未来航天发展重要趋势之一:航天器编队飞行技术

　　航天器编队飞行是20世纪90年代中后期随着计算机技术、新材料、新能源技术发展而出现的一种新型航天器空间运行模式。航天器编队飞行就是在有心力场中多颗轨道周期相同的航天器进行近距离飞行，彼此之间可形成特定的相对运动轨道，而且航天器之间还能够互相协同，密切联系，以分布方式构成一颗巨大的“虚拟航天器”(又被称为“分布式航天器系统”)。航天器编队飞行不同于传统的单航天器系统或者星座系统，具有特殊的运动力学特征，展现出突出的技术优势，因此已经被各航天强国所青睐，成为代表未来航天器发展趋势的新型技术之一。

　　Techsat-21计划的三卫星编队

　　根据美国国防部在2000年发布的《空间技术指南》，航天器编队飞行的突出特征是航天器的“空间分布”和“集群化”。“空间分布”使得航天器编队系统具有传统航天器所不具备的“长基线观测”和“大空间视角”，从而带来航天器有效载荷的工作性能提升;“集群化”，一方面通过多冗余提高航天器系统的空间生存能力，一方面通过航天器的大量分布，提高了航天器有效载荷工作时的广阔性、连续性和稳定性。此外，航天器编队飞行时进行的协同作业，增强了航天器系统应急处理能力。

　　目前，美国空军研究实验室、美国、欧洲太空局、德国宇航中心、法国宇航局和瑞典国家太空委员会等都已经展开基于航天器编队飞行的对地观测、天文观测和技术验证等研究项目。

　　卫星稀疏孔径编队

　　美国空军研究实验室从1998年开始发展的Techsat-21计划就是一个典型的航天器编队飞行研究项目，探索利用多颗X波段雷达卫星组成编队飞行在空间形成稀疏孔径雷达阵列，可以实现全天候、全天时的GMTI地面动目标指示和对地高分辨率成像。卫星编队系统采用了许多新技术，比如开放卫星架构、先进T/R模块、脉冲等离子推进系统等，尤其是基于MEMS的卫星姿态敏感器以及基于差分式GPS的编队星间状态测量。

　　由于Techsat-21计划的技术难度较大，美国空军研究实验室已经将该计划并入天基多孔径技术研究计划(SMART)下继续发展。此外，美国NASA戈达德空间飞行中心主导的EO-1/Landsat-7编队飞行计划也成功验证了卫星自主编队飞行控制技术。在没有地面干预的情况下，卫星可以自主制定、执行和校正编队飞行计划，能使其相对距离误差控制在50千米之内，为航天器编队飞行控制算法的应用奠定了基础。

　　从目前的进展来看，航天器编队飞行还处于研究和探索阶段。航天器编队飞行需要解决的关键技术之一就是编队航天器之间相对位置的高精度确定，它既是保证航天器有效载荷正常执行工作的前提，也是航天器编队飞行的基础。目前，高精度的航天器间相对位置确定已经发展出了多个手段，利用全球导航卫星系统进行测量是比较有效的一个手段，而且测量精度高、设备体积小、重量轻。但是随着航天器运行轨道的升高，特别是在高轨、同步轨道，可全球导航卫星数量逐渐减少，将导致测量精度大受影响，如何妥善解决这一问题还有待EKF/UKF滤波算法的优化和改进。

　　值得关注的是历经十几年的发展，航天器编队飞行概念的外延也日益丰富，除了传统的近圆轨道编队，还出现了椭圆轨道编队、平动点编队、洛伦兹力编队、电磁力编队、库仑力编队、光子绳系编队和库仑力-洛伦兹力编队等新的编队飞行概念，显示了航天器编队飞行的巨大生命力和发展前景。