Lettelse af udviklingen af ​​LEO-megakonstellationer

Den hurtige udvikling af megakonstellationer i Low Earth Orbit (LEO) har bidraget væsentligt til flere aspekter af menneskets videnskabelige fremskridt, såsom kommunikation, navigation og fjernmåling. Imidlertid har uhæmmet udbredelse af konstellationer også belastet orbitale ressourcer og øget overbelastning af rumfartøjer i LEO, hvilket alvorligt påvirker sikkerheden ved operationer i kredsløb af mange rumaktiver.

For den langsigtede og bæredygtige udvikling af rumaktiviteter i LEO-regioner skal rummiljøstabilitet opretholdes ved hjælp af mere rationelle overvågnings- og styringsmekanismer. I et reviewpapir, der for nylig er offentliggjort i Space:Science &Technology , Jingrui Zhang fra School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, analyserede forskningsgabet og faciliterede udviklingen af ​​LEO mega-konstellationer.

Først og fremmest gennemgik forfatteren den aktuelle udvikling af typiske LEO mega-konstellationer, herunder Starlink, OneWeb, Iridium Next, Globalstar og Flock. Tager man SpaceX's Starlink som eksempel, sigter det mod at bygge en LEO-konstellation indeholdende 42.000 satellitter for at opnå global dækning, højhastigheds-, storkapacitets- og lav-latens rumbaseret globalt kommunikationssystem. Starlink har vist fremragende præstationer inden for relaterede områder, såsom international luftfart og havtransport. Desuden kan Starlink konstrueres som et magtfuldt kommando- og kommunikationsnetværk og har allerede været et vigtigt symbol på våbengørelsen af ​​det ydre rum i USA.

Derefter analyserede forfatteren virkningen af ​​LEO mega-konstellationer i form af astronomisk observation, rumfartøjssikkerhed i kredsløb og rummiljøudvikling. Fra rumvidenskabens perspektiv var sådanne påvirkninger særligt fremtrædende i astronomiske observationer, sikkerhed i kredsløb af rumfartøjer og udviklingen af ​​rummiljøet. Med hensyn til astronomisk observation vil de nye LEO mega-konstellationer, som hovedsageligt vil blive indsat på 350-1100 km, i væsentlig grad påvirke den normale drift af jordbaseret astronomisk observationsudstyr. For jordbaserede optiske teleskoper, når en satellit passerede gennem sit synsfelt, forårsagede det forskellige grader af skade på observationsdataene afhængigt af satellittens lysstyrke.

Desuden udgjorde det overdrevne antal satellitter og dårlige styringsevner af LEO mega-konstellationer en alvorlig trussel mod sikkerheden for rumfartøjer i kredsløb. Især for store, bemandede rumfartøjer af høj værdi øgede dette ikke kun risikoen for betydelige økonomiske tab, men truede også astronautsikkerheden. Ud over at udgøre en trussel mod sikkerheden for individuelle rumfartøjer i kredsløb, øgede LEO mega-konstellationer usikkerheden om rummiljøets udvikling. Antallet af ukontrollerbare mål var steget markant med LEO mega-konstellationer, hvilket førte til en kraftig stigning i tætheden af ​​LEO-rumobjekter, hvilket indebar betydelige udfordringer for afbødning af rumaffald og rumtrafikstyring. Den hurtige vækst af LEO-megakonstellationer kan føre til det endelige sammenbrud af rummiljøet.

Bagefter opdelte forfatteren processen med at afbøde eller undertrykke den negative påvirkning i to hovedaspekter:overvågning og styring af rumobjekter. Overvågning af rummål skulle sikre rumfartøjets sikkerhedsdrift ved hjælp af rumovervågningsinfrastrukturer og teknologier til bevidsthed om rumsituationer.

Mange institutioner og forskere havde gjort adskillige forskningsindsatser og dannet et anvendt felt for rumsituationsbevidsthed (SSA) med en komplet arkitektur. Et observationssystem omfattede hovedsageligt to indsættelsessteder, jordbaserede og rumbaserede, og to detektionsmetoder, optisk og radar. I øjeblikket er det bedste rumobservationssystem med hensyn til global ydeevne SSN, fra USA, efterfulgt af det russiske rumovervågningssystem (SSS) og EU's rumovervågnings- og sporingssystem (EUSST).

På grund af udviklingen af ​​LEO mega-konstellation stod SSA over for nye udfordringer med hensyn til multisensorstyring og datafusion. For at maksimere SSA's muligheder krævedes en effektiv allokering af multisensorer med en effektiv sammensmeltning af multisensordata. Multisensorstyringsmetoden kan forstås i form af sensorplanlægning eller afsendelse af observationsopgaver, som refererede til tildeling af passende observationsinstruktioner på passende tidspunkter, således at hele sensornetværket kan arbejde sammen om at opnå opgavekrav.

Med det stigende antal jordbaserede og rumbaserede observationssensorer, der kommer online, blev effektive multisensorstyringsmetoder et presserende krav fra rumsamfundet. Ud over typiske optimeringsmetoder blev effektive og optimale opgaveallokeringsmetoder baseret på dybe forstærkningslæringsalgoritmer og relaterede metoder foreslået for at opnå god ydeevne i højdimensionelle og storskala scenarier.

Multisource information fusion var en multi-level og mangefacetteret proces med informationsbehandling, der detekterer, korrelerer og kombinerer data fra flere sensorer og informationskilder for at opnå et nøjagtigt estimat af målstatus og identitet, samt en komplet vurdering af miljøets holdning og trusler.

Imidlertid oplevede multi-sensor information fusion begrænsninger, såsom lav autonomi og dårlig aktualitet. I retning af styring af rumobjekter var der to hovedstyringsmetoder. Den første kategori, post-mission disposal (PMD), var at reducere genereringen af ​​nye rumobjekter ved hjælp af ombord-deorbiting-strategier. Den anden kategori, aktiv affaldsfjernelse (ADR), havde hovedsageligt til formål at fremskynde deorbit af rumobjekter, der ikke er i drift, og det ultimative mål var at styrte mål ind i atmosfæren gennem aktiv menneskelig aktivitet. PMD kan reducere fødselsraterne betydeligt og øge antallet af rumfejlsmål.

Dette kan dog ikke bremse væksttendensen. ADR kan skille sig af med eksisterende fiaskomål og dæmme fundamentalt tendensen til vækst af rumskrot. Der var dog et presserende behov for at forbedre fjernelseseffektiviteten. Derfor var den integrerede brug af både PMD og aktiv fjernelse af rumobjekter en forudsætning for at sikre rummiljøets bæredygtighed.

Endelig blev den fremtidige udvikling og potentielle forskningsretninger for LEO mega-konstellationer prospekteret. Omfattende anvendelser af LEO-megakonstellationer er stadig i den foreløbige udforskningsfase på grund af nogle unikke karakteristika, såsom begrænsede frekvens-kredsløbsressourcer, global påvirkning og komplekse begrænsninger.

Der er således fire hovedtendenser for den fremtidige udvikling:

1. De klokkeklare virksomheder ville hurtigt reservere frekvens-kredsløbsressourcer i batcher.
2. Hidtil uset skade fra LEO mega-konstellationer kan forårsages på rummiljøet.
3. Overvågningssystemerne kan udvikle sig fra jordbaserede til rumbaserede.
4. Styringsmetoderne kan udvikle sig fra enkeltmålsmål til mål med flere formål, billige og højeffektive.

Ifølge den opsummerede tendens ovenfor er fire potentielle forskningsretninger af stor interesse:

1. Der bør etableres en mere retfærdig koordineringsramme for LEO-frekvens-kredsløbsressourceallokering.
2. Der bør foreslås en rimelig og ensartet teknisk standard for rumtrafikstyring for yderligere at forbedre forudgående forhandlingsmekanismer, krisekontrolmekanismer under ulykker og efterfølgende bortskaffelse af ulykker.
3. Kritiske teknologier til rettidig overvågning, udvikling i autonomihurtigheden og effektiviteten af ​​multi-sensor informationsfusion er et presserende behov.
4. Nøglemetoder til effektiv styring er værd at blive videreudviklet. Afviklingen af ​​hedengangne ​​rumobjekter bør fremskyndes ved at udvikle standardiserede, modulære, effektive og konstruerede styringsmidler.

Kommercielt satellitløb rejser krav om flere regler