星群、星座与编队飞行的概念辨析

林来兴 张小琳

（1 北京控制工程研究所，北京 100190）（2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

《航天器工程》2012年第4期刊登了“卫星集群概念研究”［1］一文，这篇文章值得商榷。该文将“Satellite Cluster”英文译为卫星集群，实际应理解为“星群”，这是国内外公认的，不宜再作新的解释，星群（Cluster）也可以认为是卫星集群的简称。

编队飞行各颗卫星有同构和异构之分，F6属于异构编队飞行，对它编队飞行的要求放宽很多，只要达到各颗卫星能互相联系（信息交换连接），为此F6称为分离模块自由飞行航天器。历史上曾经出现过模块化卫星，要求对单颗卫星的各分系统、主要部件实现模块化、标准化，后来又进一步提出分离模块卫星的概念，这些概念是很清晰的，无须提出一个卫星集群的新概念。

文章第4节“卫星集群社会关系层次”显得有些牵强附会，因为卫星是一个空间产品，根据应用需求发展为星群、星座和编队飞行等，它们是物理上存在的状态，与社会关系有完全不同的性质。

文章多处强调，模块化分离卫星并不是单颗卫星。这是作者误解或者不理解，既然是模块化分离，那当然就是多颗卫星。

到目前为止，的确有些书刊文献存在对分布式空间系统、编队飞行、星座等确切的概念和内容说法不一，例如有文献说，“卫星编队飞行又称分布式空间系统”；也有文献明确说，“从轨道动力学角度，分布式卫星系统表现为多颗卫星的编队飞行”；还有把编队飞行和星座混为一谈，也有认为分布式卫星系统的各颗卫星之间在动力学上存在直接的相互作用关系。为此，本文对属于分布式卫星系统的星群、星座和编队飞行（含F6）的概念和它们之间的区别阐述自己的认识，供大家讨论。

2 分布式卫星系统的概念和内涵

星群、星座与编队飞行都属于分布式卫星系统（Distributed Satellite System，DSS）［2］。它们之间的相互关系如图1所示。

图1 分布式空间系统内涵Fig．1 Content of distributed space system

现将分布式卫星系统的概念和内涵简介如下：

分布式卫星系统的定义是：由2颗或2颗以上卫星按一定要求分布在1种或多种轨道上，共同合作完成某项空间飞行任务（例如：观测、通信、侦察、导航等），从而获得更大价值的卫星系统。在这里有必要明确一个重要概念：分布式卫星系统各颗卫星之间在动力学上是独立的，根据对分布在空间各颗卫星之间是否有外加星间闭路轨道控制系统和对分布在空间的各颗卫星运行过程中是否进行任何轨道操作这2项原则来确定的分类如下。

（1）编队飞行（Formation Flying）。在轨道上，分布式卫星系统的各颗卫星按自己的轨道特性运行，只有外加星间闭路控制系统才能保证它们按编队飞行要求保持队形。也就是说，分布式卫星系统各颗卫星必须有外加星间闭路轨道控制系统才能成为编队飞行。

（2）星座（Constellation）。分布在轨道上的各颗卫星主要目的是增加对地面的覆盖面积，或者缩短重访时间。这里不须要外加星间闭路控制系统。一般通过地面站对单颗卫星进行轨道位置调整就能满足星座要求，这是由于各颗卫星受到轨道摄动使轨道位置发生变化。星座轨道保持控制是定期的，例如几天或几十小时进行1次控制，周期长短决定于星座轨道摄动大小和星座位置保持精度。

（3）星群（Cluster）。根据空间飞行任务要求，设计各颗卫星在轨位置，当卫星发射成功以后，在运行期间不须要进行轨道操作，各卫星若受轨道摄动，所产生的位置变化也不影响飞行任务的完成。也就是说，星群不须要外加星间闭路控制系统，也不须要轨道操作，它是分布式卫星系统最简单的一种形式。星群大部分用于空间环境参数的观测任务，因为卫星有一定的工作寿命，在此期间卫星因轨道摄动，引起其位置变化不影响任务完成；例如ESA 的4 颗“团星”（Cluster-1、2、3、4）组成星群用来观测地磁场分布与变化。

3 编队飞行

3．1 编队飞行基本概念［3］

由若干个卫星构成一个特定形状，这个特定形状的各个卫星，一方面保持这个形状，同时又绕星球中心旋转。编队飞行各星相互协同工作。每个卫星都同其它卫星保持联系，共同承担信号处理，通信，有效载荷工作等，其任务功能是由整个编队飞行的各个卫星共同来完成，整个星群构成一个大的“虚拟卫星”。单个卫星基本不能发挥功能作用。编队飞行的集合体有时又称为虚拟卫星。

编队飞行分为同构编队飞行和异构编队飞行两种：同构编队飞行各颗卫星组成结构相同；异构编队飞行的各颗卫星组成结构不相同。F6就是典型的异构编队飞行。

3．2 编队飞行分类

根据编队飞行各颗卫星之间对外加闭路控制系统要求的不同，编队飞行又可分为以下3种：

（1）精确编队。须要采用空间自主精确控制与测量技术，从而严格保持编队的队形。各卫星之间是通过控制与测量系统，实现互相耦合的。

实例：类地行星探测器-1（TPF-1），恒星成像（SI），磁层空间大气层X 射线成像试验（MAXIM）。

（2）知识编队（Knowledge Formation）。编队飞行各个卫星之间有测量信息，但是星间不进行协调控制，也就是说编队飞行的队形是随时进行测量，获得队形分布状态，但不须要进行严格队形保持。

实例：激光干涉仪太空天线（LISA），地球重力场恢复与气候实验卫星（GRACE），三维定位系统（电子侦察卫星）［4］。

（3）合作编队。星间状态测量和控制仅在某阶段或一个时期进行，不须要长期进行测量和控制。

实例：在轨自主空间组合，自主交会。

3．3 编队飞行的优势

卫星编队飞行理论研究，早在上世纪70年代就开始，但是真正具有应用背景，而且引起世人极大关注是在上世纪90年代末期。为什么会引起世人如此关注？其原因在于编队飞行具有一系列优势，例如：

（1）编队飞行可构成空间应用的一种新概念——虚拟卫星；

（2）可提供极大测量基线，从而促进下列领域的发展，如，星载干涉仪、全球遥感、同步目标跟踪观测等；

（3）可由轻巧灵活的小卫星代替庞大复杂的大卫星；

（4）编队飞行卫星可以随时加入或退出（故障），具有很高的重构性、冗余性、安全可靠性；

（5）编队飞行一般都要协调联合控制，星间交换信息量很大，而且测量与控制要求精度高，为此需要高度自主性，从而也降低对地面站的依赖。

具有任务背景的卫星编队飞行应用项目越来越多，同时也证明上述编队飞行优势越来越大。为此可以预测随着时间推移，这个优势还会增大。

3．4 编队飞行目前的研究进展

编队飞行出现在上世纪末期，由于成本低、重量轻、研制周期短的小卫星快速发展，推动了编队飞行研究。本世纪以来编队飞行已成为空间技术的热点研究课题，目前，大部分是动力学理论研究和设计方案论证，一部分为空间飞行试验。在地球轨道编队飞行对军、民用都具有很大的优势，例如，多颗微波雷达卫星组成精确编队飞行，具有提高地面分辨率、可测量高程与监测地面低速运动目标、扩大覆盖幅宽等优点。但是由于低轨道地球扁平引起J2扰动，为了保证微波雷达相位同步，运行一年每颗卫星需要速度增量达上千米每秒，这样巨大的燃料消耗，使好的编队飞行无法在低轨道实现。为此，目前只能进行前后两星串联简单编队的空间飞行试验。多颗卫星在不同轨道的圆形编队飞行就很难实现，这是今后编队飞行攻关的重点课题。

3．5 异构编队飞行的F6项目

F6项目全称为“Future、Fast、Flexible、Frac-tionated、Free-Flying Spacecraft united by information exchange”［5］，中文译为“通过信息交互连接的未来、快速、灵活、分离模块的自由飞行航天器”，它是美国国防预先研究计划局（DARPA）先进航天术技研究与演示验证项目，为了创建未来、快速、灵活、长寿命、多功能的航天器。F6研究任务，把卫星各分系统、有效载荷、能源、通信导航、计算机等分解为多个标准模块，每个分离模块仍然是一个卫星，但是标准模块可以成批生产，从而大幅度降低成本、缩短生产周期，在轨道上哪个模块发生故障都可以快速更换，最终达到长寿命。

F6还要解决6项关键技术：自主发现、自动配置、故障自愈、自组织网络、安全可靠和抗干扰等技术。这种分离式模块化卫星完全克服过去单个模块化卫星受到的各种制约，但是初期投资成本很高，只有推扩应用以后，才能降低成本。但是快速、灵活、安全可靠性高、生存能力强等优势，对军用卫星来说，这些是比经济成本更重要的。

F6项目从2006年开始至今已有6年，先后完成概念设计与方案论证、关键技术研制，目前正在准备首次空间飞行演示验证，预计最少也需要3～4年时间才能完成全部空间飞行演示验证，真正分离模块卫星上天还要再加4～5年，然后才能评价F6任务的真正价值。为此F6项目前景存在较多未知数，绝不像文献［1］在文章结束语所说的那样简单。

4 卫星星座

为完成某一特定空间任务而协同工作的多颗卫星的集合，主要目的是增加对地面的覆盖面积，或者缩短重访时间。星座这个名词来自天文学，按其定义，是群星在天球上的分布形态，最早来源自一个拉丁字，意即“星星聚集”。随着空间技术的发展，人们把这一天文学名词加以引伸，根据各种应用的需要，建立各种卫星星座。

4．1 星座分类

（1）按应用分类：分为导航星座，通信或数据中继星座，遥感星座（侦察、预警、环境监测等），科学试验星座等。

（2）按覆盖要求分类：可用覆盖面积、覆盖重数、时间分辨率这三个指标来划分。按覆盖面积分为全球、地带（纬度限制、经度不限）、区域（纬度和经度均受限制）；按覆盖重数可取值为一重、二重、三重和四重等。按时间分辨率可分为连续、间断（10分钟、半小时、几小时等）。

（3）按轨道分类：分为近地轨道、中轨道、地球同步轨道、椭圆轨道、混合轨道等。

4．2 星座轨道设计

星座轨道设计首先取决于应用，不同星座的应用，具有不同星座轨道结构。各种星座轨道设计很复杂，人们仍然能够把星座轨道设计有关参数和影响因素归纳在表1中。

在轨道设计中有一种最常见的卫星星座，称为均匀对称圆轨道星座，包括δ星座、玫瑰星座、σ星座等。其共同特点是卫星星座中各轨道面在空间均匀分布，卫星在各轨道面内也均匀分布，不同轨道面间卫星的相位（指从卫星的升交点沿卫星运行方向至卫星星下点之间的球面角距）保持一定的相对关系。均匀对称圆轨道星座对全球有均匀的覆盖特性，在全球一重或多重连接覆盖类航天任务中常常采用这种星座。δ星座的概念最早由英国皇家飞行研究中心的J．G．沃克（Walker）提出，因而也称为沃克星座。δ星座用参考码中T／P／F和一个角度δ标记。参考码中T表示卫星星座中包括的卫星总数，P为卫星星座中的轨道面数目，F是用以确定相邻轨道面卫星相对相位的因子（F＝0，1，2，3，…，P-1），角度δ是卫星星座中所有轨道面相对参考平面（通常为赤道平面）的夹角。对于参考码为T／P／F的δ星座，每个轨道面内均匀分布S颗卫星，S＝T／P，相邻轨道面卫星的相位相差为F个星座基本单位。星座基本单位简记为PU，定义为PU＝360°／T。参考码为18／3／1，δ＝55°的δ星座，即各颗卫星轨道倾角均为55°。玫瑰星座是轨道面数目P＝T的一种特殊的δ星座，因其轨道在天球上的投影像一朵盛开的玫瑰花而得名。

表1 星座设计中几何结构因素［6］Table 1 Geometrical factors of satellite constellation design

4．3 星座的应用与发展

卫星星座的发展始于20世纪60年代。当时，人们认识到利用3颗在地球静止轨道上空均匀分布的地球静止卫星，可以实现除两极外的全球通信。之后，随着空间技术进步和应用方面需求，使得卫星星座的应用数量日益增加，它主要应用于3个方面。

（1）通信。如用于电视转播的地球静止轨道卫星星座，用于移动通信的地球低轨道的“铱”（Iridium）系统、“全球星”（Globalstar）系统，“轨道通信”（Orbcomm）系统等。一些国家军用通信卫星也往往采用星座的形式，如美国军用通信卫星中的“国防卫星通信系统”卫星（DSCS）、“舰队通信卫星”（Flt-SatCom）系统，苏联／俄罗斯军用通信卫星中的“闪电”（Molniya）卫星系统等。

（2）导航。如美国军用导航卫星系统中的“子午仪”（Transit）导航卫星系统（已关闭），“导航星”（Navstar）全球定位系统（GPS），苏联／俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS），欧洲“伽利略”（Galileo）导航星座和中国“北斗”（Compass）二代导航星座等。

（3）地球观测。用于军事目的的侦察卫星、海洋监视卫星、电子侦察卫星、预警卫星等。

随着空间技术的发展，特别是现代小卫星的出现，使得卫星星座应用在经济上和技术上具有很大优势。小卫星对地观测星座，特别是在低轨道的军事侦察、目标指引和监视小卫星星座，具有高的空间分辨率和时间分辨率，甚至可以达到时间分辨率趋近零的连续侦察，而且投资成本是可以接受的。例如，通过纳型卫星组成的星座。这里仅讨论6U 立方体纳型卫星星座（其他纳型卫星组成星座的工作原理相同）［7］。

目前较普遍采用Walker星座，具体要求：星座每颗纳型卫星的轨道高度和倾角完全相同，轨道为圆轨道（e＝0）。例如：对轨道高度为450km 的这种星座，重访时间为60min，需要35颗卫星；45min，需要50颗卫星；30min，需要65颗卫星；15min，需要100颗卫星；5 min，需要300颗卫星。如图2所示（轨道倾角i＝55°）。

图2 Walker星座重访时间与卫星数量的关系Fig．2 Relation between the revisit time and satellite number for Walker constellation

该星座由多颗6U 纳型卫星（结构见图3所示）组成，每颗卫星由2×3个立方体（6U）组成，卫星技术指标如下。

（1）卫星尺寸：20cm×20cm×30cm；

（2）质量：8kg；

（3）光学孔径：9cm；

（4）光学焦距：1．2m；

（5）空间分辨率：3．5 m（在450km 高的圆轨道）；

（6）姿态指向精度：0．01°；

（7）下行数据传输率：≥0．5 Mbit／s；

（8）寿命：3年。

图3 6U 纳型卫星结构外形Fig．3 Appearance of the 6U Nano-satellite

每颗6U 纳型卫星成本为100万～150万美元。由50颗纳型卫星组成的对地观测卫星星座可以实现全球覆盖，重访时间约45min，空间分辨率为3．5m（属于高分辨率范围）。50颗纳型卫星成本为5 000万～7 500万美元，这还不到1颗大卫星的成本。若重访时间提升到15 min，估计需要100颗纳型卫星，其成本也仅需要1亿～1．5亿美元，相当于目前1颗大卫星的成本。投资这样少的资金就能完成一个全球覆盖、实时态势感知和敏感目标监测的任务，这将对军事应用起到重大作用。

5 编队飞行和星座的区别

早期编队飞行与星座两者概念的区别并不十分清楚，甚至同一个问题在不同场合有两种称呼。目前书刊文献中仍然存在有这一现象。由于最近编队飞行技术迅速发展，它与星座概念已经有明显区别：

（1）编队飞行在应用上构成一个新概念——虚拟卫星，而星座仅增加地面覆盖区域，或缩短重访时间。编队飞行与星座的卫星有效载荷有很大区别：通常的卫星星座是以一定数量的完全相同的卫星平台和有效载荷组合起来的，解决空间和时间覆盖问题，其使命比较简单。编队飞行的有效载荷是由各星共同组成的，单颗卫星无法发挥作用，而星座中单颗卫星仍可发挥作用，只不过是使地面覆盖区域减少。

（2）编队飞行各星之间的相对队形保持是依赖外界控制系统，并成闭合回路；而星座则以单颗卫星轨道运动，星与星之间没有直接的动力学关系，星座位置保持是通过单星轨道控制保持对地覆盖特性。

（3）编队飞行星间距离短，各星之间是紧密型的，星间有通信和信息交换，各星是协同工作的，而星座各星之间是稀疏型的，可以不存在任何信息交换和服务。

（4）从控制观点来看，编队飞行一般要求实现自主、实时，多个卫星协调闭环控制，而星座控制一般达不到这种自主级别的实时协调控制能力，而只要求星座中各卫星的位置保持在规定精度的控制区内，不致发生相撞，或者在某种意义上不改变对地球的总体覆盖特性。

6 结束语

本文对星群、星座与编队飞行（含F6）的概念和它们之间相互的区别作了明确论述，可对纠正当前有些书刊文献中存在的有关星群、编队飞行、星座等模糊不清的概念有所帮助。

（References）

［1］董云峰，王兴龙．卫星集群概念研究［J］．航天器工程，2012，21（4）：83-88

DongYunfeng，Wang Xinglong．Research on conception of satellite cluster［J］．Spacecraft Engineering，2012，21（4）：83-88（in Chinese）

［2］Leitner J A．Spacecraft formation flying-an overview of missions and technology challenges，AAS 07-031［R］．Washington：AAS，2007

［3］林来兴．分布式空间系统和航天器编队飞行辨析［J］．航天器工程，2008，17（4）：24-29

Lin Laixing．Study on distributed space systems and spacecraft formation flying［J］．Spacecraft Engineering．2008，17（4）：24-29（in Chinese）

［4］林来兴．分布式小卫星系统的技术发展与应用前景［J］．航天器工程，2010，20（1）：60-66

Lin Laixing．Technological development and application prospects of distributed small satellite system ［J］．Spacecraft Engineering，2010，20（1）：60-66（in Chinese）

［5］DARPA．Appendix1F6 Developer’s［R］．Arlington：DARPA，2010

［6］林来兴，车汝才．卫星编队飞行精确动力学模型与三维定位系统［J］．宇航学报，2008，29（3）：831-837

Lin Laixing，Che Rucai．Accurate dynamics models of satellite formation flying and 3-dimension positioning system［J］．Journal of Astronautics 2008，29（3）：831-837（in Chinese）

［7］Andrews J．Constellation of distributed NanoSats for real time earth observation，IAA 2011B8-1002［C］／／8th IAA Symposium on Small Satellites for Earth Observation．Berlin：IAA，2011：4-8