基于MBSE的卫星工程(4)

基于MBSE的卫星工程(4)

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相关衍生概念辨析





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01

小卫星

Small Satellite

20世纪50年代~80年代,由于运载火箭的发射能力不断提高,用户对卫星容量需求的增加,加上冷战时期各国空间预算普遍增加,所以卫星总的发展趋势是大型化、复杂化。从80年代末开始,卫星技术的发展呈两种趋势:
一是继续发展大型复杂化卫星,卫星的重量和成本都大幅度增加;
二是发展可快速研制、生产和发射的低成本小卫星。
小卫星迅速发展的原因可概括为如下几点:
(1)高新技术的进步是现代小卫星发展的重要推动力和必然结果。
(2)冷战结束和军备竞赛的减弱,使空间项目更加注重实效,这促进了小卫星的发展。
(3)经济和社会发展对卫星应用需求的迅速扩大,也促进了以小卫星为基础的星座系统开发。
(4)高技术条件下的现代战争对发展小卫星提出了迫切的需求。
(5)科学实验和新技术验证都需要通过发展小卫星来实现。
(6)提高发射频度、降低风险的需要。

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2017年7月14日,拜科努尔成功发射斯图加特大学研制的一颗名为“飞行笔记本电脑”的110公斤微小卫星(网络图)

在小卫星发展的基础上,由于微小型化技术的快速发展,更进一步促进了小卫星向微小型化发展。美国航宇局将小卫星定义500kg以下。英国萨瑞大学还进一步将100kg~500kg的卫星称为微小卫星(MINISAT),10kg~100kg的卫星称为微型卫星(MICROSAT),10kg以下的卫星称为纳米卫星(NANOSAT)。纳米卫星还称固态卫星、硅微卫星,其自身通常无法独立完成空间任务,需要依赖分布式的星座或网络才能实现其功能。
用重量(或者尺寸、经费)来定义和分类现代小卫星具有清晰和直观的优点,但却无法阐述现代小卫星的特点,尤其是它与传统小卫星的区别。因此,现又提出用功能密度(卫星分系统单位重量的功能)进行分类的方法,但这种方法又难于直观给出小卫星的概念。因此,严格来讲,现代小卫星又是卫星技术发展进步的一种表述。

02

微小卫星

Mini Satellite

不同于传统大卫星的运载火箭定制专用发射,微小卫星的发射模式更加灵活。
目前,搭载发射和一箭多星已成为其发射的主要方式,例如2015年我国利用长征六号火箭成功实现1箭20星发射,这种密集的发射模式降低了微小卫星的发射成本,提高了大规模批量化部署的能力,进一步推动了微小卫星的产业化发展;2017年11月21日12点50分,长征六号运载火箭第二次成功发射,“一箭三星”将吉林一号视频4~6卫星成功送入预定轨道。
另外,空间站释放也成为了发射微小卫星的一种选择,美国行星(Planet)公司(原行星实验室公司,于2016年6月更名)就利用国际空间站多次释放了大量的皮卫星。针对逐渐增长的微小卫星发射需求,众多宇航公司也在专门研制低成本小型运载器,例如我国长征六号运载火箭。
此外,飞机和退役火箭也可以改造成为发射微小卫星的运载工具,最典型实例是美囯国防先进研究计划局DARPA提出采用火箭装上多颗微型卫星搭载在飞机上,然后从飞机上释放出火箭最后由火箭把卫星射入轨道,发射不受地理条件的限制,此计划称为“空中发射辅助太空进入”,并已经开始实施。
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研发人员展示的超轻纳米卫星(网络图)
微小卫星研制周期短、成本相对较低的特点,使其成为商业投资的最佳切入点。例如众多商业遥感公司的目标是发展大量的微卫星并应用到更广泛的领域,包括油气资源勘探、自然灾害预报、城市规划农业监测、交通导航和环境监测等。随着微小卫星技术的进一步发展,以及与商业的深入融合,商业化将有可能成为推动空间技术发展的重要动力。

03

卫星集群系统

Satellite Swarm System

现代小卫星优势在国内外空间探测任务中体现的越来越明显。小卫星具有成本低、研制开发周期短、应用前沿技术、可靠性高的特点,成千上万的小卫星可构成集群,通过群体行为共同实现空间任务。

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NASA和洛克希德·马丁公司一直在研究将小型卫星编织成分布式蜂群的方法(网络图)

美国国家航空航天局( NASA) 提出一种探测小行星带的卫星集群系统( ANTS) ,利用1000 颗小卫星组成的星群,完成小行星带探测,其中群卫星系统被划分为不同等级,搭载不同载荷,利用群智能技术实现信息交互。美国国防先进研究计划局( DARPA) 提出一种将航天器以组为任务基本单位,利用无线通信技术,代替单个大型航天器进行空间任务的方案( F6 系统) 。

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小型卫星在轨道上重新编程,就像在智能手机上添加应用程序一样简单。将智能卫星等小型卫星编织成一个网络,用于太空通信和数据处理。卫星集群就像是一个‘蜂巢’,是一群自组织、自任务的异构节点。并不是说每一颗卫星上复制执行任务,但可以以特定的方式分发信息,如果其中一颗卫星发生故障等,其他卫星就可以接管。
该集群可作为永久性太空情报基础设施。来自卫星集群中的卫星数据可以在本地处理,然后关键数据位可以通过一系列节点传递到预期的目的地。可以用于从近地轨道到深空的各种环境。

群体智能方法可用于设计卫星控制器,也可用于解决卫星编队飞行问题。

01

应用场景


例如:成群的小卫星可以相互通信,从多个角度收集一天或一年中不同时间的重要天气模式的数据。这种使用机器学习算法的蜂群可能会彻底改变科学家对天气和气候变化的理解。一种可能是卫星群,卫星将在不同的轨道上运行,这将使它们能够以不同的角度观察云或其他现象。另一个蜂群可以用相似的视角观察同样的现象,但在一天的不同时间。第三种类型的星群可能将两者结合起来,一些卫星在同一轨道上,相互跟随,有一些时间偏移,其他卫星可能在不同高度和/或倾角的轨道上。

02

应用场景


卫星集群 是欧空局地球探索者机会计划中的一个小卫星星座任务,由丹麦国家空间中心提出。2007年1月,DNSC成为丹麦技术大学的DTU空间研究所。蜂群任务将是欧洲航天局继GOCE、SMOS和CryoSat-2之后的第4次地球探测任务。
在近地轨道上绘制地球磁场矢量的第一个任务是NASA的MagSat航天器(1979年10月30日发射)。由于近地点较低(近地点=350公里,远地点=551公里),MagSat在轨道上只停留了7个半月,直到1980年6月11日。大约20年后,丹麦的Ørsted微型卫星(1999-)、德国的CHAMP(2000-)、阿根廷的SAC-C(2000-)都是专门为绘制LEO磁场而设计的。最近这些任务的共同之处是磁强计包,它利用一个矢量场磁强计与一个星跟踪器(CHAMP为2个)共同安装在光学台上。随着仪器包精度的不断提高,以及建模方法向信号优化分解方向的改进,人们认识到,如果要打破最终的建模障碍时空模糊,就需要同时获得空间上多个点的数据。
Swarm任务的总体目标是建立在Ørsted和CHAMP任务经验的基础上,提供迄今为止最好的地磁场(多点测量)及其时间演化调查,通过提高我们对地球内部和气候的理解来获得对地球系统的新见解。
这将由三颗卫星组成的星座来完成,其中两颗将在较低的高度飞行,测量磁场的东西梯度,一颗卫星将在不同的当地时间部门的较高高度飞行。还将进行其他测量,以补充磁场测量。将这些多点测量结合在一起,就可以推断出导致测量场产生的一系列固体地球过程的信息。

【参考文献】
  1. 微小卫星技术的发展https://wenku.baidu.com/view/ce143afe2bea81c758f5f61fb7360b4c2e3f2aea.html?_wkts_=1671116940313&bdQuery=%E5%B0%8F%E5%BE%AE%E5%8D%AB%E6%98%9F

  2. 白雪,左小玉等. 小卫星集群系统任务规划与控制方法

  3. https://www.geekwire.com/2019/lockheed-martin-space-cloud-hivestar-satellites/

  4. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-works-to-give-satellite-swarms-a-hive-mind

  5. https://www.eoportal.org/satellite-missions/swarm#swarm-geomagnetic-leo-constellation



文章来源:MBSE知识库与应用案例    


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