卫星自由组网用到的关键技术有哪些

导读：低轨星座的卫星数量庞大，如果完全依赖地面设施和人工进行控制管理，将耗费大量管理运维精力。未来的技术愿景是让低轨巨型星座自主运行，让卫星在不依赖地面设施的情况下自主确定星座状态和维持星座构型，共同维护星座功能整体性以完成所负任务。而由于轨道阻力和卫星寿命，星座成员的灵活加入和退出是自主化的基础问题。

批量入网和退网需求

低轨巨型星座为了增强稳定运行能力，有的采取在轨备份的方式[1]，如Flock卫星星座有数十颗卫星在轨备份，以实现快速代替失效卫星。有的通过优化流程，将补网卫星整个研制周期控制在半年内，以达到快速补网的目的，如Spire卫星。有的通过分批次发射，有计划、逐批次进行组网，最终实现全面运营，如Starlink卫星。

一个由1000～1200颗卫星组成的低轨卫星星座层，按照目前每年120～150颗的发射速度，也需要7～8年完成，而小卫星的普遍寿命是5～8年，也就是说星座刚完成组网，第一批发射的低轨卫星寿命就到期，需要新发射的卫星进行替换，此后各批次也将如此往复下去。而目前的巨型星座的设计目标大都在数千颗卫星的体量，除了每次发射期间要面临批量入网问题外，也即将面临卫星批量到寿离轨问题。综上，卫星存在批量入网和退网的现实需要。

图表：新兴低轨卫星情况统计

星座名称	卫星设计寿命	实际寿命	目标总卫星数
Starlink	5年	可能长达10年	12000
OneWeb	5年	可能长达7年	6372
Kuiper	7年	可持续设计	3236

自由组网用到的关键技术

卫星在星座网络中的自由加入和退出需要一些关键技术。  
首先，需要使用高精度的轨道预报技术，实现对卫星的精确跟踪和预测，以便在合适的时间和位置将新卫星投入到轨道中。高精度轨道预报技术是卫星星座实现自由组网的关键技术之一，通过精确的轨道预报，可以将新的卫星和已有卫星进行有效管理和组织。  

其次，自适应网络拓扑技术：卫星的加入和退出会改变星座网络的拓扑结构，因此需要自适应网络拓扑技术来实现卫星的自由加入和退出。这包括动态调整卫星的位置和通信路径，以保证整个星座网络的覆盖范围和通信质量。具体来说，需要使用高效的网络拓扑方案，以确保卫星之间的连接和通信效率最大化。保证卫星星座整体网络的可控性和可靠性。  

安全认证和加密技术：卫星的加入和退出需要进行安全认证和加密，以保证星座网络的安全性。这包括卫星身份验证、数据加密和安全通信等技术，以防止未经授权的卫星接入和数据泄露。另外，需要使用安全的云计算和数据处理技术，以确保卫星网络的安全性和稳定性。这包括对数据进行加密、验证和审计等多个方面的安全措施。卫星星座需要处理大量数据，对这些数据进行加密、验证和审计等多个方面的安全措施，可以保障数据的安全性和防范恶意攻击的风险。  

高效动态资源管理技术：卫星的加入和退出会影响星座网络的资源分配和利用，因此需要动态资源管理技术来实现卫星的自由加入和退出。这包括动态分配带宽、功率、频率等资源，以满足卫星的通信需求。还包括实时的信号调度和管理，以及自适应的信号检测和传输方式等方面。通过高效动态资源管理，可以及时地调整和管理通讯网络和链路，保障卫星星座整体通讯效率和稳定性。   最后，需要建立完善的网络控制中心，实现对整个卫星星座的远程监控、调度和管理，以确保卫星网络的可控性和可维护性。   这些技术的综合应用，可以使得卫星星座具备更加高效稳定的自由组网能力，实现卫星网络的快速扩展、灵活调整和优化升级。

  能否实现自由出入队的影响因素

卫星星座的网络拓扑性质通常会受到多种因素的影响，这些因素包括星座的设计目标、轨道参数、通信需求等。在实际运营过程中，卫星星座中某个卫星是否可以退网并加入其他卫星星座是可以实现的，但同时也需要考虑星座拓扑性质和卫星的运动轨迹等因素。

  需要注意的是，卫星星座通常会以一定的拓扑结构进行设计，例如星型、网状、环状等，其目的是确保整个星座的覆盖范围和通讯效率。如果星座中某颗卫星退网，则可能会影响整个星座的覆盖范围和通讯效率，尤其是在星座中卫星数量比较少的情况下，这种影响就更为明显。  

但是，随着卫星星座技术的不断发展和完善，卫星退网和加入其他星座的变化已经得到了更好的应对。例如，现代卫星星座通常采用的是自适应通信技术，能够在卫星数量变化时自动调节通信链路，确保全球卫星网络稳定通信。此外，卫星星座的组网技术也在不断发展，使得卫星退网和加入其他星座的操作更加简单和灵活。  

总体来说，卫星星座的网络拓扑性质支持卫星退网并加入其他卫星星座的变化形式，但需要考虑星座的整体功能结构设计和卫星运动轨迹等因素，以保障星座的覆盖范围和通讯效率。

参考文献：

[1] 阮永井，胡敏，云朝明，低轨巨型星座构型设计与控制研究进展与展望[J].中国空间科学技术，2022，42(1)：1-15

编辑：黄飞