太空探索正在进入航天器集群时代.doc

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1、太空探索正在进入航天器集群时代自20世纪80年代以来，随着微电子、微机械技术迅猛发展，信息产业发生了翻天覆地的变化，计算机外型越来越轻巧，功能也越来越强大。依靠这些技术的进步，航天器也逐渐向小型化、低成本的方向发展。90年代以來小卫星技术出现，其优势也越来越明显。一方面，以美国、欧盟为首的航天大国已经将现代小卫星技术列为航天技术发展的重点领域之一；另一方面，多颗小卫星协同工作完成复杂太空探索任务已成为当今国际航天领域的一个研究热点，航天器集群的应用与开发必将成为未来国际太空发展的战略重点。随着小卫星的发展，微纳航天器渐渐地

2、成为了航天领域一个热点问题。由于微纳航天器采用了大量的高新技术，具有功能密度与技术性能高、投资运营成本低、灵活性强、研制周期短、风险小等优点，在计算机网络技术的启发下，由多颗微纳航天器编队飞行而构成的“空间飞行集群”的概念被广泛接受，并迅速成为航天领域学术研究的焦点。目前，在天文观测、深空探测、对地勘测以及空间技术验证任务方面，美国国家航空航天局、德国宇航中心、欧洲空间局、日本宇航事业部以及中国航天局相继提出并逐渐实施各式各样的航天器集群计划。未来航天器集群飞本行模式必然会成为宇宙探索和空间应用领域的主流。航天器集群概念的

3、产生“航天器集群”这种新概念主要来源于对昆虫群体的观察。自然界存在很多集群性昆虫和生物，比如蜜蜂、蚂蚁、大雁和鸟等，即使没有明显的类似于人类社会的组织级别，这些生物在大群体中仍然可以共同合作，完成很多复杂的工作。未来，这种集群技术，可以用于清理海洋石油管道、深海探索、军事侦察以及行星探测。根据文献分析结果可知，集群的概念已经引起国内外航天器设计和导弹设计领域的高度重视，如多弹拦截、智能卵石和小卫星编队等。如美国XX年启动的计划“分布式模块化卫星系统”也含有集群的技术成分，尽管项目计划困难重重，并且目前已经终止了，但世界各国

4、的权威专家认为：“项目计划终止不等于这种理念终止，而这种理念将永存。”直到今天，航天器集群还没有统一定义，但有一个共识，即航天器集群是一片被控制的卫星云，一个航天器集群是由多个航天器单体所组成，它们共同合作完成一个任务。在执行任务时，它们形成一个松散的聚集族，本着简单的行为和原则聚集在一起，好像昆虫群体社会。而学术界认为“任何一种受昆虫群体或其他动物社会行为机制而激发设计出的算法或分布式解决问题的策略均属于集群智能范畴”。由此可见，所谓航天器集群，是指数量巨大，至少100颗，甚至数千颗航天器组成的群体。对于成百上千颗航天器

5、组成的群体，其控制和管理就显得尤其重要，采用常规的集中式的航天器管理模式来管理数量巨大的集群系统显然是不现实的。所以，结合集群理论研究航天器集群系统，探索集群系统的应用，将会丰富和推动空间探索技术的发展。迄今为止，在集群理论探索方组织聚集、自组织分散、连接运动、协同传输、模式构成和自组织建设仍然是热点问题。大多数的群体都存在一定的结构，内部耦合紧密的群体大多都有如层次等级结构，有些是社会分工造成，有些是以能力高低区分，这种结构使得信息在群体间传播快速且有效促使集体行为快速执行。不同的群体结构中，个体所发挥的作用也不一样，个

6、体与环境、个体与个体之间的通信效率和通信范围也随之不同，最终导致的群体效果也不同。集群系统应该具备一定的结构，这是建立信息通道、实现个体交互的基础。这里的结构关系包括了结构形式、连接关系以及个体的地位分工等。所以，未来航天器集群系统级也应该具有生物自然群的三种主要功能。鲁棒性：航天器集群是在外界干扰和单体波动的情况下运行，协作是分散式的，且构成航天器集群的单体相对简单，载荷是分布的，因此集群对环境的扰动具有鲁棒性。灵活性：航天器集群中的单体有能力协作其他单体完成任务，也有能力在不同的组里工作，且支持大量单体的自主行为。扩展

7、性和容错性：航天器集群是个冗余系统，单体的缺失可以立即由另外一个单体补偿，因此群中某一特定部分的故障不会使其停止工作。纵观各式各样的航天器集群计划欧空局的CLUSTER计划OCLUSTER于2000年8月发射，目前仍在运行。CLUSTER计划是由欧空局提出的，由四颗相同的卫星组成，这四颗卫星运行于大椭圆地球极地轨道，轨道近地点和远地点高度分别为19000km和119000km。在实施CLUSTER太空计划之前，一般情况下是采用单个航天器对空间环境的局部区域进行探测，当然也有特例，极少数的情况下采用了双星探测，因此在对地球近

8、地空间环境进行探测时无法在三维的视角下完成。然而，CLUSTER计划的成功实施，为地球空间探测领域开辟出了新的路径。CLUSTER计划在太空中采用了一个四面体的空间队形进行编队飞行，并可根据不同探测任务对其星间距离进行调整。这种航天器集群能够监测太阳离子和地球磁场之间的交互作用，从而得到太阳和地球电磁交