CN109760852A - 一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器，该大规模飞行器由数千颗单元星、1颗中心星和1颗馈源星通过在轨自主组装和精密编队的方式构成；所述每颗单元星安装有三根可伸缩电磁对接杆，实现与三颗相邻单元星的机械对接，并在对接后实现星间有线能源和信息传输；数千颗所述单元星通过所述电磁对接杆组装构成大口径多功能天线面；所述中心星通过6根可伸缩电磁对接杆，与6颗单元星对接，并组装在天线面中心位置，作为整个大规模飞行器的信息、能源、控制中心；所述馈源星与所述天线面构成精密编队，精确保持在天线面型的焦点处。本发明避免了超大口径天线的在轨展开与构型保持难题。

Description

一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器及使用方法

技术领域

本发明属于飞行器设计技术领域，具体涉及微卫星集群的在轨组装、大口径天线面形精确调节领域。

背景技术

在深空探测领域，火星以远甚至太阳系外天体的探测任务成为未来的发展方向。对此类深空探测器的通信支持是首要解决的关键问题之一。部署在地球同步轨道甚至更高轨道的天基深空通信站，相对于地基深空网，不受地球自转遮挡、大气衰减等不利因素影响，在通信效率、距离上具备明显优势。但是，为满足深空超远距离通信需求，面临超大口径天线的在轨展开、面形保持、指向调节等难题。

在射电望远镜领域，地基望远镜的口径不断增大，世界最大的射电望远镜—贵州FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)***的口径已经达到500m。但是，地基***同样面临大气衰减、地面信号干扰等不利影响，因此，发展天基射电望远镜，成为国内外公认的未来解决途径。常规单颗大型卫星的方案同样面临超大口径天线的在轨展开、面形保持、指向调节等难题。

近年来，微纳卫星集群凭借快速响应、灵活部署、自主组网、成本低廉等特点，成为卫星领域主要研究方向之一。通过微卫星集群，在轨自主组装构成超大规模航天器，成为部署大规模航天器的有效途径。该途径具备三方面优势：一是微卫星集群可以分批多次发射，在轨逐步组装成数百吨的大规模航天器，从而降低对发射运载的需求；二是微卫星集群可以标准化、批量化制造，大幅降低研制成本；三是微卫星集群可以更换、补充，延长全***使用寿命，方便改进升级。

基于上述任务需求和发展趋势，本发明提出一种利用微卫星集群在轨自主组装构成超大口径天线面阵、面形与指向分布式调节、馈源星精密编队、深空通信与射电望远镜等多功能集成的大规模飞行器，为未来天基深空通信站、太空射电望远镜等超大规模航天器的研制和部署，提供有效途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器，该飞行器利用微卫星集群在轨自主组装构成超大口径天线面阵，通过各组成单元分布式调节天线面形与指向，通过馈源星的精密编队维持信号通路，集成深空通信与射电望远镜等多种功能模式，具备不受地面复杂电磁环境影响、发射运载需求低、批量化降低研制成本、方便延寿升级等优势。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器，该大规模飞行器由数千颗单元星、1颗中心星和1颗馈源星通过在轨自主组装和精密编队的方式构成；

所述每颗单元星均为微卫星，所述单元星承载可折叠的通信和/或电源复合面板载荷，所述面板载荷包括电致变色玻璃板、无线电波反射板、表贴太阳电池阵三层，同时具备反射无线电波、反射太阳光、太阳能发电功能；所述每颗单元星安装有三根可伸缩电磁对接杆，根部可一维转动，实现与三颗相邻单元星的机械对接，并在对接后实现星间有线能源和信息传输；数千颗所述单元星通过所述电磁对接杆组装构成大口径多功能天线面；

所述中心星通过6根可伸缩电磁对接杆，与6颗单元星对接，并组装在天线面中心位置，作为整个大规模飞行器的信息、能源、控制中心；

所述馈源星与所述天线面构成精密编队，精确保持在天线面型的焦点处，所述馈源星安装大型馈源载荷，用于空间无线电信号采集；所述馈源星安装反射天线，用于深空通信。

优选的，所述单元星安装有差分GPS、视觉相机、标志灯、低功率电推进***，差分GPS实现单元星与相邻单元星之间相对定位；单元星上安装的视觉相机对相邻单元星上的标志灯成像，进而解算确定相对位置和姿态；低功率电推进***提供各方向推力，实现单元星与相邻单元星的相对位置和姿态控制；上述***配合下，实现所述单元星与相邻单元星的自主相对测量与交会对接控制。

优选的，所述单元星面板载荷外形为等边三角形平板，所述等边三角形的三个角分别设置铰链，发射前可折叠成方形；所述面板载荷通过支撑杆安装到所述单元星上，发射前支撑杆倾转90°，使得所述面板载荷收拢在单元星本体一侧，并由火工品压紧，从而减小发射尺寸包络，方便实现批量发射；入轨后火工品解锁、所述铰链释放、所述支撑杆回正、使面板展开成等边三角形。

优选的，所述单元星的三根电磁对接杆可实现精确的长度伸缩控制，实现精确调整天线面形。

优选的，所述中心星在主动深空通信模式下，作为信号收发端，接收深空探测器遥测与载荷数据并下传地面，接收地面指令并发向深空探测器；同时通过电磁对接杆的供电和通信接口，构建覆盖数千颗单元星的总线能源和信息网络，负责所有单元星的指挥调度与指令控制，采集所有单元星的遥测数据并对地通信。

优选的，所述馈源星安装大型馈源载荷，采集整个天线面收集的空间无线电信号，处理后将数据发送到中心星；在馈源载荷前方安装可折叠反射天线，关闭时遮挡馈源载荷，反射天线工作，全***处于深空通信模式，反射天线与大口径天线面配合实现信号收发，打开时露出馈源载荷，全***处于射电望远镜模式，反射天线失效。

优选的，所述馈源星安装有差分GPS、激光雷达，在所述中心星上安装有对应的星间链路、合作靶标。

一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器的使用方式，其特征在于，所述中心星携带的深空通信载荷和数千颗所述单元星、所述的馈源星构成的巨型天线面可用于低速接收深空探测器的遥测信息，高速接收探测器回传的科学数据，也可接收到地面的遥控指令后，主动发送遥控指令给探测器。

一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器的使用方式，其特征在于，如权利要求1所述单元星、中心星、馈源星均暂时关闭所有测控通信设备，实现无线电静默和屏蔽，最大限度实现探测回路的纯净电磁环境；所述天线面阵接收到空间天体的电磁波信号后反射给所述馈源星，所述馈源星接收电磁波信号后进行高速处理，将获得的探测数据通过Ka波段数传发送到地面。

一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器的使用方式，其特征在于，如权利要求4所述通过控制单元星集群的对接杆系伸缩量，将所述天线面阵的面型由抛物面调整为平面；所述复合面板载荷上的电致变色玻璃上电，由透光状态转变为镜面反射状态，形成巨大的空间太阳光反射镜面；所述天线面阵边缘的所述单元星集群通过分布式测量和协同控制调节反射镜面的指向，使反射太阳光始终指向高轨某一卫星的方位，实现空间卫星的应急照射与发电。

大规模飞行器通过单元星调节大口径天线面形和面板载荷的太阳光反射状态，通过中心星收发通信数据和指挥调度整个***，通过馈源星反射或采集处理无线电信号，三类卫星相互配合，使得大规模飞行器一体化集成天基主动深空通信、太空射电望远镜和太阳光反射发电三种功能。

附图说明

图1为一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器构成图；

图2为面板载荷的折叠与展开状态；

图3为面板载荷三层组成；

图4为单元星通过电磁对接杆的对接组装示意；

图5为馈源星的两种工作模式；

图6为大规模飞行器的三种功能模式。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。本发明包含以下内容，但并不仅限于以下内容。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1所示，一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器，包含以下特征：

S1、***由数千颗单元星1、1颗中心星2和1颗馈源星3通过在轨自主组装和精密编队的方式构成；

特征S1中包含的在轨自主组装过程是

1颗中心星通过6根可伸缩电磁对接杆，与6颗单元星在轨自主对接组装构成初始组合体；每颗单元星承载三角形天线面板，以初始组合体为核心，数千颗单元星通过每颗单元星上安装的三根可伸缩电磁对接杆逐渐自主对接组装，数千块三角形天线面板最终形成超大尺度的天线面阵；

特征S1中包含的在轨精密编队过程是

1颗馈源星相对天线面阵完全独立，且与中心星上安装有差分GPS、激光雷达、合作靶标等相对测量产品，使得馈源星可以精确测量相对中心星的位置和姿态，进而馈源星利用化学推进、电推进、动量轮等执行机构，实现相对中心星位置和姿态的精确控制，精密保持在天线面阵的焦点上，从而无需传统天线机构的桁架支撑，即可精准维持无线电信号的传输通路；

S2、每颗单元星均为微卫星，承载可折叠的通信/电源复合面板载荷，具备与相邻单元星的自主相对测量与交会对接控制能力，通过电磁对接杆与相邻单元星对接组装，数千颗单元星组装构成大口径多功能天线面，且天线面形可调整；

特征S2中包含的可折叠的通信/电源复合面板载荷是

如图2所示，面板载荷外形为等边三角形平板，设置三处铰链，发射前可折叠成方形；面板载荷通过一个支撑杆安装到单元星上，发射前支撑杆倾转90°，使得面板载荷收拢在单元星本体一侧，并由火工品压紧，从而减小发射尺寸包络，方便实现批量发射；入轨后火工品解锁，弹簧铰链作用下，支撑杆回正，面板展开成三角形；

如图3所示，面板载荷主要包括电致变色玻璃板4、无线电波反射板5、表贴太阳电池阵6三层，电致变色玻璃板在正面，断电时透明，下层漫反射透过的太阳光，避免太阳光向馈源星汇聚导致过热，通电时镜面反射太阳光，照射目标卫星，支持目标应急发电；无线电波反射板位于中间，支持天线功能；表贴太阳电池阵位于反面，提供单元星所需电能；三层复合，使面板载荷同时具备反射无线电波、反射太阳光、太阳能发电功能；

特征S2中包含的基于电磁对接杆的自主对接组装是

如图4所示，单元星之间通过星间链路测距、视觉方位测量与立体视觉等模式实现自主相对导航，通过电-气复合推进***，实现相对位置和姿态的精确控制，从而实现星间自主接近与对接控制；每颗单元星上安装有三根可伸缩的电磁对接杆，根部可以一维转动，顶端装有电磁对接装置，分为阴极和阳极，在对接和分离时由电磁力提供辅助引力和斥力；对接后实现可实现单元星间有线能源和信息传输；对接杆由内外套接的两节组成，长度可以精确伸缩控制，辅助对接组装过程的相对位置调整，且在对接后可精确调整天线面型；

特征S2中包含的天线面阵指向调节是

组装完成的天线面阵，可以由边缘的单元星相互配合，在中心星调度指挥下，通过分布式控制实现天线面阵指向的精确调整和保持；

S3、中心星通过6根可伸缩电磁对接杆，与6颗单元星对接，并组装在天线面中心位置，作为整个大规模飞行器的信息、能源、控制中心；

特征S3中的中心星功能是

一方面，通过对接杆的供电和通信接口，构建覆盖数千颗单元星的总线能源和信息网络，采集单元星面板载荷的电能，支撑超远深空通信所需能源，同时作为单元星集群的控制与信息中枢，负责所有单元星的指挥调度与指令控制，采集所有单元星的遥测数据并对地通信。

另一方面，作为主动深空通信的收发站和深空探测数据星地高速中转站，负责实现对深空探测器的遥测遥控通信和数据接收，并将深空探测数据高速下传给地面。

S4、馈源星与天线面构成精密编队，精确保持在天线面型的焦点处，安装大型馈源载荷，可以用于空间无线电信号采集；同时安装反射天线，用于深空通信；

特征S4中的馈源星精密编队是

馈源星上安装有差分GPS、激光雷达等相对测量产品，在中心星上安装有对应的星间链路、合作靶标等产品，在合作配合下，馈源星能够精确测量相对中心星的位置和姿态，根据天线面形参数，确定天线焦点相对中心星的位置，作为期望编队保持点，馈源星即可利用自身安装的化学推进、电推进、动量轮等执行机构，精确保持在期望的相对位置和相对姿态上，以满足无线电信号传输通路的需要；

特征S4中的馈源星功能载荷是

如图5所示，馈源星主要承载射电望远镜的馈源舱载荷和主动通信反射天线载荷；在射电望远镜模式下，馈源舱顶端的反射天线打开，形成电磁信号收集通路，天线面阵接收到空间电磁波信号后聚集反射给馈源星，馈源星上的馈源舱接收电磁波信号后进行高速处理，将获得的探测数据通过Ka波段数传发送到地面；在主动深空通信模式下，馈源舱顶端的反射天线关闭，形成通信信号反射通路，一方面将中心星测控发射机发出的遥控指令信号反射到天线面阵，进而发送到深空探测器；另一方面将天线面阵收集的深空探测器遥测和数传信号反射到中心星的接收机。

S5、大规模飞行器通过单元星、中心星和馈源星的配合，一体化集成天基主动深空通信、太空射电望远镜和太阳光反射发电三种功能。

步骤S5中的天基主动深空通信功能是

如图6所示，大规模飞行器实现对深空探测器的遥测遥控通信和数据接收功能；中心星携带的深空通信载荷和单元星群、馈源星构成的巨型天线面可以用于低速接收深空探测器的遥测信息，高速接收探测器回传的科学数据，也可以接收到地面的遥控指令后，主动发送遥控指令给探测器。这种主动深空通信的功能可以为深空探测器提供一个星地高速数据中转站，大幅提升深空探测通信支持的距离范围和数据速率。

步骤S5中的太空射电望远镜功能是

如图6所示，天线面阵和1颗馈源星通过精密编队的方式形成超大口径太空射电望远镜；所有单元星、中心星、馈源星均暂时关闭所有测控通信设备，实现无线电静默和屏蔽，最大限度实现探测回路的纯净电磁环境；天线面阵接收到空间天体的电磁波信号后反射给馈源星，馈源星上的馈源舱接收电磁波信号后进行高速处理，将获得的探测数据通过Ka波段数传发送到地面；太空射电望远镜可以实现类似我国贵州FAST的空间探测功能，且由于部署在高轨，避免了大气、云层等对电磁信号的衰减，也避免了地面复杂电磁环境的干扰，可大幅拓展探测频谱范围，提升***探测灵敏度和分辨率。

步骤S5中的太阳光反射发电功能是

如图6所示，通过控制单元星集群的对接杆系伸缩量，将天线面阵的面型由抛物面调整为平面；每个复合面板载荷上的电致变色玻璃上电，由透光状态转变为镜面反射状态，形成巨大的空间太阳光反射镜面；天线面阵边缘的单元星集群通过分布式测量和协同控制，按照规划的姿态路径调节反射镜面的指向，使反射太阳光始终指向高轨某一卫星的方位，实现空间卫星的应急照射与发电。

综上，本发明针对超大口径天基深空通信站、太空射电望远镜等大规模航天器的部署难题，提出了一种微卫星集群在轨自主组装的多功能大规模飞行器。该飞行器利用微卫星集群在轨自主组装构成超大口径天线面阵，通过各组成单元分布式调节天线面形与指向，通过馈源星的精密编队维持信号通路，集成深空通信与射电望远镜等多种功能模式，具备不受地面复杂电磁环境影响、发射运载需求低、批量化降低研制成本、方便延寿升级等优势。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器，其特征在于该大规模飞行器由数千颗单元星、1颗中心星和1颗馈源星通过在轨自主组装和精密编队的方式构成；

所述每颗单元星均为微卫星，所述单元星承载可折叠的通信和/或电源复合面板载荷，所述面板载荷包括电致变色玻璃板、无线电波反射板、表贴太阳电池阵三层，同时具备反射无线电波、反射太阳光、太阳能发电功能；所述每颗单元星安装有三根可伸缩电磁对接杆，根部可一维转动，实现与三颗相邻单元星的机械对接，并在对接后实现星间有线能源和信息传输；数千颗所述单元星通过所述电磁对接杆组装构成大口径多功能天线面；

所述中心星通过6根可伸缩电磁对接杆，与6颗单元星对接，并组装在天线面中心位置，作为整个大规模飞行器的信息、能源、控制中心；

所述馈源星与所述天线面构成精密编队，精确保持在天线面型的焦点处，所述馈源星安装大型馈源载荷，用于空间无线电信号采集；所述馈源星安装反射天线，用于深空通信。

2.如权利要求1所述的一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器，其特征在于，所述单元星安装有差分GPS、视觉相机、标志灯、低功率电推进***，差分GPS实现相邻单元星之间相对定位；单元星上安装的视觉相机对相邻单元星上的标志灯成像，进而解算确定相对位置和姿态；低功率电推进***提供各方向推力，实现单元星与相邻单元星的相对位置和姿态控制；上述***配合下，实现使得所述单元星与相邻单元星的自主相对测量与交会对接控制。

3.如权利要求1所述的一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器，其特征在于，所述单元星面板载荷外形为等边三角形平板，所述等边三角形的三个角分别设置铰链，发射前可折叠成方形；所述面板载荷通过支撑杆安装到所述单元星上，发射前支撑杆倾转90°，使得所述面板载荷收拢在单元星本体一侧，并由火工品压紧，从而减小发射尺寸包络，方便实现批量发射；入轨后火工品解锁、所述铰链释放、所述支撑杆回正、使面板展开成等边三角形。

4.如权利要求1所述的一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器，其特征在于，所述单元星的三根电磁对接杆可实现精确的长度伸缩控制，实现精确调整天线面形。

5.如权利要求1所述的一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器，其特征在于，所述中心星在主动深空通信模式下，作为信号收发端，接收深空探测器遥测与载荷数据并下传地面，接收地面指令并发向深空探测器；同时通过电磁对接杆的供电和通信接口，构建覆盖数千颗单元星的总线能源和信息网络，负责所有单元星的指挥调度与指令控制，采集所有单元星的遥测数据并对地通信。

6.如权利要求1所述的一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器，其特征在于，所述馈源星安装大型馈源载荷，采集整个天线面收集的空间无线电信号，处理后将数据发送到中心星；在馈源载荷前方安装可折叠反射天线，关闭时遮挡馈源载荷，反射天线工作，全***处于深空通信模式，反射天线与大口径天线面配合实现信号收发，打开时露出馈源载荷，全***处于射电望远镜模式，反射天线失效。

7.如权利要求1所述的一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器，其特征在于，所述馈源星安装有差分GPS、激光雷达，在所述中心星上安装有对应的星间链路、合作靶标。

8.一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器的使用方式，其特征在于，如权利要求1所述中心星携带的深空通信载荷和数千颗所述单元星、所述的馈源星构成的巨型天线面可用于低速接收深空探测器的遥测信息，高速接收探测器回传的科学数据，也可接收到地面的遥控指令后，主动发送遥控指令给探测器。

9.一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器的使用方式，其特征在于，如权利要求1所述单元星、中心星、馈源星均暂时关闭所有测控通信设备，实现无线电静默和屏蔽，最大限度实现探测回路的纯净电磁环境；所述天线面阵接收到空间天体的电磁波信号后反射给所述馈源星，所述馈源星接收电磁波信号后进行高速处理，将获得的探测数据通过Ka波段数传发送到地面。

10.一种微卫星集群在轨自主组装的大规模飞行器的使用方式，其特征在于，如权利要求4所述通过控制单元星集群的对接杆系伸缩量，将所述天线面阵的面型由抛物面调整为平面；所述复合面板载荷上的电致变色玻璃上电，由透光状态转变为镜面反射状态，形成巨大的空间太阳光反射镜面；所述天线面阵边缘的所述单元星集群通过分布式测量和协同控制调节反射镜面的指向，使反射太阳光始终指向高轨某一卫星的方位，实现空间卫星的应急照射与发电。