摘要
在信息化新时代下，天基设施和设备已成为服务于国计民生和国家安全的重要战略资源。伴随着航天活动的日益增长，空间中各类飞行器和太空垃圾剧增，对空间目标的探测、监视和编目管理能力，是空间态势感知和利用空间水平的直接体现和基础。传统目标监测类卫星体积庞大、代价不菲，随着近年来微机电系统(MEMS)、微光电机械系统(MOEMS)、微纳技术(MNT)以及专用集成微器件（ASIMs）技术的飞速发展，计算机、通信、图像处理、能源等设备体积、重量越来越小，功能越来越强，具有高功能密度特点，具备了由微纳卫星实现同等监测能力的条件。 本文面向未来中国天基高轨目标监视的需求，着眼于从体系角度上梳理天基高轨目标监视卫星系统的关键技术，通过空间几何、层次分析(AHP)、云模型(CM)、STK仿真等方法不同的混合，重点遵循摩尔定律在卫星设计中的作用，基于微机电系统(MEMS)技术与卫星技术的融合，围绕卫星总体设计优化技术开展详细研究，使得卫星总体设计中理论优化出的解，在工程实施中具备实现基础;并给出了基于微纳卫星平台来获取高性价比高轨目标监视能力的关键技术解决途径。 首先，结合目标监视卫星系统工程建设任务，阐述了高轨空间目标的分布、亮度、运动交会等特性，介绍了空间目标探测星等的估算方法;在分析天基空间目标监视卫星系统建设的任务需求上，识别出了总体优化设计和效能评估等各项关键技术，并根据工程实践经验构建了系统评估指标体系，提出了天基高轨目标监视卫星系统开展量化评估的模型。 针对目标监视卫星系统效能评估问题，从目标特性、轨道设计、工作模式、性能预估等方面入手，围绕高轨目标编目成像的应用需求和遍历探测效能最优为目标，提出一种运行于亚同步轨道的天基微纳卫星星座，以空间几何方法推导和分析了星座配置、轨道选择和工作模式对系统探测效能的影响，设计了一种卫星姿态导引律，仿真验证结果与理论推导一致;同时，提出以层次分析和云模型相结合的方法，将天基高轨目标监视卫星系统中定性的卫星能力、平台和光学载荷定量的设计参数混合，完成了对卫星系统效能的定量评估以及具体方案的定量比对。 然后，以目标监视卫星为研究对象，分析了轨道及空间环境辐照特性，构建了卫星质量优化模型，采用基于云模型的自适应进化算法，在多重设计约束条件下以质量最小为目标对模型进行优化，分别以低轨卫星监视高轨目标、高轨卫星监视高轨目标两个应用实例，得到相应卫星的总体设计指标，为方案的快速论证收敛和工程实施奠定了理论基础。 最后，针对目标监视微纳卫星高性价比、快速响应、组网应用和增加体系贡献率的需求，提出了模块化微纳卫星总体设计技术，设计了两种模块化卫星构型以及标准化模块功能等;针对能源获取影响微纳卫星业务能力的问题，为了充分发挥太阳能电池阵系统能力，在卫星姿态耦合控制能力有限的约束条件下，提出一种基于特征时间序列的二维对日平稳导引方法，保证采用以二维转台装载帆板方式来高性价比地实现能源最大获取，仿真结果和实际转台测试满足太阳能电池阵及能源系统应用要求。 全文通过对天基高轨目标监视微纳卫星总体优化设计、效能评估以及关键技术的研究，为中国基于微机电系统(MEMS)技术的高功能密度监视微纳卫星系统的建设提供理论基础和技术支持。
NETL