本发明涉及本发明涉及纳卫星对接与编队飞行技术。属于卫星系统总体设计技术领域。
背景技术：
目前卫星编队技术已经得到国内外学者的重视，已经得到过在轨验证的任务中，大多数是双星编队，实现跟飞、绕飞、悬停等，卫星集群的验证仅验证过简单芯片卫星的跟飞，卫星并不具备轨道控制和姿态控制的能力，无法实现复杂的空间任务，也无法实现多任务之间的切换。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，解决了传统大卫星观测的时空局限性以及小卫星观测的视场稳定性和任务灵活性。
本发明的技术解决方案是：一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，该系统包括四颗纳卫星，其中一颗卫星为主星，另外三颗卫星为从星，分别记为第一从星、第二从星和第三从星；
主星接收地面控制站发送的控制指令设置系统工作状态，所述系统工作状态包括分散态；当系统工作在分散态时，四星分散布置，主星接收地面控制站发送的模式切换指令设置并向从星发送协同对地观测模式，获取自身的位置、姿态信息，根据协同对地观测模式获取地面目标的图像信息，各协同对地观测模式下，从星根据模式切换指令和主星位置、姿态信息，实时调整自身位置和姿态，调整到位之后，与主星一起协同获取地面目标的图像信息；四星将目标图像信息、姿态信息和相对位置信息通过主星转发至地面控制站，由地面控制站根据不同的协同对地观测模式、四星的姿态信息和相对位置信息，对图像信息进行融合处理得到观测结果。
所述协同对地观测模式包括：多目标观测模式、沿迹拼接观测模式、垂轨拼接观测模式、接力凝视观测模式和同目标多角度观测模式。
垂轨拼接观测模式下，各卫星之间距离沿轨道依次间隔第一预设距离，各星光轴沿着卫星滚转轴旋转一定角度，然后将期望的位置、姿态信息发送到指定的从星，从星根据期望的位置、姿态信息调整相对位置和姿态，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。
所述一定角度为5°或7.5°。
多目标观测模式下，各卫星之间距离沿轨道依次间隔相同的第二预设距离，各卫星对准不同的目标进行观测，主星求解出各颗从星所要到达的期望位置和姿态，将期望位置和姿态发送至各从星，从星机动到期望的位置上，使自身与主星的距离满足第一预设距离，再根据待测目标的位置，调整姿态，使光轴指向待测目标，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。
沿迹拼接观测模式下，各卫星之间距离沿轨道依次间隔第三预设距离，各星光轴稳定指向地心方向，主星将期望的位置、姿态信息发送到各颗从星，从星根据期望的位置、姿态信息调整相对主星的位置和姿态，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。
同目标多角度观测模式下，主星对工作模式进行解算，得到各卫星之间距离沿轨道依次间隔第四预设距离，各星光轴指向同一地面目标，主星将期望的位置、姿态信息发送到各从星，从星根据期望的位置、姿态信息，调整轨道和姿态，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。
接力凝视观测模式下，主星发送模式给从星之后，各卫星调整自身的位置进入观测轨道，各星之间沿轨道依次间隔第五预设距离，主星调整自身姿态对准被观测目标开始观测，同时发送姿态角调整指令给第一从星，第一从星收到姿态角调整指令之后，开始机动调整姿态对准目标，进行光轴的指向跟踪，做好观测准备，等到运动到被观测目标上空时，开始观测，并将图像信息实时通过主星发送至地面控制站，同时将姿态角调整指令发送给第二从星，以此类推，第二从星开始观测时，发送姿态角调整指令给第三从星，第三从星做好观测准备，等到运动到被观测目标上空时，开始观测，并将拍摄的图像反馈到主星，实时通过主星发送至地面控制站。
所述工作状态还包括聚集态，当系统工作在聚集态时，四星通过对接轴连接形成组合体，主星接收地面控制站发送的构型切换指令设置不同编队构型方式，从星根据不同的编队构型方式调整位置和姿态，完成对接，四星形成不同形状的组合体，从而实现观测视场的拼接和叠加。
所述编队构型方式包括：1×4组合构型、2×2组合构型和z形组合构型：
1×4组合构型下，四颗卫星串联组合，相邻的两颗卫星之间保持一定的对接角度，实现视场的叠加和拼接；当四颗卫星以扇形组合时，得到1×4的视场；当两边的纳卫星向不同方向转动时，得到1×3的视场；当两边的纳卫星向相同方向转动，可得到1×2的视场；
2×2组合构型下，四颗卫星构成2行2列的“田”字组合，使得四颗纳卫星的视场基本重合。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明由于采用四颗纳卫星的编队和组合，通过姿态控制、编队重构和交会对接等方法，实现了多种对地观测模式，在满足燃料充足的前提下，使得空间任务具有多样性、复杂性。
(2)、本发明除了卫星编队飞行实现自主协作的运行模式以外，还设计了多种小卫星通过交会对接形成组合体的工作方式，实现稳定的多角度、大幅宽观测，保证了对地观测成像的精度和稳定度。
(3)、本发明自主协作的运行模式具有更高性能、更低费用，以及更好的容错性、可靠性、可重构性和可升级性。
附图说明
图1为单颗纳卫星外形示意图；
图2为紧密编队垂轨拼接观测示意图；
图3为紧密编队多目标观测示意图；
图4为近距离编队沿迹拼接观测示意图；
图5为远距离编队多角度观测示意图；
图6为远距离编队接力凝视观测示意图；
图7为1×4视场组合方式示意图；
图8为2×2视场组合方式示意图；
图9为z型视场组合方式示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种自由重构和协同观测的对地观测纳卫星集群系统，该系统包括四颗纳卫星，其中一颗卫星为主星，另外三颗卫星为从星，分别记为第一从星、第二从星和第三从星。
以下从单颗纳卫星设计和集群纳卫星系统两个方面进行说明：
(1)、单颗纳卫星设计
纳卫星集群系统中单颗纳卫星的外形图如图1所示，其尺寸是130mm×130mm×450mm，其在标准的3u卫星框架基础上，增加了130mm×130mm×110mm的镜头外框架。该外框架除了起到保护镜头的作用以外，在框架上表面安装了数传天线、测控天线、gps天线，在侧面安装了磁强计，使其远离磁力矩器，以保证磁强计正常工作，其它采用的单机有星载计算机、微型星敏感器、gps接收机、磁力矩器、微型三轴飞轮、导航相机、微型对接机构、太阳能电池片、电源模块、载荷相机和推进器单元。
主星携带计算能力较强的星载计算机，用于集群系统的综合控制，三颗从星携带相同的计算能力较弱的星载计算机；微型星敏感器用于卫星的姿态确定，得到卫星的姿态信息，发送给星载计算机；gps接收机和磁强计用于卫星的绝对导航，得到卫星的绝对轨道信息，发送给星载计算机；导航相机用于卫星之间的相对导航，得到两颗卫星之间的相对位置信息，发送给星载计算机；数传天线、测控天线用于卫星与地面站、卫星之间的数据、指令传输，太阳能电池片和电源模块用于卫星的电能转换和管理，载荷相机用于地面图像的拍摄，推进器单元用于轨道和姿态控制、微型三轴飞轮和磁力矩器用于姿态控制。
微型对接机构包括两对对接机构，所述对接机构为对接后可旋转的纳卫星电磁对接装置，包括相互匹配的阳极对接机构和阴极对接机构，两者背对背安装在卫星两侧，每个对接机构由相应的控制器控制。
具体的对接过程：
当两颗纳卫星发生对接时，以主星与第一从星对接为例，主星将安装有被动对接机构(阴极)的一侧面向第一从星，第一从星将安装有主动对接机构(阳极)的一侧面向主星，第一从星为主动方，主星为被动方。首先第一从星通过侧板上的导航相机进行位置校正，使得第一从星上的主动对接机构对准主星上的被动对接机构，对准后，第一从星上的主动对接机构缓缓进入主星上的被动对接机构，当进入3-5cm后，主动对接机构和被动对接机构上的电磁铁开始通电，利用电磁铁“同性相斥，异性相吸”的原理，控制电流的方向使得两对接机构上的电磁铁异性相互吸引，当主动对接机构进入到被动对接机构中的预设的距离范围(约1cm)内时，改变电流方向，使得两对接机构上的电磁铁同性相斥，控制电流的大小，使斥力的大小从而能起到缓冲作用，实现非接触磁悬浮式对接，当主动对接机构和被动对接机构的对接齿贴合后，通过传感器检测到位情况，主星发出到位指令给被动对接机构上的被动控制器，被动控制器接收到位信号后开始发出锁紧信号给电磁铁锁紧释放装置，该装置开始执行锁紧动作。如果对接后的纳卫星需要改变角度对地观测，主动对接机构上的主动控制器发出旋转指令，永磁同步电机开始产生一个旋转的力矩，旋转轴带动主动对接机构的对接齿旋转一定角度，从而实现多角度对地观测。当两颗对接后的组合卫星需要分离时，电磁铁通以足够大的反向电流，电磁铁同性相斥，电磁锁紧释放装置开始释放，从而实现两颗纳卫星的自由释放。
(2)、集群纳卫星系统
主星接收地面控制站发送的控制指令设置系统工作状态，根据不同的任务需求，所述系统工作状态包括分散态和聚集态。
(2.1)分散态工作模式
系统的分散状态即编队飞行状态，通过卫星编队的构型、保持和重构来实现不同模式的对地观测任务。
当系统工作在分散态时，四星分散布置，主星接收地面控制站发送的模式切换指令设置并向从星发送协同对地观测模式，获取自身的位置、姿态信息，根据协同对地观测模式获取地面目标的图像信息，各协同对地观测模式下，从星根据模式切换指令和主星位置、姿态信息，实时调整自身位置和姿态，调整到位之后，与主星一起协同获取地面目标的图像信息；四星将目标图像信息、姿态信息和相对位置信息通过主星转发至地面控制站，由地面控制站根据不同的协同对地观测模式、四星的姿态信息和相对位置信息，对图像信息进行融合处理得到观测结果。相对位置信息主要是指从星相对于主星的坐标，原点在主星所在位置，x轴为主星轨道的速度方向，z对着质心朝下，y轴右手螺旋。
分散态工作状态下，编队构型主要有紧密串行编队、近距离串行编队和远距离串行编队。在紧密串行编队构型下，四颗纳卫星采用垂轨拼接观测模式和多目标观测模式；在近距离串行编队构型下，四颗纳卫星采用沿迹拼接观测模式；在远距离串行编队构型下，四颗纳卫星采用多角度观测模式和接力凝视观测模式。
(a)垂轨拼接观测模式
垂轨拼接观测模式下，各卫星之间距离沿轨道依次间隔第一预设距离，各星光轴沿着卫星滚转轴旋转一定角度(5°或7.5°)，然后将期望的位置、姿态信息发送到指定的从星，从星根据期望的位置、姿态信息调整相对位置和姿态，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。
如图2所示，四颗纳卫星构成同轨道紧密串行编队，每颗卫星之间间距50m，单颗卫星在地面形成的观测区域为22.0km×15.0km。每颗卫星沿着x轴(速度方向)各自旋转一定的角度，在地面形成88.0km×15.0km的观测区域，增大了单颗卫星的观测区域。
(b)多目标观测模式
多目标观测模式下，各卫星之间距离沿轨道依次间隔相同的第二预设距离，各卫星对准不同的目标进行观测，主星求解出各颗从星所要到达的期望位置和姿态，将期望位置和姿态发送至各从星，从星机动到期望的位置上，使自身与主星的距离满足第一预设距离，再根据待测目标的位置，调整姿态，使光轴指向待测目标，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。
如图3所示，以各星之间间隔为50m为例，主星发送模式、期望位置和姿态给各从星，第一颗从星收到主星发送的期望位置和姿态之后调整自己的位置到与主星间隔50米的位置上，第二颗从星调整到150米的位置，第三颗从星调整到200米的位置上。
(b)沿迹拼接观测模式
沿迹拼接观测模式下，各卫星之间距离沿轨道依次间隔第三预设距离(16km)，各星光轴稳定指向地心方向，主星将期望的位置、姿态信息发送到各颗从星，从星根据期望的位置、姿态信息调整相对主星的位置和姿态，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。
如图4所示，四颗纳卫星间距16km，四颗星的相机光轴分别正对地心朝下，实现22km×60km的沿迹拼接观测区域。这种模式下轨道高度是在地面设计时确定好的，在轨道上仅调整主星与各从星时间的相对位置。相对位置信息主要是指从星相对于主星的位置信息，原点在主星，x方向为主星轨道的速度方向，z对着质心朝下，y轴右手螺旋。
(d)同目标多角度观测模式
同目标多角度观测模式下，主星对工作模式进行解算，得到各卫星之间距离沿轨道依次间隔第四预设距离，各星光轴指向同一地面目标，主星将期望的位置、姿态信息发送到各从星，从星根据期望的位置、姿态信息，调整轨道和姿态，对该姿态下视场中的目标进行观测，并将拍摄的图像反馈到主星。四颗独立的卫星，可根据不同的任务需求，同时对不同的目标进行观测。
如图5所示，该模式下四星之间间距较大，对同一目标，通过卫星的姿态机动，可以实现多个角度的观测。经过后期对同一目标不同角度图像的处理，得到目标的深度信息，可以实现三维立体观测。
(e)接力凝视观测模式
接力凝视观测模式下，主星发送模式给从星之后，各卫星调整自身的位置进入观测轨道，各星之间沿轨道依次间隔第五预设距离，主星调整自身姿态对准被观测目标开始观测，同时发送姿态角调整指令给第一从星，第一从星收到姿态角调整指令之后，开始机动调整姿态对准目标，进行光轴的指向跟踪，做好观测准备，等到运动到被观测目标上空时，开始观测，并将图像信息实时通过主星发送至地面控制站，同时将姿态角调整指令发送给第二从星，以此类推，第二从星开始观测时，发送姿态角调整指令给第三从星，第三从星做好观测准备，等到运动到被观测目标上空时，开始观测，并将拍摄的图像反馈到主星，实时通过主星发送至地面控制站。
如图6所示，四颗星构成同轨道远距离串行编队，对于高度为504km的轨道，间距228km，可实现同一目标多角度观测，也可实现同一星下点120s以上接力凝视观测。
为保证载荷相机的成像质量，将相机光轴与径向矢量的角度控制在-15°～15°，为达到单颗大卫星凝视成像的持续时间，将四颗纳卫星对同一目标进行接力凝视观测。第一颗卫星对地面目标凝视30s，当第一颗卫星凝视结束以后，第二颗卫星紧接着开始凝视，整个过程总共持续120s。
(2.2)聚集态工作模式
当系统工作在聚集态时，四星通过对接轴连接形成组合体，主星接收地面控制站发送的构型切换指令设置不同编队构型方式，从星根据不同的编队构型方式调整位置和姿态，完成对接，四星形成不同形状的组合体，从而实现观测视场的拼接和叠加。具体的实现为：
主星发出控制指令给到各颗卫星上已经完成对接的主动对接机构上的主动控制器，主动控制器发出旋转指令，给到对接机构上的旋转电机，电机旋转到指定角度，使相邻的两颗卫星之间产生一定的对接角度，通过控制转动的角度实现视场的叠加和拼接。所述控制指令包括从星预期的位置和姿态信息、对接结构工作信号。
聚集态下所述编队构型方式包括：1×4组合构型、2×2组合构型和z形组合构型，系统在聚集状态时，组合体结构可自由变换。
(1)1×4组合
如图7所示，1×4组合构型下，四颗卫星串联组合，相邻的两颗卫星之间保持一定的对接角度，实现视场的叠加和拼接；当四颗卫星以扇形组合时，得到1×4的视场；当两边的纳卫星向不同方向转动时，得到1×3的视场；当两边的纳卫星向相同方向转动，可得到1×2的视场。
(2)2×2组合
2×2组合构型下，四颗卫星构成2行2列的“田”字组合，使得四颗纳卫星的视场基本重合，图像信息传回到地面后，通过数据融合可以得到比一颗卫星观测更全面的信息，如图8所示。这种组合下，1号卫星、2号卫星先拼接，3号卫星、4号卫星拼接，然后，1号卫星、3号卫星和2号卫星、4号卫星同时拼接。
(3)z型组合
z形组合构型下，四颗卫星构成“z”字组合，通过控制对接轴的转动角度改变视场的形状以及叠加和拼接的方式，如图9所示。
说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。