大型小衛(wèi)星星座發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》宗旨：秉承星云大師“達(dá)人達(dá)己”的理念，我們調(diào)動(dòng)我們的智慧，專業(yè)、真誠、用心……為我們的合作伙伴在市場(chǎng)上出一份力。祝各家企業(yè)發(fā)展順利，年年進(jìn)步！

隨著小型化技術(shù)、設(shè)計(jì)能力、發(fā)射能力和市場(chǎng)需求的發(fā)展，小型衛(wèi)星發(fā)射頻率大幅加快。目前已提出了很多大型小衛(wèi)星星座，大多數(shù)預(yù)計(jì)將在未來十年內(nèi)發(fā)射入軌。這些星座在通信、氣象科學(xué)、安全/安保和災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都有很大應(yīng)用潛力。不過，目前還沒有成本效益高的基礎(chǔ)設(shè)施來支撐大型星座衛(wèi)星協(xié)同飛行。這些大型星座要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，仍面臨多重挑戰(zhàn)。

1 衛(wèi)星星座發(fā)展趨勢(shì)

從20世紀(jì)90年代到2015年，用于商業(yè)目的大型衛(wèi)星星座一直成功者寥寥。ViaSat、波音、三星、Yaliny、全球星和銥星等公司提出的衛(wèi)星星座或是不斷推遲、或是重新設(shè)計(jì)，或是以失敗告終。這些星座的目標(biāo)應(yīng)用都是通信領(lǐng)域，旨在通過不同的策略（中地球軌道或低地球軌道，大量或較少衛(wèi)星）提供全球連通能力。

過去幾年來，提出的衛(wèi)星星座經(jīng)歷了巨幅增長過程，一百多家公司試圖以不同方式占據(jù)不同市場(chǎng)。截止到2020年，除了上述提及的一些較早嘗試的公司，另有90多家公司或機(jī)構(gòu)也提出建設(shè)衛(wèi)星星座。

圖1 不同應(yīng)用領(lǐng)域提出的星座占比

從目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域看，這些衛(wèi)星星座可分為三類：地球觀測(cè)（面向科學(xué)或商業(yè)）、空間觀測(cè)和通信。從圖1可以看出，地球觀測(cè)應(yīng)用（氣象、災(zāi)害和報(bào)警監(jiān)測(cè)）與通信應(yīng)用（物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)對(duì)機(jī)應(yīng)用）是星座發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。

圖2展示了未來幾年擬在軌的星座衛(wèi)星數(shù)量趨勢(shì)。由于很多公司缺乏詳細(xì)的部署計(jì)劃信息，假設(shè)每個(gè)星座的部署速度保持穩(wěn)定，對(duì)于每個(gè)星座，第一次衛(wèi)星發(fā)射（發(fā)生或計(jì)劃發(fā)射）的年份與預(yù)期完成年份之差被視為部署窗口。用星座中的衛(wèi)星數(shù)量除以部署窗口，獲得了一個(gè)恒定的部署速率。如此，可以得到圖2所示衛(wèi)星數(shù)量。其中，有些沒有公布衛(wèi)星數(shù)量和預(yù)計(jì)完成年份的公司被歸到了NC（未分類）類。

圖2 預(yù)期星座發(fā)展帶來的衛(wèi)星數(shù)量增長

從圖中可以看出，到2024年，擬建設(shè)星座的在軌衛(wèi)星數(shù)量將達(dá)到8000顆。由此產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量提出了一個(gè)問題，即這種發(fā)展是否可能持續(xù)。例如，目前的地面段基礎(chǔ)設(shè)施可能無法勝任監(jiān)測(cè)和控制如此大量衛(wèi)星的任務(wù)。諸如KSAT等主要衛(wèi)星地面服務(wù)提供商已經(jīng)在投資擴(kuò)建基礎(chǔ)設(shè)施。同時(shí)，還必須要加強(qiáng)星座管理，以有效利用新基礎(chǔ)設(shè)施。這需要新的運(yùn)行體系架構(gòu)朝著實(shí)現(xiàn)更高自動(dòng)化程度方向發(fā)展，無論是星載還是地面，例如采用人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。第二個(gè)問題涉及通信，RF頻譜可能會(huì)過于擁擠，所需數(shù)據(jù)吞吐量越來越大。最后，但可能最重要的是，空間交通和軌道碎片問題，這可能會(huì)妨礙航天器的安全成功運(yùn)行。

就星座規(guī)模來看，約一半星座相對(duì)較小，包含衛(wèi)星數(shù)量小于50顆。包括50～150顆衛(wèi)星的星座看起來頗具吸引力，占到22%，更大的星座則占據(jù)較少份額，另有17%未宣布衛(wèi)星數(shù)量。

圖3 按衛(wèi)星數(shù)量統(tǒng)計(jì)的星座占比

就衛(wèi)星大小而言，明顯偏向于微納衛(wèi)星類別，反映了衛(wèi)星平臺(tái)總體小型化的趨勢(shì)。雖然有約35%的星座項(xiàng)目沒有宣布衛(wèi)星尺寸，但仍有32%屬于納衛(wèi)星級(jí)別，18%屬于微衛(wèi)星級(jí)別。皮衛(wèi)星、小型衛(wèi)星、中大型衛(wèi)星較少，共占15%。這意味著星座將由重量主要從1到100公斤的衛(wèi)星組成。

表1 衛(wèi)星按質(zhì)量大小分類

2 未來挑戰(zhàn)

大型星座將需要改變目前的空間任務(wù)處理方式，主要挑戰(zhàn)涉及星座管理、通信和空間交通管理。

管理數(shù)量如此龐大的在軌衛(wèi)星是受到關(guān)注的一個(gè)基本問題。過去在這方面做的工作并不多，但仍可以從一些項(xiàng)目中獲得一些關(guān)鍵經(jīng)驗(yàn)，如歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，“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標(biāo)是提高自動(dòng)化水平，提出的解決方案分為兩大類：

· 自動(dòng)衛(wèi)星跟蹤優(yōu)化（如遙測(cè)數(shù)據(jù)下載）；

· 自動(dòng)故障檢測(cè)，操作人員無需人工檢查衛(wèi)星健康狀態(tài)。

此外，仍要執(zhí)行大量非自動(dòng)操作，從所需運(yùn)行提升和當(dāng)前運(yùn)行星座獲得的經(jīng)驗(yàn)來看，以下幾點(diǎn)值得關(guān)注：

（1）有效載荷運(yùn)行和航天器運(yùn)行分離，每一部分可能有專用的地面段。

（2） 受衛(wèi)星尺寸限制，提高星上自動(dòng)化水平并不總能實(shí)現(xiàn)。這種情況下，需在地面部署專家系統(tǒng)（作為算法集合和幫助操作員決策的機(jī)器，通常與人工智能有關(guān)），用于完成高級(jí)任務(wù)，如預(yù)測(cè)、規(guī)劃、診斷、維修等。

（3）從星座設(shè)計(jì)的初始階段不僅要考慮地面段，還要考慮星座運(yùn)行。

（4）專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)能協(xié)助操作員，并在星座運(yùn)行期間保持工作負(fù)荷穩(wěn)定，例如，減輕發(fā)射和早期軌道階段的繁重工作量。

自動(dòng)化需求方面，一個(gè)相關(guān)例子是防撞評(píng)估和機(jī)動(dòng)規(guī)劃，現(xiàn)在主要是靠人工完成。提升定軌精度有助于減少誤報(bào)警和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)軌道修正。為了支持自動(dòng)化需求，美國航空航天局（NASA）研究人員提出了一種基于人工智能的星載自動(dòng)管理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不僅能檢測(cè)故障，而且能自動(dòng)處理并解決問題，同時(shí)修改初始計(jì)劃。該方法的缺點(diǎn)是需要星間鏈路，在低成本策略下無法負(fù)擔(dān)。另外，由此產(chǎn)生的密集星間通信可能造成RF頻譜更加擁擠。

關(guān)于星座設(shè)計(jì)之初操作方面應(yīng)考慮的問題，一是上文提出的自動(dòng)化邏輯，這極大地影響著空間段設(shè)計(jì)開發(fā)的復(fù)雜度，至少是在軟件方面。第二個(gè)必須要考慮的問題是替換策略，替換或備件策略是運(yùn)營商為替換星座中出現(xiàn)故障或終止使用的衛(wèi)星而采取的策略。大多數(shù)星座需要這樣的策略來保證24/7服務(wù)。研究人員提出將庫存管理方法應(yīng)用于空間領(lǐng)域，即設(shè)立一組低于衛(wèi)星星座軌道高度的停放軌道，備用衛(wèi)星按照最優(yōu)策略（即最小化總預(yù)期備用策略成本）從地面供給。然后，這些備用衛(wèi)星在需要時(shí)被移動(dòng)到星座中。另外，星座的可靠性也可以從建造過程的角度考慮（而不僅僅是衛(wèi)星設(shè)計(jì)），例如，采用故障模式和影響分析實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的大規(guī)模生產(chǎn)。

考慮到星座規(guī)模趨勢(shì)和在該領(lǐng)域的競爭力，部署策略也是一個(gè)要考慮的問題。從設(shè)計(jì)之初就必須考慮衛(wèi)星部署，因?yàn)樗鼘?duì)生命周期成本有重大影響。實(shí)際上，它既影響發(fā)射次數(shù)，也影響要發(fā)射衛(wèi)星的復(fù)雜性。原則上，每個(gè)軌道面需要一次發(fā)射，而且星載推進(jìn)系統(tǒng)（如果有）的復(fù)雜性會(huì)根據(jù)發(fā)射后的操作而變化。根據(jù)市場(chǎng)需要逐步部署衛(wèi)星，可以顯著降低星座的生命周期成本。另一種方法是考慮采取用遺傳算法優(yōu)化的分階段部署。這種方法看起來比較有吸引力，因?yàn)樗剐亲笮∧芨鶕?jù)市場(chǎng)反應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，而市場(chǎng)反應(yīng)很難預(yù)測(cè)。

其他有效的部署策略還包括采取運(yùn)載飛行器部署等方法，在空間配置軌道避免多次發(fā)射。研究人員還設(shè)想使用地月拉格朗日點(diǎn)L1，不過，這種解決方案可能只在與運(yùn)載飛行器結(jié)合時(shí)才方便。

星座運(yùn)行過程中，通信是個(gè)關(guān)鍵問題，實(shí)際上

· 星載自動(dòng)化不太可能發(fā)展到允許完全自主星群管理的程度，因此大量衛(wèi)星需要頻繁與地面通信。

· 星座通常針對(duì)實(shí)時(shí)需求設(shè)計(jì)，需要隨時(shí)上傳/下載數(shù)據(jù)。

這兩點(diǎn)引起了對(duì)RF頻譜劃分的關(guān)注。過度擁擠的RF頻譜可能導(dǎo)致相鄰RF信號(hào)間的物理干擾。同時(shí)，通信基礎(chǔ)設(shè)施的通信容量應(yīng)與RF信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量同步增長。

學(xué)術(shù)界正致力于解決這兩個(gè)問題。基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化最有前景的一種方法是空間和地面通信網(wǎng)絡(luò)之間的共享和集成，特別是考慮到新興的5G業(yè)務(wù)。最初的設(shè)想是使用IP通信將地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集成到一起，后來又提出發(fā)展支持IP通信的移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)，由于當(dāng)時(shí)低軌星座（如銥星和全球星）發(fā)展并不順利，受負(fù)面經(jīng)驗(yàn)的影響，以及出于成本效益考慮，建議使用地球同步軌道衛(wèi)星。近幾年來，低軌衛(wèi)星作為通信基礎(chǔ)設(shè)施的潛力再次受到關(guān)注。5G地面網(wǎng)絡(luò)與天基網(wǎng)絡(luò)集成提供全球連接是關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)；另外關(guān)注的是如何實(shí)現(xiàn)高效星間鏈路。

對(duì)于低自主性航天器所需的頻繁通信，一個(gè)更實(shí)際的解決方案是利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)地面站網(wǎng)絡(luò)。基于通信和硬件接口標(biāo)準(zhǔn)定義，這種方案已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。像KSAT或者KRATOS這樣的地面站供應(yīng)商正朝這一方向發(fā)展。例如，KRATOS設(shè)計(jì)了一種稱做quantumCMD的設(shè)備，這是一種小型計(jì)算機(jī)，當(dāng)集成到地面站時(shí)，可以運(yùn)行多達(dá)4顆衛(wèi)星。該設(shè)備的強(qiáng)大之處在于其能力可以隨著衛(wèi)星和地面站數(shù)量的增加而擴(kuò)展。

對(duì)日益擁擠的頻譜問題，解決方案主要集中在兩個(gè)方面：頻譜共享和加強(qiáng)監(jiān)管。如，數(shù)據(jù)庫輔助的頻譜共享，這種方式可以重新分配暫時(shí)未使用的頻譜。另一種完全不同的方法是使用光學(xué)頻譜。光通信可使用更小更輕的終端實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)率，但由于其對(duì)大氣條件高度敏感，更適合自由空間星間鏈路。低軌星座光通信系統(tǒng)當(dāng)前處于開發(fā)階段。

盡管當(dāng)前的研究還不多，但空間交通管理可能是星座競賽中面臨的一個(gè)最關(guān)鍵的問題。這一問題與空間碎片密切相關(guān)。碎片已經(jīng)是監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)（如美軍聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心JSpOC）和航天器操作人員規(guī)避機(jī)動(dòng)所面臨的一個(gè)問題。監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)能否生成報(bào)警并為未來空間交通提供進(jìn)一步輔助？如果某一星座有很高價(jià)值，但不能搭載推進(jìn)系統(tǒng)來避免碰撞，會(huì)怎樣？解決這些問題的第一步是討論大型星座造成的低軌衛(wèi)星空間環(huán)境的變化，可能需要隨著碎片環(huán)境的變化更新最先進(jìn)的空間碎片模型。

正在采取的一種有效預(yù)防性措施是實(shí)施碎片減緩政策，讓航天器在壽命結(jié)束時(shí)重返大氣層。然而，如果成百上千顆報(bào)廢或出現(xiàn)故障的星座衛(wèi)星幾乎同時(shí)脫離軌道，這種方法還能否奏效，仍然是一個(gè)懸而未決的問題。

應(yīng)對(duì)碎片問題的其他方案包括主動(dòng)清除和利用天基監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。還可以通過在軌服務(wù)減少成為碎片的故障或死亡衛(wèi)星，但這種方法實(shí)施成本高昂且面臨很大技術(shù)挑戰(zhàn)。

空間交通管理監(jiān)管方面，目前一旦確認(rèn)了某一空閑軌位，通常的做法是尋求能夠到達(dá)這一軌位的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行的辦法，對(duì)影響其他操作員的干擾問題則未過多關(guān)注，航天器到達(dá)目標(biāo)軌道或在壽命結(jié)束脫離軌道時(shí)可能造成這些干擾。而不遠(yuǎn)的將來，太空衛(wèi)星之間不再有足夠大的間隔。例如，軌道上增加數(shù)千顆衛(wèi)星，某顆地球觀測(cè)衛(wèi)星可能意外在其視野中發(fā)現(xiàn)另一顆；或某一空間區(qū)域變得過于擁擠，以至于影響了從地面進(jìn)行空間觀測(cè)的質(zhì)量——首顆“星鏈”衛(wèi)星發(fā)射后就出現(xiàn)了這種事件。

除了監(jiān)管，還需要克服一些技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，機(jī)器學(xué)習(xí)通過支持向量機(jī)用于監(jiān)測(cè)衛(wèi)星健康和解決管理問題，突出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在加強(qiáng)空間交通管理方面的巨大潛力。其他方法，如空間轉(zhuǎn)發(fā)器和通過角形反射器或星載GPS接收機(jī)增強(qiáng)跟蹤能力，也在推進(jìn)中。

合（Conjunction，從地球上看兩個(gè)航天器赤經(jīng)/黃經(jīng)相等的現(xiàn)象，即航天器相互靠近）評(píng)估服務(wù)的新概念也在開發(fā)中。2019年國際宇航大會(huì)上研究人員提出了一種地基服務(wù)原型系統(tǒng)，它可以與所有注冊(cè)的衛(wèi)星操作人員連接。除了集成不同的對(duì)象數(shù)據(jù)庫和給出報(bào)警，它還可計(jì)算出最合適的規(guī)避機(jī)動(dòng)。由于該服務(wù)具有全球態(tài)勢(shì)感知能力，這種機(jī)動(dòng)可以確保燃料消耗最小，同時(shí)避免“級(jí)聯(lián)機(jī)動(dòng)”。此外，在直接向相關(guān)航天器操作員提出機(jī)動(dòng)建議后，它可以更新其數(shù)據(jù)庫，并在機(jī)動(dòng)完成后通知其他操作員。

澳大利亞政府正在資助一項(xiàng)采用地基激光“偏差器”的合評(píng)估服務(wù)。其目的是利用激光束從地面遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)不協(xié)作的小物體，這在理論上可行，但考慮到所需的激光功率，仍面臨巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。

3 結(jié)語

越來越多的小衛(wèi)星將發(fā)射進(jìn)入太空已成為明顯趨勢(shì)，利用這些衛(wèi)星構(gòu)建星座在全球覆蓋通信、近實(shí)時(shí)地球觀測(cè)和持續(xù)太空觀測(cè)等領(lǐng)域極具吸引力。目前已有約一百家公司提出了星座建設(shè)計(jì)劃，衛(wèi)星大小集中在1千克到100千克范圍，預(yù)計(jì)大部分衛(wèi)星將于2025年在軌運(yùn)行。這些衛(wèi)星星座要可持續(xù)發(fā)展，主要面臨星座管理、通信和空間交通方面的挑戰(zhàn)。

其中，通信的發(fā)展最為成熟，相關(guān)研究涉及到基礎(chǔ)設(shè)施集成和協(xié)議效率；星座管理方面比較明確的一點(diǎn)是需要提高自動(dòng)化水平，而人工智能和基礎(chǔ)設(shè)施共享將成為可行方案；空間交通管理方面準(zhǔn)備最為不足，只是在應(yīng)對(duì)空間碎片方面有較大發(fā)展。未來幾年，空中交通管制方法有望擴(kuò)展到太空領(lǐng)域，緩解當(dāng)前自由空間政策帶來的空間擁擠問題。