自主卫星：太空探索者的自主舰队

• 作者：
• 作者姓名

  量子运行远见
• 2022 年 12 月 23 日

洞察总结

小型卫星已经取得了巨大的成就，从小行星监测到数据收集。然而，日益增加的预算限制促使科学家们寻找替代的、具有成本效益的卫星解决方案，包括自动转向和节能。开发自主卫星的长期影响可能包括更好地执行其他行星的探索任务和有效管理太空垃圾。

自主卫星背景

根据荷兰代尔夫特理工大学的一项研究，小型卫星通常被定义为质量为 500 公斤 (kg) 或更小的航天器。 这些模型包括微型卫星（100-500 千克）、微型卫星（10-100 千克）、纳米卫星（1-10 千克）、皮卫星（0.1-1 千克）和飞卫星（0.01-0.1 千克）。 由于小型化技术的进步，卫星任务的成功率有所提高。 因此，越来越多的大学团体、公司和航天机构提出了用于科学研究的小型卫星任务。

然而，有几个问题可能会使从地面站管理小型卫星操作变得困难。 这些挑战包括在资源有限的情况下同时跟踪多个航天器，在可用跟踪源更少的情况下增加任务，以及这些任务团队的电力和运营成本。 

考虑到这些挑战，科学家们正在关注自主系统。 导航系统将从自主中获益最多，因为这些系统是建立在地面跟踪辐射测量的基础上的（本质上是通过无线电信号估计航天器的位置和速度）。 此外，控制航天器通常是通过地面站发送的命令来完成的，通常会有延迟； 自治系统可以避免此类限制并更快地响应障碍。

破坏性影响

自治有可能通过最少地使用地面操作或硬件来降低任务成本或提高性能。 或者，如果航天器能够独立导航太空并收集信息，则它可以比地面系统更快地执行特定任务。 此外，收集标本等任务只能自主完成，尤其是在深空研究中。 

自主导航已用于多项深空任务，包括深空 1 号、星尘号和深度撞击号。 这些探索得到了美国国家航空航天局 (NASA) 开发的喷气推进实验室自主光学系统 (AutoNAV) 和 SMART-1 的支持。 这些任务主要使用光学导航，它使用传感器计算航天器相对于目标体的位置、速度和其他状态。

正在进行多项实验，以使自导航卫星更加独立和通用。 例如，2022 年，美国海军研究实验室开始制定一项计划，使退役卫星能够返回地球并清除太空混乱。 该提案建议新卫星配备约一公里长的细“脐带”。 通过使电流流过电线，卫星可以利用其电场和地球磁场引导自己返回，而不是随意坠毁。

与此同时，在 2019 年，SpaceX 的星链卫星是首批发射的能够自动避免与其他轨道物体碰撞的型号。 在收到其中一个 Starlink 的警报后，SpaceX 将立即将信息发送到卫星，以便它可以通过电动推进器适当地躲避。

自主卫星的影响

自主卫星的更广泛影响可能包括： 

• 对附近行星和月球的探索任务是半自动或完全自动的，从而降低了运营成本。
• 太空互联网卫星能够避免碰撞，这对于日益拥挤的近地轨道 (LEO) 至关重要。
• 大学和其他公共研究机构能够以越来越低的成本进行空间小卫星探索。
• 太空机构开发更多自主系统以支持长期探索和殖民地建立。
• 减少卫星碰撞产生的空间碎片数量。 这种趋势可以最大限度地减少空间污染和浪费。
• 提高卫星对地观测的效率，加强对环境和城市变化的实时监测和管理。
• 提高全球通信网络的可靠性并减少延迟，特别有利于偏远和服务欠缺的地区。
• 各国政府采用新的监管框架来管理自主卫星的流量，确保安全和可持续的太空运营。

需要考虑的问题

• 自动驾驶卫星和航天器的其他潜在好处是什么？
• 您认为这项技术将如何加速太空探索？