飞行器和卫星网络的概述和发展前景

王利利 马海磊

摘 要：多个飞行器协同开展空间任务时，飞行器和飞行器之间、飞行器内部部件之间要进行数据和有关信息的交互，因此空间网络的发展也将会影响飞行器的发展，空间网络与在地面构建的网络差别很大，在空间中，在空间网络的建立、维修、差错处理时，人不能及时的实际介入，空间网络节点必须能够自主处理上述出现的问题，随着飞行器的发展，新型空间网络体制也将随之变的更自主、更智能。

关键词：飞行器；卫星；发展

1. 引言

传统的飞行器普遍外形庞大，功能复杂，研发周期长，这就导致飞行器还没有完成发射升空，就出现一些零部件老化，加上传统的飞行器物理结构一体化，飞行器内部结构之间相处牵制，相互制约，在飞行器的制造过程中，一个小部件损坏或者一件运行软件出现问题，将会导致整个飞行器的瘫痪，传统飞行器的弊端推动了新型优化的飞行器的发展。

2. 飞行器的概述和发展

由于传统的飞行器体型庞大且容易出现部件老化，为了防止研究多年的飞行器在飞行时出现问题，所以飞行器一个相同的部件要配备好多份，从而会使飞行器体积庞大、结构功能十分混乱、制造成本也比较高。随着信息时代的到来，航空航天技术也取得了很大的进步，随之也出现了许多新型的飞行器。若使飞行器在空间系统变得灵活、自主、高效，飞行器需进一步向模块化、标准化、系列化的方向发展。

在小卫星分类中，纳卫星的质量为1—10kg，皮卫星的质量为01—1kg，1999年美国斯坦福大学汤姆肯尼（Tom Kenny）教授根据多年对皮卫星研究积累的经验，提出了一种新概念的皮卫星，质量为1kg，结构尺寸为10cm*10cm*10cm的正立体，这种皮卫星被称为立方体星，又称为1个立方体星单元（1U），由若干个单元（n U）可以组成纳卫星。

飞行器的模块化用了物理分离技术，采用无线传输方式和编队飞行模式，构成逻辑上一体化的飞行器，其中立方体星在飞行器的模块化中起到了尤为至关的作用，逻辑上一体化的飞行器是由许多立方体星构成的或者飞行器自身的某些部件是由立方体星构成的，立方体星的标准化、模块化、易于技术更新、研制周期短，研制成本低等优点使得其在飞行器中的应用变得尤为广泛。

3. 卫星网络的简单介绍

卫星网络是由空间中飞行的飞行器、飞行器的构成元件、地面站为网络节点组成的空间网络，它和地面的网络不同，卫星网络的网络节点运动方式独特、网络规模少、网络节点和网络节点间距离比较大、可靠性要求严格。同时卫星网络还具有四大特征：自发现——自组织网络的网络节点可以自动检测到周围空间中的网络信号；自配置——网络节点和网络节点间的通信链路能够自动建立，多个网络节点可以构成一个网络拓扑关系图；自运行——卫星网络可以使数据通信服务更高效，而且对网络运行状态变化的随机性也比较适应；自保护——空间自组织网络采用安全通信协议进行自保护，包括身份认证和安全数据通信。

根据网络的作用域和性质可将卫星网络分为三层结构：星内自组织网络、集群自组织网络和星地互联自组织网络。

（1）星内自组织网络图：

（2）集群自组织网络图：

（3）星地互联自组织网络图：

在航空航天领域中，集群自组织网络应用的极为广泛，集群自组织网络还包括一系列的网络体系结构、网络协议等，在此不作深入讲述。

4. 飞行器和卫星网络的发展前景

飞行器和卫星网络的发展，可以用F6计划很好的体现，F6计划是美国国防高级研究计划局（DARPA）正在进行的一项新研究，F指的是——Future、Fast、Flexible、Fractionated、Free-Flying，音译过来为：“未来、快速、灵活、模块化、自由飞行”。

传统的飞行器质量、体积非常庞大，通常由卫星组成，F6计划是一种新型的卫星系统，它的构想是围绕使命任务， 采用了模块化和组合的概念，把一个飞行器的数据加工、能量配置、定位系统、数据处理等功能单元，优化拆分为多个模块，而不是把飞行器相互嵌套的分系统进行机械式分离。分离模块在功能上相当于是一颗卫星，每个模块都带有在空间执行任务的相关数据信息和能源，采用模块分离、编队飞行、数据交换和能源交换方式，功能上相互补充，能源上相互共享，形成一个逻辑上庞大的卫星来完成特定的任务。F6计划是把传统卫星上的重要部件将各自形成一个个单独的小卫星， 在主卫星附近飞行，这些小卫星一般由立方体星或者立方体星构成的纳卫星组成，多个立方体星可以构成一个星群，在这个星群中使用的卫星网络是集群自组织网络， 如果某个立方体星出现问题， 新立方体星将会对它进行补充替换。

F6计划共分为4个阶段：

①计划着重开发 F6 项目中的五项关键技术，它们分别为：功能完备的网络技术、可信传输的无线通信技术、分布式计算技术、能源传输技术和卫星自主控制导航技术。

②运用分离模块化的思想进行设计F6计划，力争可以让F6执行与国家安全相关的航天任务。

③在制造过程中对成本进行优化，综合考虑各种风险，把制造传统卫星系统的费用和采用模块化分离后的卫星系统的费用进行比较。

④设计一个试验平台，利用相关技术对具有分离的模块系统进行半实物模拟。

飞行器的分离模块化是近代设计飞行器的新方法，它可以高效的完成空间各种飞行任务。为了将分离模块化的概念进一步具体化， F6计划打算设计开发分离模块飞行试验系统，从而对相关技术进行具体演示，进而让这种新概念更清晰具体，具体化其潜在的巨大价值。模块化的飞行器在未来的航空航天和军事领域中，将会得到更为广泛的进步和发展。

“分离模块飞行器” 的核心技术是无线传输技术， 它包括各模块间数据的传输和能源的传输。无线数据传输技术发展的比较快，在很多领域都已应用。在 F6 计划中， 要想实现无线数据传输，适用于太空环境下无线传输的网络协议的建立是至关重要的， 它可以使模块间的无线通信变得安全可靠。

在F6计划中，如果卫星各组成模块分离，在模块数量众多的情况下，如何管理这些众多的分离模块，成为非常重要的问题。通常将模块设计成通用或标准模块，通过对这些模块采用不同的组合方式形成不同的系统，并不对每种系統进行单独设计，模块之间通过无线连接，F6设计的原理是“功能分解，结构分离，无线连接，编队飞行”，从而将多模块有效的进行管理。

5.应用前景

模块化的飞行器系统将会应用越来越广泛，其实它在逻辑功能上相当于一颗大卫星， 本质上它把传统的飞行器在质量上进行分解，从而使风险降低，卫星技术将会朝着模块化的方向发展。分离模块化的飞行器和集群自组织网络相结合，在间接遥控技术和相对定位与导航方面有了很大的发展。F6 计划是由美国在2007年提出的，近几年得到了很快的发展，如果F6 计划取得成功，无论是在军用、民用、还是在商业领域中，都将会得到广泛的应用，同时新型航天技术将会开辟出一片新天地。