促进LEO巨型星座的发展

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近地轨道(LEO)巨型星座的快速发展为人类科学进步的几个方面做出了重大贡献,例如通信、导航和遥感。 然而,星座的无节制部署也导致轨道资源紧张,增加了近地轨道的航天器拥堵,严重影响了许多空间资产在轨运行的安全。

为了低轨地区空间活动的长期和可持续发展,必须通过更加合理的监督和治理机制来维护空间环境的稳定。 北京理工大学航天工程学院张景瑞在近期发表于《Space: Science & Technology》的一篇评测论文中,分析了研究差距,促进了 LEO 巨型星座的发展。

首先,笔者回顾了目前典型的LEO巨型星座的发展情况,包括Starlink、OneWeb、Iridium Next、Globalstar和Flock。 以 SpaceX 的 Starlink 为 example,其目标是建设一个包含42000颗卫星的LEO星座,实现全球覆盖、高速、大容量、低延迟的天基全球通信系统。 Starlink在国际航空、海运等相关领域表现出色。 而且,星链可以构建为强大的指挥和通信网络,已经成为美国外太空武器化的重要标志。

然后,作者从天文观测、航天器在轨安全、空间环境演变等方面分析了LEO巨型星座的影响。 从空间科学的角度来看,这种影响在天文观测、在轨航天器安全、空间环境演变等方面尤为突出。 在天文观测方面,主要部署在350-1100公里的新近地轨道巨型星座,将严重影响地面天文观测设备的正常运行。 对于地基光学望远镜,当卫星通过其视场时,根据卫星亮度的不同,对观测数据造成不同程度的破坏。

此外,LEO巨型星座的卫星数量过多和管理能力差,对在轨航天器的安全构成严重威胁。 特别是对于高价值的大型载人航天器,这不仅增加了重大经济损失的风险,而且威胁到宇航员的安全。 LEO巨型星座除了对在轨单个航天器的安全构成威胁外,还增加了空间环境演化的不确定性。 近地轨道巨型星座的不可控目标数量显着增加,导致近地轨道空间物体密度急剧增加,对空间碎片减缓和空间交通管理提出重大挑战。 LEO巨型星座的快速增长可能导致空间环境的最终崩溃。

随后,作者将减轻或抑制负面影响的过程分为两个主要方面:空间物体的监视和治理。 空间目标监视是利用空间监视基础设施和空间态势感知技术确保航天器的安全运行。

许多机构和学者进行了多次研究,形成了一个完整架构的空间态势感知(SSA)应用领域。 一个观测系统主要包括地基和天基两个部署地点,以及光学和雷达两种探测方法。 目前,全球性能最好的空间观测系统是美国的 SSN,其次是俄罗斯的空间监视系统(SSS)和欧盟的空间监视和跟踪系统(EUSST)。

由于LEO巨型星座的发展,SSA在多传感器管理和数据融合方面面临着新的挑战。 为了最大限度地发挥 SSA 的能力,需要有效分配多传感器,并有效融合多传感器数据。 多传感器管理方法可以理解为传感器调度或观测任务的调度,指的是在适当的时间分配适当的观测指令,使整个传感器网络协同工作来实现任务需求。

随着越来越多的地基和天基观测传感器上线,有效的多传感器管理方法成为航天界的迫切需求。 除了典型的优化方法外,还提出了基于深度强化学习算法和相关方法的高效优化任务分配方法,以实现在高维和大规模场景下的良好性能。

多源信息融合是一个多层次、多方面的信息处理过程,它检测、关联和组合来自多个传感器和信息源的数据,以获得对目标状态和身份的准确估计,以及对环境态势和威胁的完整评估。

然而,多传感器信息融合存在自主性低、时效性差等局限性。 对于空间物体的治理,有两种主要的治理方法。 第一类,任务后处置(PMD),是通过机载脱轨策略减少新空间物体的产生。 第二类,主动碎片清除(ADR),主要是为了加速退役空间物体的脱轨,最终目标是通过人类的主动活动将目标撞入大气层。 PMD 可以显着降低出生率并增加空间失败目标的发生率。

然而,这并不能遏制增长趋势。 ADR可以处置现有的失效目标,从根本上遏制太空垃圾增长的趋势。 然而,迫切需要提高去除效率。 因此,PMD的综合利用和空间物体的主动清除是确保空间环境可持续性的先决条件。

最后对LEO巨型星座的未来发展和潜在研究方向进行了展望。 由于频轨资源有限、全球影响、约束条件复杂等特点,LEO巨型星座的综合应用仍处于初步探索阶段。

因此,未来发展有四个主要趋势:

  1. 龙头企业将快速批量储备频率轨道资源。
  2. LEO巨型星座可能对太空环境造成前所未有的破坏。
  3. 监视系统可能会从地基发展到天基。
  4. 治理方法可能从单一目标向多目标、低成本、高效率目标发展。

根据上面总结的趋势,四个潜在的研究方向是非常令人感兴趣的:

  1. 应该为 LEO 频率轨道资源分配建立一个更公平的协调框架。
  2. 提出合理统一的空间交通管理技术标准,进一步完善事前协商机制、事故中危机控制机制和事后处置机制。
  3. 迫切需要用于及时监测、自主快速发展和多传感器信息融合有效性的关键技术。
  4. 有效治理的关键方法值得进一步发展。 应通过开发标准化、模块化、高效和工程化的治理手段来加速废弃空间物体的脱离轨道。