行為的啟發(fā)，計(jì)劃于2020～2030年發(fā)射一個(gè)衛(wèi)星集群探索小行星帶，該計(jì)劃暫命名為ANTS（Autonomous Nanotechnology Satellite）。ANTS系統(tǒng)由1000顆皮星組成，其任務(wù)是利用群智能技術(shù)，探索和勘測小行星帶的小行星。ANTS系統(tǒng)運(yùn)行在小行星帶內(nèi)，這其中，空間環(huán)境十分惡劣，傳統(tǒng)的大衛(wèi)星是不能生存的。小行星帶介于火星和木星軌道之間，在這里估計(jì)有50萬顆小行星。

ANTS系統(tǒng)的主要任務(wù)就是想利用價(jià)格低廉的皮衛(wèi)星群完成小行星帶的勘探。為了克服任務(wù)規(guī)劃工作帶來的挑戰(zhàn)，NASA在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)模仿昆蟲的“無智能或簡單智能的主體通過任何形式的聚集協(xié)作而表現(xiàn)出智能行為的特性”，ANTS系統(tǒng)按照不同等級進(jìn)行管理，群衛(wèi)星體系結(jié)構(gòu)的等級劃分包括“隊(duì)”和“群”，“群”還包括“子群”等，不同衛(wèi)星裝載的儀器是不同的，所以需要協(xié)同工作和共享信息才能很好地完成任務(wù)。

在這個(gè)群衛(wèi)星系統(tǒng)里，有幾種不同類型的衛(wèi)星，一類稱為“Worker”，它們載有不同的載荷和儀器，如磁強(qiáng)計(jì)、X射線儀、質(zhì)譜儀和可見光和紅外相機(jī)等，每個(gè)“Worker”只能獲取一種特定的數(shù)據(jù)；另一類稱為“Ruler”，它們起統(tǒng)治作用，協(xié)調(diào)各個(gè)“Worker”工作，并確定勘測目標(biāo)；還有一類稱“Messenger”，僅僅起通信作用，它們是地球、“Worker”和“Ruler”之間的信使。每個(gè)“Worker”都會主動勘測所遇到的小行星，然后把信息發(fā)送給“Ruler”，“Ruler”評估這些數(shù)據(jù)，形成一個(gè)總勘測報(bào)告。

ANTS系統(tǒng)的皮衛(wèi)星是依靠一艘飛船運(yùn)載到小行星帶附近的拉各朗日點(diǎn)，然后釋放。在ANTS系統(tǒng)中，80%的皮衛(wèi)星是“Worker”，當(dāng)“Worker”收集到數(shù)據(jù)時(shí)，它們首先把數(shù)據(jù)發(fā)給“Messenger”，同時(shí)這些數(shù)據(jù)也可以判斷“Worker”是否被毀壞，大約70％的“Worker”穿過小行星帶時(shí)被毀壞。這就要求它們有足夠的隊(duì)伍重構(gòu)能力，同時(shí)還要有很好的自恢復(fù)能力。

ANTS系統(tǒng)飛越小行星時(shí)，需要完成許多工作。它們首先要確定小行星的大小、旋轉(zhuǎn)軸、小行星的衛(wèi)星/月亮、軌道和盤旋點(diǎn)等。隨著獲取小行星數(shù)據(jù)量的增大，ANTS還會派更多的子群，參與協(xié)作搜集更詳細(xì)和更全面的小行星數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)高度的自主性計(jì)劃，基于社會結(jié)構(gòu)的推理方法必須運(yùn)用先進(jìn)的人工智能技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和遺傳算法等。為了輔助和維持高水平的自主性，更重要的任務(wù)還要考慮自主運(yùn)行的修正能力，以便適應(yīng)環(huán)境變化、遠(yuǎn)距離操控和低帶寬通訊等問題。

英國的“天基鏡群”方案。英國拉斯哥大學(xué)Massimiliano Vasile教授在分析小天體變軌的幾種流行技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，提出了一種基于航天器群建立“天基鏡子”的方案。該方案的部署是通過火箭將航天器群從地球發(fā)射升空，進(jìn)入預(yù)定軌道，然后航天器集群再自主地逐漸徘徊于目標(biāo)小天體附近，依靠協(xié)同控制技術(shù)，進(jìn)行優(yōu)化部署后，將太陽光能聚集到小行星表面的某一點(diǎn)上。

首次提出這種方法的并不是Massimiliano Vasile教授。早在1993年，美國亞利桑那州立大學(xué)的Jay Melosh曾建議將一面非常大的鏡子安放在一顆大衛(wèi)星上，以此來達(dá)到上述目的。

“天基鏡群”的工作原理是發(fā)射一個(gè)航天器集群，集群中航天器都是納型重量級的，每顆納型航天器攜帶一個(gè)小鏡子，一顆納型航天器就是一個(gè)鏡子模塊，然后通過統(tǒng)一的星務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行管理，建立一個(gè)天基群鏡系統(tǒng)，這樣就可以把反射太陽光聚焦于小天體表面的某一指定點(diǎn)，將小天體的表面加熱到至少2100°C，使得小天體汽化。汽化后的小天體內(nèi)部會噴射出氣體，由牛頓定律可知，小天體將會產(chǎn)生一個(gè)與噴射方向相反的推力，進(jìn)而改變小天體的軌道。

基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)對航天器集群進(jìn)行導(dǎo)航，結(jié)合自主控制技術(shù)，采用數(shù)十顆小衛(wèi)星組成集群，使直徑為數(shù)百米的小天體變軌是可以完全可行的。若利用10顆納型航天器群，每顆航天器均承載一個(gè)20m寬的充氣鏡子，大約可以在六個(gè)月內(nèi)使一個(gè)直徑約為150m的小天體發(fā)生變軌；若增加到100顆納型航天器，只需幾天的時(shí)間就可以完成上述任務(wù)；假如要使直徑為20km的小天體變軌，則需要集合5000顆納型航天器，匯聚太陽光至該小行星表面長達(dá)3年的時(shí)間就可以使其發(fā)生變軌。盡管目前控制5000顆航天器的技術(shù)有很多困難，但隨著群智能理論及其應(yīng)用技術(shù)的深入發(fā)展，對于數(shù)千顆航天器的協(xié)調(diào)控制，未來將不再是問題。所以航天器群的概念未來一定具有巨大的應(yīng)用前景。

航天器集群的管理

目前，從航天器集群的管理技術(shù)來看，不同的航天器集群具有不同的技術(shù)特征，歸納起來有四類：軌道跟蹤法、領(lǐng)航跟隨法、虛擬結(jié)構(gòu)法、蜂擁控制法。

軌道跟蹤法。單個(gè)的航天器一般都采用周期性軌道控制方法將航天器時(shí)刻保持在某特定軌道上，該方法也適用于微小型航天器集群的飛行任務(wù)，即將群系統(tǒng)中的成員航天器都控制在預(yù)先指定的期望軌道上。這種方法無需航天器間的信息交互，適用于群系統(tǒng)規(guī)模較小的情況，但對于數(shù)量較多的群系統(tǒng)來說，該方法不太現(xiàn)實(shí)。

領(lǐng)航跟隨法。在領(lǐng)航跟隨法中，引領(lǐng)航天器在規(guī)劃好的參考軌道上按計(jì)劃運(yùn)行，利用傳統(tǒng)的周期性機(jī)動，使得跟隨航天器跟蹤引領(lǐng)航天器，保持穩(wěn)定的相對運(yùn)動狀態(tài)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于群系統(tǒng)中大多數(shù)微小型航天器可以按照引領(lǐng)航天器的絕對軌道自然飛行，只需定期控制就能實(shí)現(xiàn)相對狀態(tài)的維持。在領(lǐng)航跟隨法中，由于引領(lǐng)航天器處于一種參考狀態(tài)，跟隨航天器保持整體構(gòu)型就需要消耗更多的燃料，因此未來需要圍繞能源消耗問題做進(jìn)一步的改進(jìn)。

虛擬結(jié)構(gòu)法。虛擬結(jié)構(gòu)法，即根據(jù)實(shí)際需求，給整個(gè)群系統(tǒng)分配一組合適的期望狀態(tài)，使得系統(tǒng)的整體狀態(tài)誤差最小。與領(lǐng)航跟隨法相比，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于群系統(tǒng)中所有的微小型航天器都有誤差存在，但該方法可以從宏觀角度考慮這些誤差，并引入燃料消耗加權(quán)，從而使得星間燃料消耗達(dá)到均衡狀態(tài)。該方法的關(guān)鍵技術(shù)是需要保證微小型航天器之間信息交互的暢通性，并強(qiáng)調(diào)整體的協(xié)同。

蜂擁控制法。群體系統(tǒng)蜂擁控制方法是近年來受到國內(nèi)外眾多領(lǐng)域高度重視熱點(diǎn)研究問題,主要借鑒仿生領(lǐng)域關(guān)于群體蜂擁行為的研究成果,集中在個(gè)體之間交互形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已知條件下的控制問題。當(dāng)微小型航天器集群系統(tǒng)中航天器個(gè)體數(shù)量較多時(shí)，若區(qū)域信息的交互能夠形成一定規(guī)則的形狀，則可以利用啟發(fā)式控制算法。大規(guī)模的航天器集群往往會帶來較為繁重的通信和計(jì)算負(fù)擔(dān)，而蜂擁控制法采用分布式并行處理模式，能夠很好地解決這個(gè)問題。但是蜂擁控制方法也存在著一定的缺陷，該方法沒有將碰撞規(guī)避的問題納入研究范圍，且該構(gòu)形下不是燃料最優(yōu)的。

結(jié)束語

相比于傳統(tǒng)的大衛(wèi)星，微納衛(wèi)星的研發(fā)成本低、設(shè)計(jì)周期短、功能密度高。成百上千顆微納衛(wèi)星構(gòu)成的集群靈活性高、魯棒性高，能完成大衛(wèi)星無法完成的任務(wù)，應(yīng)用前景廣闊，而發(fā)展微納衛(wèi)星集群的關(guān)鍵就是高集成模塊化技術(shù)和分布式協(xié)同控制技術(shù)，相信在不久的將來，隨著其功能的不斷完善，將會逐漸取代傳統(tǒng)衛(wèi)星成為空間應(yīng)用的主流。

從歷史上看，航天系統(tǒng)工程的發(fā)展將會帶動其他學(xué)科發(fā)展。上世紀(jì)60年代美國阿波羅登月所研制的新材料、新技術(shù)和新工藝推廣到各個(gè)領(lǐng)域，如果說美國的計(jì)算機(jī)水平一直領(lǐng)先于世界，可以說是得益于阿波羅計(jì)劃的推動。所以，類似地，今天航天器集群的技術(shù)也將推動其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

從國際上對航天器集群研究和應(yīng)用狀況看，未來的發(fā)展將從以下幾個(gè)方面開展研究工作：1）在性能不變的情況下，盡可能地降低空間任務(wù)的成本，即用低成本去完成傳統(tǒng)的太空探索任務(wù)；2）通過簡單的設(shè)計(jì)獲得高可靠性產(chǎn)品；3）引入群智能理論成果，利用先進(jìn)的微電子、微機(jī)械、微推進(jìn)和仿生技術(shù)等，研究航天器集群的自主或自治的管理技術(shù)，完成更復(fù)雜的太空探索。

責(zé) 編∕馬冰瑩

Space Exploration Is Entering the Era of Spacecraft Cluster

Wen Xin

Abstract: With the development of science and technology, the advantages of modern small satellites are becoming more and more salient. On the one hand, the modern small satellite technology has been listed as one of the key areas in the development of space technology by the space powers such as the United States and European Union. On the other hand, small satellites working together to complete complex space exploration missions has become a hot research topic in the field of international space. The application and development of spacecraft cluster will become the strategic focus of international space development in the future. In order to fully present the technology, this article firstly discusses the generation, definition and function of the concept of micro-nano spacecraft cluster, introduces the robustness, fault tolerance and scalability of cluster, and points out its advantages. After that, the article summarizes the application mode of the domestic and international spacecraft cluster, and thoroughly analyzes the application mode and value of the future foreign spacecraft cluster project. On the basis of this, this article shows the key technical points and problems of the spacecraft cluster.

Keywords: spacecraft, spacecraft cluster, swarm intelligence, space exploration, micro-nano satellite

聞新，南京航空航天大學(xué)航天控制系主任、教授、博導(dǎo)，沈陽航空航天大學(xué)北斗創(chuàng)新基地主任。研究方向?yàn)楹教炱鞴收显\斷、航天器集群智能控制、工業(yè)文化。主要著作有《航天器系統(tǒng)工程》等。