卫星星座的有效管理及解决方案

陈笑121

在轨卫星：https://www.commsat.cn/
卫星星座：https://www.commsat.cn/

管理数量如此庞大的在轨卫星是受到关注的一个基本问题。过去在这方面做的工作并不多，但仍可以从一些项目中获得一些关键经验，如欧洲伽利略卫星导航系统，“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标是提高自动化水平，提出的解决方案分为两大类：


· 自动卫星跟踪优化(如遥测数据下载);

· 自动故障检测，操作人员无需人工检查卫星健康状态。

此外，仍要执行大量非自动操作，从所需运行提升和当前运行卫星星座获得的经验来看，以下几点值得关注：

(1)有效载荷运行和航天器运行分离，每一部分可能有专用的地面段。

(2) 受卫星尺寸限制，提高星上自动化水平并不总能实现。这种情况下，需在地面部署专家系统(作为算法集合和帮助操作员决策的机器，通常与人工智能有关)，用于完成高级任务，如预测、规划、诊断、维修等。

(3)从星座设计的初始阶段不仅要考虑地面段，还要考虑星座运行。

(4)专家系统设计应能协助操作员，并在星座运行期间保持工作负荷稳定，例如，减轻发射和早期轨道阶段的繁重工作量。

自动化需求方面，一个相关例子是防撞评估和机动规划，现在主要是靠人工完成。提升定轨精度有助于减少误报警和实现自动轨道修正。为了支持自动化需求，美国航空航天局(NASA)研究人员提出了一种基于人工智能的星载自动管理系统，这种系统不仅能检测故障，而且能自动处理并解决问题，同时修改初始计划。该方法的缺点是需要星间链路，在低成本策略下无法负担。另外，由此产生的密集星间通信可能造成RF频谱更加拥挤。

关于星座设计之初操作方面应考虑的问题，一是上文提出的自动化逻辑，这极大地影响着空间段设计开发的复杂度，至少是在软件方面。第二个必须要考虑的问题是替换策略，替换或备件策略是运营商为替换星座中出现故障或终止使用的卫星而采取的策略。大多数星座需要这样的策略来保证24/7服务。研究人员提出将库存管理方法应用于空间领域，即设立一组低于卫星星座轨道高度的停放轨道，备用卫星按照最优策略(即最小化总预期备用策略成本)从地面供给。然后，这些备用卫星在需要时被移动到星座中。另外，星座的可靠性也可以从建造过程的角度考虑(而不仅仅是卫星设计)，例如，采用故障模式和影响分析实现稳健的大规模生产。

考虑到星座规模趋势和在该领域的竞争力，部署策略也是一个要考虑的问题。从设计之初就必须考虑卫星部署，因为它对生命周期成本有重大影响。实际上，它既影响发射次数，也影响要发射卫星的复杂性。原则上，每个轨道面需要一次发射，而且星载推进系统(如果有)的复杂性会根据发射后的操作而变化。根据市场需要逐步部署卫星，可以显著降低星座的生命周期成本。另一种方法是考虑采取用遗传算法优化的分阶段部署。这种方法看起来比较有吸引力，因为它使星座大小能根据市场反应进行调整，而市场反应很难预测。

其他有效的部署策略还包括采取运载飞行器部署等方法，在空间配置轨道避免多次发射。研究人员还设想使用地月拉格朗日点L1，不过，这种解决方案可能只在与运载飞行器结合时才方便。