09 | 网络：卫星编队之后能干什么？

你好，我是彭天放，欢迎跟我一起透视卫星技术前沿。

说完微小化，接下来，我们讲卫星的第二个重要发展趋势网络化。

什么是网络化呢？概括地说，就是今天卫星和卫星之间，以及卫星与各种地面设备之间，相互的连接跟合作，正在不断增强。

卫星网络化的例子，有很多。比如说，通过卫星网络给地面的物联网设备提供服务，就是一种。还有呢，通过卫星数据跟城市的交通管理系统的打通，也是一种。

但是，这一讲我们不讲这些。我们讲一个卫星网络化的趋势中，最有想象力的方向卫星编队。

我们先来看上一讲最后的一个问题，就是卫星变小之后虽然优势很多，但是在性能上并不能完全取代大卫星。

工程师们就在想，有没有什么办法，能够兼顾小卫星灵活性和成本优势，又能同时满足对卫星高性能的要求呢？

科学家们于是提出了一个很有意思的想法单挑不行，我们就打群架。这也就是卫星编队想法的雏形。

1.卫星编队不是星座

说到卫星编队，你可能还会联想到一个相似的概念，就是卫星星座。

因为卫星以前也是经常组团上阵的。这是因为大部分卫星，都有绕到你所在的地球位置背面的时候。为了提供全球服务，卫星经常就需要组网工作，或者说是组成星座。

比如各种全球定位系统，就都是由几十颗卫星组成的星座。比如GPS星座上，就部署了32颗卫星。这样就可以保证，无论你处在地球上的什么位置，无论什么时候，都能够收到导航定位的服务。

2.什么是卫星编队？

但是我们要讲的卫星编队跟星座不一样。

星座就像是覆盖全球的一张网，而卫星编队往往更加紧凑，就像是太空中飘过的一片云。

卫星编队里的成员，相互之间的距离可以只有几十米。而且编队的目的是为了作为一个整体提高性能，而不是提供全球服务。

这就像是一个海豹突击队一样，希望能够形成1+1>2的效果。

我们知道，2019年人类第一次拍摄到了黑洞的照片，但这张照片拍摄的确实不容易。因为地球上任何一个天文台，都还不具备独立对它进行观测的数据精度。

事实上，这次拍摄靠的是全球分布在夏威夷、智利和西班牙这些地方的八个天文台分别观测数据，再计算到一块儿所得到的。

你可以把这八个分散的天文台理解为八个小镜头。把这几块小镜头组合起来，就大大地提高了人类对太空的观测能力。

在技术上有一个概念叫合成孔径，说的就是这个道理。孔径，你可以简单理解为镜头的直径。几个小直径的镜头组合起来拍照，就可以比单个的大直径镜头分辨率还要大得多。

我们知道华为和苹果最新款的手机，都搭载了像浴霸一样的镜头。用几个功能不同的小镜头组合起来，甚至可以达到接近单反级别的摄像效果，用的也是类似这样的原理。

我们也可以在宇宙中布置一个这样的浴霸镜头，让成本低廉的小卫星在太空中组成一个编队，对宇宙或者地面进行拍摄，镜头之间的距离也可以离得非常远，还排除了大气层的干扰。这样的情况下，照片的分辨率甚至有可能提高几个量级。

当前世界上最先进的侦察卫星，镜头的直径一般也只有3-4米。在这种条件下，对地面观测的分辨率可以达到十厘米。据说，可以从太空中看清汽车的车牌号码。

但在卫星编队里，如果编队中的各个卫星相隔几公里，从理论上就有可能得到类似直径几公里的镜头对地面的拍摄效果。

这个时候，恐怕连地球上有多少片树叶，也都数得清楚了。

所以如果有了这种编队技术，别说是用卫星拍车牌，就算是卫星做人脸识别，甚至是定期扫描每根玉米、每棵草莓的生长情况，都有可能做到。

3.更进一步，分布式卫星

不过合成孔径这种编队方式，还不是卫星编队的最大魅力，因为卫星编队还有三个非常重要的优势：

首先，就是卫星编队技术让太空设备突破了原有物理空间的限制，使得传统概念里面设备边界的定义发生了一场革命。

我们知道，在地面上因为重力的关系，大型的机械设备都必须通过复杂的结构设计，把各个部件连在一起。

比如说像是大型的矿山挖掘机、甚至航空母舰等等，机械结构的边界，往往同时也是设备的边界。

这就极大限制了我们地球上所能制造大型装备的能力和想象力。

但是在太空中，相隔几十甚至几百公里的卫星，就完全可以通过编队控制，做到同进同退，就像一台设备一样协同工作。

或者换句话说，在太空中，所谓一台设备的这个一台的概念变了。不一定是以前通过各个结构连接在一起的完整个体，而是可以把各个功能模块进行分布式的部署。

所以与其说，卫星编队是独狼进化成了狼群，倒不如说，是由单细胞生物向多细胞生物的进化。

所以也有人把卫星编队叫作分布式卫星。

第二点，就是未来的卫星编队里面，各个编队的成员可以有更精细的分工。

比如说，有些卫星可以彻底做成一片大的太阳能电池，专注地进行发电，通过绳系或者无线能量传输的方式，给整个编队供能。有些卫星就可以专注于做数据计算，在它的上面部署高性能的芯片，作为整个编队的控制中枢。甚至还有的卫星，可以专门做成遥感或者通信单元。

在编队里的每颗卫星，可以因此发挥不同的功能，分工协作。

这甚至也会促进整个卫星产业的重构，卫星的设计有可能进入一种高度垂直的专业化分工状态。

最后一点也特别重要，卫星编队可以有很强的重构能力。

什么叫重构能力呢？比如说吧，当卫星编队中某一个部分出现故障的时候，不会对整体造成致命的影响。甚至，可以在一开始就在编队中留一些冗余的卫星，随时补充意外发生故障的卫星。马斯克的星链计划里面，也使用了类似的原理。

更重要的是，编队之后，变形和重组就容易多了。

那未来的一些军事卫星就有希望，通过主卫星和辅助卫星相配合的编队方式，形成一个兼具攻击、防御、侦察和预警等等多功能的太空魔方。

在这个意义上，如果说人类将来会制造出变形金刚的话，那么我想，世界上第一批变形金刚，就应该是太空中的卫星编队。

4.卫星技术的超级难题

那你听了卫星编队这么厉害，现在这个技术进展得怎么样呢？

很遗憾，进展得其实并不太顺利。

因为这个技术的难度确实太高了，可以说这个技术方向是目前卫星面对的超级难题。甚至直到现在，还有很多基础问题也是悬而未决。

这项技术的研究最早始于20世纪90年代末。1998年，美国军方的TechSAT-21计划正式启动。这次计划代表着卫星编队的技术研究正式开始。

但是到了2004年，整个计划的难度超出预想太大。美国空军干脆就将目标缩小，整个项目专注研究编队飞行的一个分支。

但即使这样，依然没有什么显著的成果。

在整个项目期间，唯一实施的只有NASA的一项探测任务，用四颗卫星组成了一个边长几十到几千公里的四面体，对一个封闭太空空间内的磁场特征进行了观测。不过从目前公开的资料来看，这次观测的效果也一般。

为什么卫星编队技术这么难呢？客观地说，这个问题涉及的因素非常多，而且很多问题到现在也没有令人满意的系统性答案。

我们就不妨从一个最简单的指标精度，来理解这个问题。

比如说一般飞机特技表演，两个飞机之间的距离判断差个一两厘米，其实不是什么太大的问题，但是这个误差放到卫星上却完全不行。

比如说合成孔径的卫星编队，要想精确地实现功能，这意味着卫星之间距离测量的精度要在几十纳米这个级别。这比起我们刚才说的飞机表演的精度还要高了五个数量级。

再看现实条件。第四讲中我们说过，太空是一个摆脱干扰的绝佳环境，不过当精度要求这么高的时候，卫星飞行所面临的干扰因素也会非常多。

比如说，地球其实并不是一个完美的球体，这会带来引力误差的扰动。还有地球周边稀薄的大气层带来的微弱阻力、复杂的地磁环境干扰，甚至是地球、月亮和卫星共同组成的三体引力摄动，都会对卫星的精确控制造成巨大的困难。

甚至就连控制卫星编队的数学公式，它本身的计算也非常困难。

在数学上，描述卫星编队运动误差的精确方程，总共包括十二个微分方程和许多代数方程。这些方程组，在大部分的情况下，根本就没有精确解，只能通过一些近似的计算才能得出结果。

虽然卫星编队面临这么多的挑战，但是我国这方面，一直处于世界前列。

2012年，我国的实践九号卫星，第一次完成了卫星编队飞行的实验，验证了我国建立和保持卫星编队的技术。这项技术在2013年8月，正式交付投入使用。

未来，卫星编队至少还需要两个关键技术的突破。第一，就是空间中卫星的精确控制；第二，就是卫星组网的时候，高速的无线通信技术。

不过，就算研究工作再怎么困难，卫星编队也依然是目前卫星技术中，最具有想象力的一个发展方向，是一个你不能忽视的卫星网络化趋势。

本讲总结

我们总结一下这一讲。

第一，我讲了卫星网络化的趋势，其中卫星编队技术是一个非常重要的研究方向。

第二，卫星编队技术有非常突出的优势，能够使小卫星也发挥出非常突出的性能。

第三，卫星编队技术目前看来还是一项非常困难的技术，在这个领域有很多技术难题等待着突破。

思考题：

在最后，我照例给你留了一道思考题。刚才我们讲到，卫星编队很有可能是我们人类所制造的第一种变形金刚，在这种场景下，你能不能想到还有哪些新奇的应用呢？请在留言区写下你的答案。

下一讲是课程的最后一讲，我会带你看看卫星技术，在未来的航天布局中将会扮演哪些重要的角色，创造哪些新的价值。

网友互动

卫星+农业=知天而作

现在遥感卫星在农业上的应用挑战很多，有过境限制、分辨率、波段的种种困难。

卫星编队可以做精细化分工，绝不仅仅是提高精度而已。而是在作物的识别、长势的分析甚至是灾害预测、自主的预警上发挥更多。

作为一个学控制的前航天人+搞智慧农业的AI人，无比期待这一天。

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我国先进的桥梁建筑全预制化的组装模式，应该就是新奇的变形金刚在大型工程中的运用。

并且在每一个独立的环节上在整合上都必须有纵深的科技支持。

这很像卫星编队技术，每个小环节既能完整的自成一体，又能网络化整合，形成功能更加立体的全方位的应用体系。

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卫星的基础作用是通讯和拍照，卫星编队理论上可以无限放大这两个能力，在未来太阳系内的太空探索中，太空采矿可能就需要卫星编队来提供通讯和图像服务，人只需要在空间站里操作采矿机器人就可以了。

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卫星编队对我而言，是一个比较新颖的概念。看上去这种将大卫星功能拆开，再由编队的各个小卫星分别实现，有点像是将图像拆成一个个像素，再重新拼接起来让数量庞大的小卫星组成屏幕，就是一种可能的思路。

再或者，如果小卫星带上了动力，能够自行调整轨道，空间的飞船或者空间站之间，就能够让一群小卫星实现大型物资的搬运，这就有一些科幻色彩了。

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我想，卫星编队技术一旦成熟，一定可以在很多领域得以应用。比如说，在气象观测方面，我们可以发射3~4颗的小卫星、组成编队，从不同角度观测同一气象景物，然后合成出某地的三维气象云团立体数据，必然可以大大提高气象预测的准确率。再比如，我们也可以组建一个3~4颗的导航卫星编队，用户同时接受这些导航卫星发出的导航信息，再经过处理之后就会得到用户的精确定位所在。同时，我们也可以预计，随着卫星编队技术的发展，必然将大大提升人类对于宇宙的观测能力；我们完全有理由相信，在21世纪，卫星编队技术必然将在航天领域带来革命性的影响。

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卫星编队本质上是小微卫星功能性组网，是微信小型化后的必然结果，因为模块化专业化分工使得微纳卫星只具备单一功能，所以需要组合形成复杂的功能。

卫星编队后可以形成对地观测阵列大大提高对地球局部地区观测的实时性；形成能源阵列实现给卫星太空加油；形成通信阵列作为鹊桥，增强天地通信，增强星间通信。

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在太空采矿、太空运输、太空移民上发挥联合效应。