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基于分布式可重构航天遥感技术
2020-09-11
传统遥感卫星系统研制成本高、周期长、数量少，导致系统时间分辨率低、重访周期长、抗损能力弱，对突发事件响应能力不足。由上海微小卫星工程中心承担的国家重点研发计划“地球观测与导航”重点专项“基于分布式可重构航天遥感技术”项目（项目编号：2016YFB0501100），紧密围绕“十三五”国家规划纲领和航天事业发展的“十三五”规划的总体部署，面向应急遥感等迫切任务需求，开展分布式遥感卫星系统设计和应用研究，推动微小卫星技术进步，拓展微小卫星应用领域，实现应急观测等多种遥感应用，目前已在合成孔径成像技术研究、电磁力柔性分离/对接控制研究、1微米对接口设计研制以及卫星硬件产品模块化设计等方面取得重要进展。
1 研究内容
建立基于分布式可重构卫星的遥感体系，进行基于分布式可重构航天器的高精度、网络化、智能化遥感技术研究，突破卫星模块化标准化集成设计、多载荷数据智能化处理、结合仿生学的分布式卫星构型设计、基于博弈机制和多智能体协商的构型优化、面向多星组网的高精度分布式测量、面向在轨自组装的分离对接控制、自适应网络编码的传输控制、光学合成孔径共相探测与校正、智能化载荷等核心关键技术，研制卫星试验样机，实现多星协同成像、合成孔径成像等多种成像模式（图 1），完成系统地面演示验证。
2 重要进展及创新成果
2.1 合成孔径成像技术
光学合成孔径技术在国际上属于前沿研究领域，特别是将系统的总误差抑制到亚波长量级，误差的探测和校正技术是新技术，实现上有一定的技术难度，可参考的国内外文献资料也比较少。项目组开展了光学合成孔径关键技术研究，通过建立理论模型、软件仿真分析等方法获取合成孔径相机的共相误差与系统性能的映射关系；提出了光学合成孔径相机整体空间排布形式和基本实现框架图，分析了多种误差传感器在合成孔径共相探测上的技术应用策略，确立了共相误差的多级探测技术方案，最后采用两种共相探测技术（色散哈特曼共相探测技术和棱锥波前共相探测技术）结合高精度的位移校正器件来实现对合成孔径共相误差的精确补偿（图2）；搭建了试验平台，对合成孔径相机进行实际成像原理验证，获取共相后的高分辨率图像；结合实验室和课题进展情况，提出了合成孔径地面演示试验方案，得出关键技术攻关的有效性和正确性结论。
如图3所示，在卫星结构模拟工装上装配6个相机单元，模拟单元星模块对接的初始误差，通过对误差进行检测、调整位于单元星、母星上的调节机构，消除误差，达到共相的目的。
2.2 电磁力柔性分离/对接控制
针对该项目采用的星间电磁力微纳星分离/对接，开展了电磁对接磁场及力的仿真，基于仿真结果进行了对接模块加工及对接模块电磁作用力测量。二维电磁对接的运动分解如图4所示。
基于电磁仿真结果，进行了对接控制率的设计。基于通电情况下的星间电磁作用模型，通过对电磁线圈通电控制，获得子星逼近服务星的电磁力/力矩，按轨迹规划进行逼近，完成吸附并锁定；分离过程解除锁定，并通过电磁斥力实现。磁对接模型存在强非线性、耦合性和不确定性，地面演示验证试验采用PD控制算法控制单元星和服务星的相对运动状态。星载控制模块将得到的实时运动状态与对接期望状态作比较，得到相对位置与相对速度的误差及相应误差的微分；最后，将得到的位置与速度的误差及误差的微分信号通过加权线性组合的形式，得到最终的控制指令并发送给功放控制模块，控制单元星的运动状态。整个控制的过程中，考虑电磁执行机构的饱和约束限制，控制指令约束在执行机构的控制阈值之内，驱动电磁对接机构完成柔性对接过程。
项目组现已完成多轮基于大理石平台的微纳星气浮分离对接试验（图5），对电磁机构的非线性对接控制算法进行了验证，就对接前的减速控制进行了优化，在2019年8月至9月的实验中进行了测试，结果表明升级后的控制算法能够满足对接控制需求。
2.3 1微米对接口设计研制
为满足项目对接后等效装配误差优于1μm的指标要求，设计了1微米对接口结构。为保证零件的稳定性，接头加工精度满足1μm要求，锥面配合精度不大于1μm，公头及母头下端面平面度10μm以内，锥面贴合度在70%以上。从加工工艺、装配平台等方面保障零件误差达到指标要求，并对样品锥面重复定位误差进行测量，在椎体顶面靠近边缘的位置选择测量点，任选4个位置进行测量，每个位置间隔大致为90°（图6），每个位置重复定位3次，定位后测量椎体顶面3次，取平均值作为单次定位的测量结果，3次定位结果之差作为样品的重复定位误差。测量结果表明样品部件在各位置的重复定位误差均小于1μm。
2.4 卫星硬件产品模块化设计
分布式遥感卫星系统采用开放性卫星平台，可以通过搭积木方式实现快速的卫星研制与测试。卫星通过标准的能源和机械锁紧接口，将满足任务需求的不同功能模块包括供电与电源管理、姿态测量与控制、星务计算与控制、星地数传与通信、星间数传与通信、结构与热控等模块，积木式拼装在一起。
卫星采用标准化、模块化设计，主结构为桁架式设计，单机层叠式安装，利用标准PC104接口进行单机与单机之间的插接，各单机之间通过隔柱定位固定。
卫星样机包括智能载荷模块、结构、热控、姿态控制模块、综合电子模块、路由存储模块、数据通信共享模块、分布式测量与通信模块、激光微推和电磁分离对接模块，以及服务星配置的数据处理、合成孔径成像模块等，可根据不同需求选配不同的功能模块。
