旋转系绳卫星系统代表了用于地球和行星观测的天基架构设计中的一个有前景的进展。利用系绳技术的独特优势，例如在部署大型结构时的质量效率以及无推进剂的编队控制，本研究探索了立方星级旋转系绳编队的可行性和性能潜力。这些系统由多艘通过系绳连接的航天器组成，能够通过角动量守恒轻松动态调整星间间距和旋转速度。这种灵活性有助于形成适用于多种遥感应用的精确、稳定的编队。在本文中，研究人员介绍了旋转系绳系统的动力学建模、部署策略和操作优势的概述，重点关注一些关键用例：地球、月球和火星表面观测。分析了三种代表性的感知模式：（1）立体成像，其中系绳平台允许以可调基线进行同步捕获；（2）分布式雷达探测，得益于机械稳定、空间分散的传感器以提高分辨率；（3）合成孔径雷达干涉测量，其中系绳诱导的基线控制提高了精度并简化了相位解缠。针对地球和月球周围的多种轨道配置提供了性能评估。结果表明，尽管一些问题仍需更详细地探讨，但在不同的任务场景下，旋转系绳系统相比当前技术可以提供有竞争力或更优的观测性能。讨论了这种架构带来的主要挑战，以及未来的研究方向和开发前景。
一、引言
长期以来，研究人员已将系绳系统应用于广泛的空间任务，包括通过电动系绳清除碎片、轻型大型结构（如库仑结构和网状结构）、太空电梯以及人工重力栖息地。其中，慢速旋转构型的系绳已被证明是一种有前景的解决方案，可用于减轻长期微重力暴露对人体的不利影响，以及通过利用动量交换机制减少下降至天体过程中的推进剂消耗。
系绳系统可延伸至数十公里，远超刚性结构的实际尺寸，并能沿其长度搭载多个仪器，用于同步多点数据采集。在旋转构型中，通过收放系绳并利用角动量守恒，可以调整卫星之间的相对间距和系统的角速度。这使得在较大基线上无需连续消耗推进剂即可实现稳定、精确受控的编队。此外，旋转参数既可在任务设计阶段调整，也可在轨调整，对整体系统复杂性的影响极小。
除了载人应用之外，旋转系绳系统还为科学观测任务提供了巨大潜力。研究人员特别研究了其用于天文干涉测量和行星遥感，包括合成孔径雷达和雷达探测应用。在保持受控相对几何形状的同时部署大基线传感器的能力，使得系绳构型对于提高轨道观测系统的空间分辨率和测量多样性尤其具有吸引力。
另一个可能的应用是立体成像：这是现代行星遥感任务的关键组成部分，通过利用不同视角获取的图像之间的视差，能够精确重建地表形态的三维结构。立体像对可以实现地形特征的高分辨率制图，提供仅靠单视影像无法获取的高程、坡度和体积的定量测量。这些产品是广泛地球科学研究的基础，包括地貌过程分析、表土层力学性质估算以及着陆点危害评估的细化。源自立体成像的数字地形模型已广泛用于火星、月球及其他天体的行星任务，根据成像几何和处理技术，展示了米级至亚米级的垂直精度。
轨道立体成像通常通过三种主要架构方法实现：（i）单颗卫星携带单个成像系统，在多次轨道通过同一目标区域时获取图像，这通常会导致显著的时间去相关和变化的照明条件；（ii）单颗卫星平台配备两个具有固定角间隔的成像系统；（iii）单颗卫星携带可操纵的成像系统，能够通过受控旋转或离轴指向获取立体像对，例如由某仪器所实现的那样。
雷达探测通过利用低频电磁波穿透光学不透明材料（如风化层、冰和尘埃）的能力，对光学立体成像进行补充。该技术提供了对地下层序和介电特性的独特见解，能够探测行星环境中的埋藏界面，例如地下冰层、火山单元和沉积矿床（例如火星极地层状沉积物和月球地下结构）。信号衰减和反射强度的变化被用来推断物质成分和物理状态，包括估算层状地形中的冰含量和介电对比度。多频和极化测量（例如欧罗巴快船任务上某雷达所规划的测量）进一步增强了物质区分能力并减少了解释歧义。然而，行星雷达探测器中用于深层穿透所需的长波长，由于在HF/VHF频段使用传统偶极天线时波束较宽，从根本上限制了跨轨空间分辨率。为了解决这一限制，研究人员提出了分布式雷达探测器架构，通过利用空间分离的传感器，实现了改进的跨轨分辨率、减少的表面杂波以及增强的信噪比。特别是，参考文献提出了一种陀螺稳定和气动稳定构型的系绳雷达系统，展示了优于自由飞行编队的明确性能优势。
与现有文献相比，本文采用系统级方法来确定控制旋转系绳系统在各种天基观测技术中性能的关键参数。本研究调查了用于行星观测的立方星级旋转系绳架构的可行性，特别强调地球和月球监测，并全面概述了潜在应用，突出了可行性范围、性能限制和关键设计方面。通过针对立体成像、雷达探测和合成孔径雷达应用，所提出的架构在基线灵活性、可实现的空间分辨率和任务适应性方面，展示了优于传统和编队飞行解决方案的优势。提出了针对立方星平台的高层系统设计以支持这些发现。
第3节提供了系绳系统动力学的概述，并讨论了针对行星观测性能优化的架构。旋转系绳系统的潜在应用及其预期性能在第4节中介绍。最后，第5节讨论了结论和未来发展。
二、系绳系统
2.1 系统描述与建模
几十年来，系绳系统一直是未来航天器的一个成熟概念。系绳系统由两根或多根由长而柔性的结构（系绳）连接的航天器组成。这种构型实现了传统卫星无法复制的独特动力学能力和架构解决方案，例如碎片清除、轻型大型结构、太空电梯以及人工重力栖息地。
在本研究中，该系统可建模为“哑铃链”，即一系列由不导电的不可伸展系绳连接、并绕系统质心旋转的等间距质量单元，如图1所示。每个质量单元是一个立方星单元。质量单元间距 pp 和总长度 ll 是自变量，由任务所需的性能定义。所有质量单元的相对动力学可以在一个参考系（图1中以红色显示）中描述，该参考系原点位于整个系统的质心。x轴指向星下点方向，z轴指向轨道角动量矢量方向，y轴与两者构成右手坐标系。角度 θθ 和 ϕϕ 分别表示相对于轨道平面的面内角和面外角。
图1. 系绳旋转系统的基本表示（使用哑铃链模型）。
任务和系统设计主要受以下动力学参数驱动：
轨道：根据感兴趣的区域选择轨道参数以确保足够的覆盖范围。此外，轨道高度直接影响可实现的成像分辨率。系绳长度：它决定了系统基线，从而决定了遥感测量的性能。通常希望系绳更长；然而，增加系绳长度也会增加系绳在系统内盘绕所占用的体积。因此，需要进行详细的权衡研究，以满足基线和体积两方面的约束。自旋矢量：自旋矢量在方向和大小上都至关重要，会导致不同的基线和信号的周期性。香港星云先进技术有限公司（NAT）是Dragonfly Aerospace中国代理商，星云技术为中国客户提供：整星产品、光学载荷、卫星相机、卫星平台、卫星组件等产品。
由于本研究是一项可行性研究，分析中采用了一条通用且成熟的轨道。该轨道之后可根据具体任务目标进行细化。分析则聚焦于系绳长度和系统自旋的影响。
此外，未考虑其他效应（如弯曲和系绳伸长），因为它们需要高保真仿真，计算成本非常高。实际上，仿真时间随质量单元数量和刚度值的增加而增加：刚度越高，振动频率越高，从而需要更多的积分器评估次数。尽管如此，已进行了短时仿真以评估不可伸展系绳假设的有效性。
如图2所示，每个系绳段可根据其振动模式以不同方式定向。因此，例如仅考虑轨道面内的运动时，每个角度 θθ 定义了相关段的方向。
图2. 系绳离散化为集中质量以及定义轨道平面内每个段方向的角度。
图3显示了在月球周围轨道平面内以0.1 rpm自旋的1公里系统的仿真结果。该图表明，由于两个连续段的面内角θ差异非常小（量级为 10−610−6到 10−510−5度），系绳不会弯曲，而是保持拉紧。此外，质量单元之间的距离波动在几毫米量级，如图4所示，对于大多数应用而言，相对于系绳总长度可以忽略不计。本文分析的某些应用（即那些采用较短波长的应用）可能需要比在这些假设下所能达到的精度更高的质量单元相对位置信息。然而，在所提出的系统中，系绳动力学不是相对位置估计的唯一来源，而是对编队飞行任务中通常使用的传统传感器套件的补充。
图3. 整个系绳系统质量单元上，连续面内段角度随时间的变化差值。
图4. 两个连续质量单元之间的距离随时间变化。
2.2 任务阶段与系统稳定性
轨道注入后，系统保持堆叠构型，以便能够装入运载火箭的有限容积内。完成消旋后，任务概念上可分为四个主要阶段：系绳部署阶段（系统从其紧凑的发射构型伸展至完全系绳长度）；自旋加速阶段（系统利用机载推进器开始旋转）；稳定旋转阶段（通过角动量守恒保持恒定自旋的运行阶段）；以及收绳/放绳阶段（通过利用角动量守恒而非推进剂消耗来调整系绳长度，从而改变系统性能）。
所有任务阶段都必须仔细而全面地分析，以确保任务的可行性和成功。实际上，需要优化部署电机控制曲线，以便在部署阶段结束时达到目标状态，从而确保更简单的自旋加速阶段。将系统建模为哑铃构型后，可使用分层滑模控制律来控制自旋加速阶段，同时应用动态逆方法来确保面外运动的稳定性。虽然自旋加速可以在自旋轴位于轨道面内或垂直于轨道面的情况下进行，但后一种构型更为可取，因为它减少了面内俯仰与面外滚转运动之间的耦合。这两个阶段通常按顺序执行而非同时进行，以防止高离心力导致系绳卷取机构张力过大，否则会使部署控制复杂化。如果旋转速率至少为每轨道8转，则可认为稳定旋转阶段是稳定的。该自旋速率提供了足够的稳定性，同时最小化所需的系绳强度。然而，在本文中，考虑了更高的自旋速率，通过增加离心张力来纳入安全裕度，从而保持系绳拉紧并避免弯曲。在收绳/放绳阶段，稳定性由角动量守恒保证。
2.3 系统构型
从动力学角度来看，系统自旋轴相对于轨道面有两种不同的取向：自旋轴位于轨道面内，或垂直于轨道面。根据所选取向，系绳系统两个边缘模块的投影（以下称为系统基线投影）沿轨道表现出不同的特性和变化。基线投影是影响第4节讨论的系绳系统应用性能的关键参数之一，因此对其进行了特别关注的分析。
自旋轴位于轨道面内，见图5。由于几何约束，在这种惯性固定构型中，除非施加恒定推力，否则自旋轴显然并不始终指向星下点。该构型允许基线投影沿速度方向及横向均有变化。与其他构型相比，基线投影变化演化较慢，并且最大基线投影长度每轨道仅能达到两次：即当自旋轴与轨道径向方向对齐时。自旋轴垂直于轨道面，见图6。该构型的主要优势在于，能够根据系统自旋速率实现最大基线投影，并且比前一种构型更频繁地达到。由于质量单元的运动完全位于轨道面内，该构型使得基线投影仅沿速度方向变化。图5. 自旋轴位于轨道面内的构型。系绳运动产生沿轨道速度方向和横向的基线投影，可实现双向感知，但沿轨道的基线变化较慢。
图6. 自旋轴垂直于轨道面的构型。系绳在轨道面内旋转，导致基线仅沿速度方向变化，且最大基线长度更频繁地重复出现。
2.4 系统尺寸设计
对于系统尺寸设计，应考虑任务中最关键的方面。这些方面包括集成到系统单元中以实现任务目标的有效载荷特性，以及自旋加速阶段所需推进系统的性能和参数。下文报告了系统尺寸设计所采用的主要计算和假设，目的是估计系统单元的体积和质量，并确定自旋加速所需的推进系统类型。
在自旋加速过程中，假设角加速度恒定且长度 ll 固定，推力作用于两个边缘单元，则每个单元所需的总冲量为：
其中 ωω 为角速度，II 为系统的转动惯量。忽略系绳质量，II 为：
其中 mm 为每个单元的质量，nn 为系统中的单元数量。
每个质量单元基于立方星标准平台，实现了模块化、可扩展生产和降低成本。先前的研究证实了将行星观测有效载荷集成到立方星上的可行性。适用于集成到立体成像应用模块中的商用现货立方星光学相机在市场上广泛可得，其质量低于0.5公斤，体积小于1U。代表性示例包括Dragonfly Aerospace的相机。根据文献，具有紧凑外形因子的探测雷达有效载荷是可行的。一些示例与矢量传感器天线技术的不同应用相关。具体应用以及质量和体积估计约为6公斤，体积范围为6U至8U，用于在收纳状态下容纳天线和控制电子设备。尺寸主要取决于所采用的频率范围。关于合成孔径雷达系统，现有任务和概念已证实将其纳入立方星的可行性。
虽然过去已部署了长达数十公里的系绳，但在立方星系统中，典型的目标可部署系绳长度限制在大约1公里。因此，在本工作中，考虑系绳长度范围为1公里至5公里，利用第3节所述的模块化架构，其中总系绳长度分布在多个较短的段上，而非依赖单根连续系绳。
作为总体架构概念，链式系统的每个质量单元都配备有：依赖于任务的有效载荷（例如光学相机、合成孔径雷达或雷达仪器）；用于实现最终系统构型并调整系绳长度从而改变感知单元之间相对距离的系绳部署与控制子系统；以及一组专用于控制并监测单元之间相对姿态的传感器和执行器。此外，通过在系绳结构内嵌入通信总线，可以通过系绳本身实现单元间的数据传输，从而无需专用的无线通信子系统即可进行可靠的数据交换。
功率预算也是太空任务设计的一个关键方面，尤其是对于具有特殊动力学特性（如旋转系绳构型）的系统，并且当涉及高功耗有效载荷时更具挑战性。尽管通常需要根据具体情况在系统自旋构型和轨道选择之间进行权衡分析，但假设太阳能电池板为主要电源，晨昏轨道是最大化发电的最合适选择。这既适用于自旋轴垂直于轨道面的构型，也适用于自旋轴位于轨道面内的构型；然而，在后一种情况下，需要为太阳能电池板定向设置专用机构。
三、地球与月球观测的潜在应用
本节介绍一组特别适合旋转系绳卫星系统的潜在应用。由于这类架构天生具备产生大型可重构基线以及协同运行的能力，它为若干遥感技术提供了独特的优势。在以下各小节中，将讨论三个具有代表性的应用领域：光学相机立体成像（月球轨道）、分布式雷达探测（地球和月球应用）以及合成孔径雷达干涉测量。针对每种情况，简要概述系绳系统的适用性，重点说明主要性能驱动因素和相关的运行考量。
3.1 立体成像
为利用系绳架构在遥感中的优势而探索的第一个应用是立体相机系统。通过设计一个仅由两个质量单元组成的哑铃系统，并在每个单元上安装一台相机，可以获得基线约等于系绳长度的立体相机系统。该系统可应用于旨在利用立体图像绘制行星表面地图的任务。与在同一平台上安装两台相机的常用配置相比，系绳架构有两个主要优势：
两幅图像同时拍摄，能够观测甚至非常快速的现象，并通过减少时间去相关来简化两幅图像之间的匹配过程；只需收放系绳即可轻松改变系统基线，从而在操作中提供更大的灵活性。与单平台架构相比，该系统也存在一些缺点。一个问题与可实现的有局限的系绳长度有关。立体相机系统的关键性能参数是垂直分辨率，即导致视差变化一个像素的最小距离变化。垂直分辨率由下式给出：
其中 ZZ 表示到观测目标的距离（在此背景下为轨道高度），fpx是以像素表示的焦距，BB 是基线（初始近似为两个质量单元之间的距离）。
图7提供了方程(3)的图形表示，说明了对于相对较小的基线值，可实现的垂直分辨率受到显著限制。虽然过去已经部署了长达数十公里的系绳，但其在小卫星系统中的可行性尚未得到证实。因此，对于本工作中开发的系统，考虑了一个下限，分析了1公里和5公里系绳长度的情况。
图7. 不同基线值下立体相机的垂直分辨率随轨道高度的变化。图中对应较低轨道高度的部分以红色突出显示。
因此，要实现可接受的分辨率，需要在非常低的高度运行，这对于地球轨道并不可行，即使对于月球任务也仍然具有挑战性，因为低于50公里的高度很少达到。为了进一步说明这些限制，考虑了一个实际月球航天器——月球勘测轨道飞行器的轨道。选择月球勘测轨道飞行器作为代表性案例研究，是因为其运行寿命长且高保真轨道数据广泛可用，使其成为低月球轨道领域特征最明确的任务之一。传播了2025年12月初的星历，得到的高度剖面如图8所示。该图突出了轨道高度的显著变化性，最低高度接近约50公里，距月球表面的最大距离略超过120公里。这种变化性是月球高度不规则且空间变化的引力场的直接结果，这使得在没有专用站位保持机动的情况下，维持严格的圆形低月球轨道尤其具有挑战性。因此，运行中的月球航天器通常飞行在略微偏心或准冻结的轨迹上，这些轨迹提供了更好的长期稳定性，但同时沿轨道接受不可忽略的高度变化。出于这个原因，月球勘测轨道飞行器轨道提供了一个真实且具有代表性的例子，用以评估轨道高度变化对系统性能和成像约束的影响。通过将这种真实的高度演变代入垂直分辨率方程(3)，可以明显看出，最低可实现分辨率（略低于一百米）对于科学目的仍然不足，而且高度的变化对其也没有帮助；见图9。
图8. 月球勘测轨道飞行器高度随时间变化的示例。
图9. 垂直分辨率随经过秒数的变化与高度变化的比较。采用了系绳长度5公里、自旋速率0.1 rpm、自旋轴垂直于轨道平面的哑铃系统构型。
这里检验的具体配置是一个哑铃系统，系绳长度5公里，旋转速率0.1 rpm，自旋轴垂直于轨道平面。即使考虑更高的1 rpm转速，整体行为也没有实质性变化：所得曲线采样更密集，但其最小包络线实际上保持不变。
另一个相关问题涉及系统动力学。在标称构型中，系绳系统的时变几何导致沿轨道的基线连续变化。如前所述，这种影响是双重的。一方面，系统性能随之变化，遵循系绳在垂直于当地垂线平面上的投影。图10展示了400公里地球轨道上的基线演变，其中观察到的周期性取决于系统自旋速率和轨道高度。另一方面，这种行为要求两台相机在多种指向构型下工作，导致系统复杂性显著增加。尽管如此，值得注意的是，在所提出的案例中，由系统自旋运动引起的末端质量的速度变化比轨道速度低几个数量级。例如，在本工作考虑的最坏情况下（自旋速率1 rpm，系绳长度5公里），自旋运动引起的速度变化在±0.26 km/s以内，与低地球轨道中遇到的数公里每秒相比可以忽略不计。因此，所需的天线指向变化率可以通过当前的立方星姿态确定与控制系统实现，因为与传统单平台成像架构相比，没有对其控制能力施加显著额外要求。
图10. 基线投影随经过时间和系绳系统自旋速度的变化。所绘曲线对应于自旋轴位于轨道面内、在400公里高度绕地球运行的系统。高度降低仅会使峰值线上移，并且由于轨道周期减小，双折趋势向左移动。
当自旋轴垂直于轨道平面取向时，基线仍在最小值和最大值之间变化；然而，这些变化沿轨道发生得更频繁。在这种构型中，基线演变不再具有双折表示，因为几何调制是由轨道运动和自旋动力学的共同效应驱动的。因此，以最高可实现空间分辨率和整体系统性能进行图像采集的机会更频繁地出现，尽管每个单独的采集窗口比前一种情况更短。在此背景下，图11展示了1公里系绳系统沿月球勘测轨道飞行器轨迹的基线演变。虽然这种构型可能提供更均匀的基线值时间采样和更高频率的高性能成像机会，但它并不能实质性缓解前述缺点，并且在指向要求、姿态控制和整体系统复杂性方面的相关挑战与面内自旋轴构型基本相当。
图11. 基线投影随经过时间和系绳系统自旋速度的变化。所绘曲线对应于自旋轴垂直于轨道平面、沿月球勘测轨道飞行器轨迹绕月球运行的系统。
总体而言，目前的结果表明，虽然系绳立体架构提供了有趣的几何灵活性和大型可重构基线的潜力，但它们在高分辨率成像中的适用性仍然受到技术和轨道因素的根本制约。要实现适合科学制图的垂直分辨率，需要数十公里的系绳长度（如大型任务所证明的那样），这与当前的立方星级系统不兼容。此外，即使有这样的扩展基线，有意义的分辨率也只能在非常低的高度（通常为几十公里）实现，这在地球轨道上不可行，在大多数行星体周围也难以维持。因此，该系统的实际适用性目前仅限于无大气或低重力环境（如月球、小行星或冰卫星），在这些环境中可以维持低空运行，并且大气阻力不会抑制系统稳定性。
3.2 分布式雷达探测器
如第2节所述，由多个感知单元组成的链式系绳系统可以显著提升分布式雷达探测器系统的性能。一方面，由于系绳提供的机械连接，可以大大简化放置在其上的卫星，降低成本；另一方面，由于系统的动力学特性，可以在更长时间内实现更好的跨轨分辨率。这在气动稳定系统中尤其明显，通过使系绳系统垂直于轨道速度方向，可以连续实现传感器之间的最大跨轨间距。然而，由于需要大气来稳定系统，这种构型仅在低地球轨道有效，而旋转系统在月球或其他天体的探测中也具有潜在应用。基线投影的演变与前一节描述的相同。然而，在这种情况下，分辨率性能受到基线在沿轨和跨轨方向上投影的限制。特别是，跨轨和沿轨分辨率由下式给出：
其中 λ 是波长，H 是轨道高度，Lact,Lat分别是系绳的跨轨和沿轨投影。
为了分析空间分辨率沿轨道的演变，考虑了三个参考案例：高度400公里的地球极地轨道、高度50公里的月球极地轨道以及月球勘测轨道飞行器的实际轨道。选择极地轨道是因为其高度科学相关性，特别是对于月球探测，据信那里存在大量的固态水沉积。分析前两个案例时假设自旋轴位于轨道面内，提供了一个简化的场景以突出轨道高度对分辨率的影响。
选择50公里作为参考月球高度是基于以下事实：在月球勘测轨道飞行器科学运行的某些阶段，它在有限的时间间隔内保持了接近50公里的平均高度，代表了一个真实的低月球轨道状态。
除了这些理想化案例，还纳入了月球勘测轨道飞行器轨道作为实际基准，并在两种自旋轴取向下进行分析，从而可以在与运行相关的场景中评估轨道高度变化和自旋轴构型的综合影响。
为了评估系统的分辨率，定义了三个特征波长：
4.2厘米（X波段）——类似于美国宇航局月球勘测轨道飞行器上的Mini-RF仪器所使用的波长，设计用于极地冰探测；70厘米（UHF波段）——类似于火星快车任务中MARSIS雷达所使用的波长，用于探测火星地下层；33米（HF波段）——类似于月球侦察轨道器上的SHARAD雷达所使用的波长，能够穿透数百米深度。图12和图13展示了两个理想化参考案例（即高度400公里的地球极地轨道和高度50公里的月球极地轨道）的跨轨和沿轨空间分辨率，两者均假设自旋轴位于轨道面内。两种情况的整体时间趋势在性质上相似，因为它们受相同的几何构型和系统参数控制，轨道高度是主要的差异因素。正如预期的那样，与月球案例相关的较低高度导致在所有观测波长上可实现的空间分辨率得到系统性改善，这从分辨率曲线的向下移动中可以清楚看出。
图12. 系统在400公里地球轨道、1公里系绳长度、0.1 rpm自旋速率下的跨轨和沿轨空间分辨率。插图为放大区域，显示了最高可实现分辨率。
图13. 系统在50公里月球轨道、1公里系绳长度、0.1 rpm自旋速率下的跨轨和沿轨空间分辨率。插图为放大区域，显示了最高可实现分辨率。
当考虑基于实际月球勘测轨道飞行器轨迹的案例（如图14和图15所示）时，出现了月球勘测轨道飞行器轨道类型与太阳照明几何之间更复杂的相互作用。图14指的是自旋轴位于轨道面内的构型，而图15显示了自旋轴相对于轨道面倾斜的情况。在后一种情况下，月球勘测轨道飞行器轨道表现出明显的振荡模式，其特征在于自旋轴方向的周期性变化。这些振荡在升交点通过期间最为明显，如图14和图15中的阴影区域所示。这种行为可归因于月球勘测轨道飞行器相对于黄道面的倾角在其轨道上发生变化，导致来自不同角度的照明程度不同。
图14. 系统沿月球勘测轨道飞行器轨迹、1公里系绳长度、0.1 rpm自旋速率、自旋轴位于轨道面内的跨轨和沿轨空间分辨率。插图为放大区域，显示了最高可实现分辨率。
图15. 系统沿月球勘测轨道飞行器轨迹、1公里系绳长度、0.1 rpm自旋速率、自旋轴垂直于轨道面的沿轨空间分辨率。由于姿态约束，无法实现跨轨分辨率。右图显示了放大区域，突出显示了较短波长下的更高分辨率状态。
相反，图15说明了自旋轴垂直于轨道面取向的情况。由于几何约束，这种构型排除了跨轨基线的定义，导致跨轨分辨率丧失。然而，沿轨分辨率仍然可用，并且表现出与前一案例明显不同的时间行为，不再具有自旋轴位于轨道面时观察到的双折周期性，这对于需要一致沿轨采样或成像连续性的应用可能是有利的。因此，这种构型证明了自旋轴取向不仅影响分辨率分量的可用性，而且从根本上改变了它们沿轨道的时间演变。
此外，基于分辨率曲线并通过为不同波长设定分辨率阈值，可以确定系统满足特定性能要求的时间百分比。地面分辨率的阈值是根据相应频段雷达系统典型数值定义的，并采用保守方法，设置为50米（λ=4.2cm）、1000米（λ=70cm）和15000米（λ=33m）。计算得到的百分比仅针对系统自旋轴位于轨道面内的构型，以确保跨轨和沿轨分辨率分量同时可用，并实现两者之间的一致比较。
在此框架内，分析了三个参考场景：高度400公里的地球轨道以及高度分别为100公里和50公里的两个月球轨道。表1总结了结果，突显了低于规定分辨率阈值的时间比例对轨道高度的明显依赖。
表1. 对于每种研究构型，系统满足空间分辨率要求的轨道时间百分比（%）。百分比表示瞬时地面分辨率保持在阈值50米（λ=4.2cmλ=4.2cm）、1000米（λ=70cmλ=70cm）和15公里（λ=33mλ=33m）以下的轨道周期部分。结果分别针对跨轨和沿轨方向给出，考虑了两种自旋速率（0.1 rpm和1 rpm）和轨道类型（地球400公里、月球100公里和月球50公里）。
月球场景显示出比地球案例高得多的百分比，反映了较低轨道高度所带来的可实现空间分辨率的系统性改善。在月球构型中，50公里轨道在所有考虑波长下都提供了最高的低于阈值时间比例，证实了降低高度直接转化为增强且更持久的成像性能。
对于所有分析的案例，跨轨和沿轨百分比之间的差异源于不同的基线演变。尽管如此，总体趋势保持一致，表明轨道高度是控制系统满足分辨率要求的时间比例的主导因素。定量地说，低于阈值的时间百分比从地球400公里高度的约42%（对于 λ=33λ=33 米）增加到月球50公里轨道的近90%。对于较短波长，所有低空月球构型的达标率超过95–98%。总体而言，这些结果表明降低轨道高度能够系统地增强高分辨率性能的持久性和鲁棒性。
3.3 合成孔径雷达干涉测量
所提出的系绳系统的一个关键特性是能够通过收放系绳轻松改变感知质量单元之间的距离，而无需消耗推进剂。这一能力对于讨论过的其他应用已经很重要，在合成孔径雷达干涉测量的背景下尤其有价值。在传统的星载合成孔径雷达系统中，可实现的干涉基线受到轨道控制精度和燃料消耗的限制，直接限制了系统的灵活性和性能。
合成孔径雷达干涉测量需要高精度地了解两天线之间的相对基线，以实现精确的相位处理和高度反演。系绳施加的机械约束可以提供稳定且定义明确的基线几何形状，当与标准校准和轨道确定技术结合时，可能提高基线确定精度。此外，在任务期间动态调整基线长度的能力实现了巨大的操作灵活性，允许系统在不同观测模式之间切换。
特别是，用小基线获取的干涉图可用于辅助用较大基线获取的干涉图的相位解缠，这是一种成熟的缓解相位模糊度和减少解缠误差的策略。这种能力对于探测那些现有数字高程模型存在显著不确定性或空间分辨率有限的天体尤其有利，因为这直接影响数字高程模型辅助相位解缠的可靠性。因此，可变基线的系绳系统可以通过利用一系列基线长度增加的干涉采集来逐步细化地形知识。
此外，系绳构型所实现的同时采集能力消除了传统重复轨道干涉测量中常见的时间去相关，从而能够更稳健地反演表面形变和高度信息。然而，必须仔细考虑由系绳旋转引入的运动相位项，因为它可能影响干涉相位质量，需要特定的数据处理策略。
显然，改变系绳长度会根据角动量守恒改变系统的自旋速率，从而影响有效采集频率和重访几何。虽然这种基线长度与旋转动力学之间的耦合对运行的影响需要详细分析，但初步考虑表明，对于干涉测量应用中通常采用的基线值（量级为 10−2m10−2m），所得到的采集频率仍与合成孔径雷达成像要求兼容，并且不会对所提出的概念构成根本性限制。
四、结论与未来发展
本文研究了旋转系绳卫星系统作为遥感应用的灵活且可扩展架构的潜力，特别关注立体成像、分布式雷达探测和合成孔径雷达干涉测量。
综合考虑过往任务、商用现货立方星组件的可用性以及系绳技术的现状（包括其进展和局限性），从系统层面论证了使用旋转系绳立方星平台执行观测任务的可行性。
通过利用系绳提供的机械连接和可控的自旋动力学，此类系统能够实现大型且可重构的基线，而无需连续消耗推进剂。此外，这为相对位置和姿态估计流程增加了一个约束，补充了传统传感器，从而实现了更好的性能。与传统的自由飞行编队相比，这种架构在基线稳定性、质量效率和操作灵活性方面具有明显优势。
除了具体应用的结果之外，本文的主要贡献在于采用了一个系统级框架，该框架在统一的立方星级设计空间内识别了驱动多种观测技术性能的关键架构和动力学参数。
遥感性能的主要限制被确定为最大系绳长度。尽管如全文所强调，对于某些应用，使用当前技术可以实现与卫星编队竞争或更优的性能，但增加立方星级系统可部署的系绳长度将允许在同步立体成像等应用中获得显著改进。探索了选择不同自旋轴几何形状的影响，强调了它们如何有益于不同的应用。
这些分析是针对地球和月球周围的代表性轨道场景进行的；然而，所提出的方法和性能评估框架本质上是通用的，并且可以很容易地扩展到其他行星体，只需考虑相关的轨道和引力参数。
尽管有这些有希望的结果，但仍存在若干挑战。旋转系绳系统的时变几何给有效载荷带来了不可忽视的指向和姿态要求，增加了整体系统复杂性。此外，部署动力学、系绳张力管理以及长期稳定性——特别是在低月球轨道等高扰动环境中——需要进一步研究以确保操作的鲁棒性。这些方面对于依赖非常精确和可重复基线知识的应用尤为关键。
总体而言，本文提出的结果表明，旋转系绳系统是未来地球和行星遥感任务中可行且有竞争力的解决方案。虽然需要额外的工作来解决控制、部署和操作方面的限制，但在空间分辨率、可配置性和无推进剂基线重构方面所展示的增益表明，基于系绳的架构可以在下一代跨越广泛天体的观测任务中发挥重要作用。
申宝策略提示：文章来自网络，不代表本站观点。
