2.4 小微卫星在航天任务中可承担的角色

许多航天任务都是使卫星在外层空间按照天体力学规律运行，实现人类探索空间和利用空间的任务。如同一般卫星那样，小微卫星也是在预定轨道上运行，它可能承担的角色有如下几种。

2.4.1 作为空间的观察平台

小微卫星的最大用途是作为空间的观察平台。基于卫星轨道优势实现地球轨道卫星的各种工程应用，分别建造侦察卫星、地球资源卫星、气象卫星、科学探测卫星、预警卫星、测地卫星、海洋卫星、减灾卫星、海事卫星、国境线卫星等，完成卫星侦察、地球资源探测、气象、预警、测绘、海洋监测、地球灾害监测、国境线监测等卫星应用任务。

从高空观察地面，最能发挥小微卫星的“视野广阔，持久观测和不需附加飞行动力”的优越性。另外，遥感技术的发展又给小微卫星提供了一双敏锐的“眼睛”。有了遥感技术的武装，卫星如虎添翼，极大地扩充了它的观察范围，提高了它的观察能力。遥感技术使卫星不仅看得远，而且看得深，不仅能看清千里之外物体的形状、大小、颜色等表观特征，而且还能够了解物体的温度、结构和成分等内部特性，不仅能看到地表上的物体，还能够发现隐藏在地下或水下的奥秘。在夜间，遥感设备可以根据物体辐射出来的红外线或微波认出它来，所以带有各类遥感设备的观察卫星应用非常广泛。

2.4.2 作为空间的中继站

小微卫星的第二个用途是作为天上的无线电“接力站”，即中继站。其“接力”的对象有两种：一是地面上相隔很远的地点之间的电话、电报、电视、传真和数据转发传送，二是卫星与地面之间的电视和数据传输。因此，分别建造通信卫星、广播卫星、数据中继卫星，进行各种通信、直接广播和天基数据传送。

2.4.3 作为空间基准点

小微卫星的第三个用途是作为舰船导航和大地测量用的基准点。

2.4.4 作为无人空间试验室

载人飞船和空间站是一种有人的观察平台。人有主观能动性和机动灵活的适应性，能够更加有效地进行侦察活动。载人飞船和空间站又是一个良好的试验站，宇航员、科学家可以在里面进行天文、地理、生物和医学等研究，还能利用空间的失重和高真空的特殊条件，从事各种新材料和新产品的试制。但是，有人空间试验室的代价是很大的。利用小微卫星作为一种补充，建立无人空间试验室是一种好的办法。

例如：“实践五号”作为两层流体空间试验室，利用计算机辅助的远动学技术，实现遥测、遥控、遥感、遥现、遥操作的联合运用，完成无人的全试验过程，实现了遥科学的技术方法。这是我国首座无人空间试验室，实时获得了热毛细对流和Marangoni对流两种物理模型在10-5g和10-2g两种微重力水平下的流动图像和温度数据，以及试验装置状态的工程数据参数，实现了天地交互式试验流程控制。这表明了我国采用遥操作与程控相结合的方式，进行空间遥科学试验是可行的。地面专家操控星上设备，设置各种温度参数和工作状态，获取约3.2 GB数字流场图像，约12000幅失重状态下液面运动的图像数据和30余小时全过程程控的多路试验温度数据，取得了成功的试验成果。图2-4-1所示为空间流体试验装置。

作为未来空间科学发展的重大目标之一，需要利用空间飞行器建立空间科学试验室，进行微重力科学、空间生命科学及其他科学项目的试验研究。越来越多的科学试验者希望能够利用遥科学进行空间科学试验。“实践五号”作为两层流体空间试验室的成功证明，利用小微卫星作为一种补充，建立无人空间试验室是一种有益的途径。基于遥科学的无人空间试验过程如图2-4-2所示。其星上部分包括星务系统服务、试验仪器主体、试验数据处理和结果传送。地面部分包括地面信息发送和接收、地面试验状况显示和试验分析专家组。

2.4.5 作为空间星群组合体

小微卫星具有“小”的特色，这导致资源缺乏，无力支持复杂的航天任务。为了避免这一点困难，除提升卫星本身的技术含量外，唯一的办法是利用多个小微卫星的组合，使用组合星群的集体力量和资源完成更大的航天任务工作。小微卫星的“小”，也带来了“多”，这样容易实现多星群体的组合建造。同时，基于星群组合，又能实现更有特色的航天任务工作。

小卫星群组合起来承担大任务的工作，有两大类实现办法。其一是根据多颗子星在空间的位置分布，实现具有广阔空域特色的任务，故它们也称为（空间）分布式卫星（Distributed Satellite），各个子星都是完整的卫星，其组成一般是相同的。根据空间位置和关系维系的方法不同，其又可区分为星座、编队飞行卫星、伴飞/绕飞卫星。其二是根据传统卫星的功能或任务进行分解，实施结构上的分离，形成各式模块，成为各个子星。这些子星的组建是不完善的，依据功能或任务拥有各种不同的模块，承担不同的部分航天任务。虽然它们的组成是不完善的，航天任务是不同的，但联合在一起，就成为一个完善的整星，可实现一个大的航天任务，故它们也称为模块子卫星（Fractionated Spacecraft）。再将多个模块组合成整星，称为空间组合体卫星（Combined Satel-lite）。根据组合的方法，其又可以区分为分离式模块化卫星、群体卫星、“航天母星”等。空间星群组合体如图2-4-3所示。显然，前一类星群强调空间上位置的分布，利用多个卫星空间位置的优势，强化星群的航天任务，丰富卫星的应用范围。后一类星群强调卫星各部分在轨飞行时，空间位置的分离和对接“动作”，利用这些动作提升小卫星的性能、延长在轨生存寿命、应对临时紧急任务等。

可见，不同于单颗卫星，引入卫星群的目的有二。其一是企图扩大卫星在轨工作空间范围，适应用户越来越高的需求。其二是解决单颗卫星将产品固定封装于同一空间之内，在轨不易拆封，不能更换部件和维修卫星，不能与星地之间交互有形物质的困难。基于这两个目的，把星群分成上述两种大类，它们的主要区别如下：

（1）分布式卫星一般由结构或功能相同的子卫星组成，各子卫星都是一个功能完善的传统整体式普通卫星，各子卫星的功能相对独立。子卫星之间有信息交互，但其运行不依赖其他子卫星的支持。而组合体卫星通常由异构的功能模块组成，这些功能模块已不具备传统卫星的完整功能，不能独立完成航天飞行任务。可见，分布式卫星的子卫星依然保留了传统整体式普通卫星的弱点和局限性，在轨不能或不易实现新、旧实体的流入或流出。分离模块卫星群，可以添加新的模块流入或某些模块的退出。这表明两者在子卫星的构成上是不同的，前者是完整的基本上同构的卫星，后者是不完善的只突出某一方面功能的异构模块。

（2）分布式卫星以相对严格的空间布局完成赋予的特定空域的航天任务。而组合体卫星群通过自由飞行方式以可变构型完成多样化的空间任务。这表明双方群体的空间布局是不同的，前者的空间距离和分布构形有严格的约束，后者没有这种约束。二者的任务模式也是不同的，前者利用空间构形完成特定的航天任务，后者利用卫星功能模块物理可分离的特性完成卫星在轨维修、支援、换代。

（3）由于空间存在距离，分布式卫星通常不涉及能量流交互，或仅有子卫星间的无线能量传输。而组合体卫星群，由于子卫星的不完善和存在功能的不同划分，必然存在模块间的能量传输以及力、力矩与动能的直接传递。

（4）分布式卫星通常只进行空间关系信息的交互，由地面站操控或自主控制，用于维持其子卫星间的空间布局（当然，这里回避了大面积有效载荷应用的信息传送）。组合体卫星群更加强调模块集群内部的和航天任务级的信息交互，或星群内功能模块的信息交互和管理。这表明子卫星间的信息流的范围存在差异，控制目的也不同。

从图2-4-3可见，对于卫星群的划分，除了“空间布局”和“组合体”这两个极重要的观点外，对于分布式卫星来说，另一关键点是在轨运行方式、维系布局的手段。依此，可以进一步划分出不同类型的分布式卫星，如（全球范围）星座、编队飞行分布式卫星。后者强调，在轨自主维系子卫星的空间布局，从而带来一系列新的技术难点和应用领域。对于组合体卫星群来说，另一关键点是组合模块之间的连接方式。依此，可以进一步划分出不同类型的组合体卫星群，如分离式模块化卫星，子卫星间无直接物理连接，借助无线电传送信息和能量；又如组合体之间按工况，时而直接连接时而分开。