衛(wèi)星自由組網(wǎng)用到的關(guān)鍵技術(shù)有哪些

導(dǎo)讀：低軌星座的衛(wèi)星數(shù)量龐大，如果完全依賴地面設(shè)施和人工進(jìn)行控制管理，將耗費(fèi)大量管理運(yùn)維精力。未來的技術(shù)愿景是讓低軌巨型星座自主運(yùn)行，讓衛(wèi)星在不依賴地面設(shè)施的情況下自主確定星座狀態(tài)和維持星座構(gòu)型，共同維護(hù)星座功能整體性以完成所負(fù)任務(wù)。而由于軌道阻力和衛(wèi)星壽命，星座成員的靈活加入和退出是自主化的基礎(chǔ)問題。

批量入網(wǎng)和退網(wǎng)需求

低軌巨型星座為了增強(qiáng)穩(wěn)定運(yùn)行能力，有的采取在軌備份的方式[1]，如Flock衛(wèi)星星座有數(shù)十顆衛(wèi)星在軌備份，以實(shí)現(xiàn)快速代替失效衛(wèi)星。有的通過優(yōu)化流程，將補(bǔ)網(wǎng)衛(wèi)星整個(gè)研制周期控制在半年內(nèi)，以達(dá)到快速補(bǔ)網(wǎng)的目的，如Spire衛(wèi)星。有的通過分批次發(fā)射，有計(jì)劃、逐批次進(jìn)行組網(wǎng)，最終實(shí)現(xiàn)全面運(yùn)營(yíng)，如Starlink衛(wèi)星。

一個(gè)由1000～1200顆衛(wèi)星組成的低軌衛(wèi)星星座層，按照目前每年120～150顆的發(fā)射速度，也需要7～8年完成，而小衛(wèi)星的普遍壽命是5～8年，也就是說星座剛完成組網(wǎng)，第一批發(fā)射的低軌衛(wèi)星壽命就到期，需要新發(fā)射的衛(wèi)星進(jìn)行替換，此后各批次也將如此往復(fù)下去。而目前的巨型星座的設(shè)計(jì)目標(biāo)大都在數(shù)千顆衛(wèi)星的體量，除了每次發(fā)射期間要面臨批量入網(wǎng)問題外，也即將面臨衛(wèi)星批量到壽離軌問題。綜上，衛(wèi)星存在批量入網(wǎng)和退網(wǎng)的現(xiàn)實(shí)需要。

圖表：新興低軌衛(wèi)星情況統(tǒng)計(jì)

自由組網(wǎng)用到的關(guān)鍵技術(shù)

衛(wèi)星在星座網(wǎng)絡(luò)中的自由加入和退出需要一些關(guān)鍵技術(shù)。 ?
首先，需要使用高精度的軌道預(yù)報(bào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的精確跟蹤和預(yù)測(cè)，以便在合適的時(shí)間和位置將新衛(wèi)星投入到軌道中。高精度軌道預(yù)報(bào)技術(shù)是衛(wèi)星星座實(shí)現(xiàn)自由組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過精確的軌道預(yù)報(bào)，可以將新的衛(wèi)星和已有衛(wèi)星進(jìn)行有效管理和組織。 ?

其次，自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)：衛(wèi)星的加入和退出會(huì)改變星座網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此需要自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的自由加入和退出。這包括動(dòng)態(tài)調(diào)整衛(wèi)星的位置和通信路徑，以保證整個(gè)星座網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和通信質(zhì)量。具體來說，需要使用高效的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨?，以確保衛(wèi)星之間的連接和通信效率最大化。保證衛(wèi)星星座整體網(wǎng)絡(luò)的可控性和可靠性。 ?

安全認(rèn)證和加密技術(shù)：衛(wèi)星的加入和退出需要進(jìn)行安全認(rèn)證和加密，以保證星座網(wǎng)絡(luò)的安全性。這包括衛(wèi)星身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密和安全通信等技術(shù)，以防止未經(jīng)授權(quán)的衛(wèi)星接入和數(shù)據(jù)泄露。另外，需要使用安全的云計(jì)算和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以確保衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性。這包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、驗(yàn)證和審計(jì)等多個(gè)方面的安全措施。衛(wèi)星星座需要處理大量數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、驗(yàn)證和審計(jì)等多個(gè)方面的安全措施，可以保障數(shù)據(jù)的安全性和防范惡意攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。 ?

高效動(dòng)態(tài)資源管理技術(shù)：衛(wèi)星的加入和退出會(huì)影響星座網(wǎng)絡(luò)的資源分配和利用，因此需要?jiǎng)討B(tài)資源管理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的自由加入和退出。這包括動(dòng)態(tài)分配帶寬、功率、頻率等資源，以滿足衛(wèi)星的通信需求。還包括實(shí)時(shí)的信號(hào)調(diào)度和管理，以及自適應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)和傳輸方式等方面。通過高效動(dòng)態(tài)資源管理，可以及時(shí)地調(diào)整和管理通訊網(wǎng)絡(luò)和鏈路，保障衛(wèi)星星座整體通訊效率和穩(wěn)定性。 ? 最后，需要建立完善的網(wǎng)絡(luò)控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)衛(wèi)星星座的遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)度和管理，以確保衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可控性和可維護(hù)性。 ? 這些技術(shù)的綜合應(yīng)用，可以使得衛(wèi)星星座具備更加高效穩(wěn)定的自由組網(wǎng)能力，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的快速擴(kuò)展、靈活調(diào)整和優(yōu)化升級(jí)。

? 能否實(shí)現(xiàn)自由出入隊(duì)的影響因素

衛(wèi)星星座的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫再|(zhì)通常會(huì)受到多種因素的影響，這些因素包括星座的設(shè)計(jì)目標(biāo)、軌道參數(shù)、通信需求等。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，衛(wèi)星星座中某個(gè)衛(wèi)星是否可以退網(wǎng)并加入其他衛(wèi)星星座是可以實(shí)現(xiàn)的，但同時(shí)也需要考慮星座拓?fù)湫再|(zhì)和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡等因素。

? 需要注意的是，衛(wèi)星星座通常會(huì)以一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如星型、網(wǎng)狀、環(huán)狀等，其目的是確保整個(gè)星座的覆蓋范圍和通訊效率。如果星座中某顆衛(wèi)星退網(wǎng)，則可能會(huì)影響整個(gè)星座的覆蓋范圍和通訊效率，尤其是在星座中衛(wèi)星數(shù)量比較少的情況下，這種影響就更為明顯。 ?

但是，隨著衛(wèi)星星座技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，衛(wèi)星退網(wǎng)和加入其他星座的變化已經(jīng)得到了更好的應(yīng)對(duì)。例如，現(xiàn)代衛(wèi)星星座通常采用的是自適應(yīng)通信技術(shù)，能夠在衛(wèi)星數(shù)量變化時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)通信鏈路，確保全球衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定通信。此外，衛(wèi)星星座的組網(wǎng)技術(shù)也在不斷發(fā)展，使得衛(wèi)星退網(wǎng)和加入其他星座的操作更加簡(jiǎn)單和靈活。 ?

總體來說，衛(wèi)星星座的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫再|(zhì)支持衛(wèi)星退網(wǎng)并加入其他衛(wèi)星星座的變化形式，但需要考慮星座的整體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡等因素，以保障星座的覆蓋范圍和通訊效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 阮永井，胡敏，云朝明，低軌巨型星座構(gòu)型設(shè)計(jì)與控制研究進(jìn)展與展望[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2022，42(1)：1-15

編輯：黃飛

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