低轨大型星座下空间交通管理的安全挑战与应对

低轨大型星座的快速发展使外层空间安全环境发生了显著变化。在军民融合加深、大国竞争加剧、外空武器化战场化趋势的背景下,愈发繁忙拥挤的外空环境不仅给外空活动的业务安全保障造成严峻挑战,还带来了战略误判和冲突升级等国家空间安全层面的挑战。构建一套能够覆盖两个安全层面的国际空间交通管理机制具有现实必要性和紧迫性。当前的空间交通管理概念对国家空间安全要素考量不足,有必要结合国际外空治理在空间物体登记、外空活动透明度、空间监测与跟踪能力提升以及空间碎片治理等方面的现实需求,明确完善空间物体登记机制、保障空间业务安全和协调国家空间安全这三大空间交通管理任务。面对空间交通管理亟须应对的空间安全问题,国际社会应着力完善星座登记、促进星座信息共享与提升活动透明度,从而构建一体两面的安全机制,保障外空活动和空间环境的长期可持续发展。

低轨大型星座分布式数据接收资源调度方法

许多监视与早期预警应用通过具备高时效性的对地观测数据实现。低轨大型星座观测数据接收任务调度的主要挑战是卫星数量大,中心化资源调度冲突消解面临困难。为此,提出一种新的分布式数据接收资源调度方法。首先,基于星间与星地链路融合构建卫星与地面设备之间的分布式传输链路,在卫星、设备、链路组成的无向网络图中,计算数据下传任务期间分布式链路的最短路径及其持续时长;其次,针对由每个设备的最短路径时间窗口合并构成的集合,利用Q学习方法求解数据接收完成率的优化问题。仿真测试结果表明,在典型的数据接收场景下,采用Q学习求解的数据接收完成率优于“先可见先跟踪”的基准资源调度方法,提升接近1%;与仅使用境内地面站的数据接收资源调度相比,数据接收完成率提升超过50%。

大型低轨星座构型演化分析及维持控制策略研究

针对大型低轨星座构型维持控制问题,搭建了一套星座构型演化及维持控制分析流程,适用于千颗量级的大型低轨Walker卫星星座构型演化分析及维持控制;采用去平均漂移偏差的相对构型保持方法分析星座构型演化情况,有效减小了控制频次、均衡了控制卫星分布;采用自由段维持策略有序规划各卫星位置维持控制时序和控制弧段,实现了整个星座在时间和空间维度有序、分散的控制,降低了对星座服务性能的影响。

大型低轨星座覆盖能力评估研究

针对大型低轨星座覆盖能力评估问题,构建了星座覆盖能力评估指标体系,提出了星座覆盖能力指数算法。基于该评估指标和能力指数算法,利用层次分析法和STK仿真软件对当前部署的“星链”星座、OneWeb星座、“吉林一号”星座进行覆盖能力仿真评估,对比分析了3个星座的覆盖能力,结果表明“星链”星座对0°~50°N纬度地区覆盖能力最强,OneWeb星座对60°~90°N纬度地区覆盖能力最强,同时也表明了该评估指标体系和能力指数算法具有一定的实用性,能够为大型低轨星座的覆盖能力评估工作提供参考。

大型低轨星座部署对空间碎片环境的影响分析

为分析大型低轨(low Earth orbit,LEO)星座部署对未来空间碎片环境的影响,本文利用空间碎片环境长期演化模型(space objects long-term evolution model,SOLEM)研究了大型星座卫星数量、质量、面积、部署高度及任务后处置(post mission disposal,PMD)策略等因素对碰撞次数和碎片数量的影响。分析可知,卫星数量和面积主要影响碰撞次数,而卫星质量主要影响由碰撞产生的新增碎片数量。在满足任务条件下,可综合考虑三者关系选取最合适方案。同时,星座部署在1100 km高度对空间碎片环境影响较大,在遵守25年规则的前提下应将PMD成功率提升至95%以上。

大型低轨星座自适应绝对站位保持法

针对大型低轨星座的长期维持控制,提出了一种自适应绝对站位保持法。利用卫星受大气阻力影响引起平半长轴衰减进而使得相位产生漂移的原理,推导了半长轴维持控制量计算公式,给出了星上自主计算维持控制量的流程。利用该算法分析了不同面质比卫星在太阳活动低年和高年的维持控制规律,结果表明使用该算法能够有效使卫星相位保持在维持区间。使用两行轨道根数分析了星链卫星的维持控制规律,采用该算法对其维持情况做出了改进,有效降低了维持控制次数。

一种基于平行系统的大型复杂天基组网星座自主运行框架

针对成百上千甚至上万颗卫星组成的大型复杂天基组网星座,单靠地面测控网难以满足对卫星实时管控的问题,以及单靠星座组网自主测控存在的长时间偏离地面基准(时间和空间基准)等风险,本文综合考虑地面测控网以及星间组网的优势,提出大型组网星座自主运行的平行系统方法。通过构建天地一体平行系统,在ACP框架作用下,形成以组网星座自主处理为主、地面平行系统支持为辅的天地一体平行运行机制,从而实现大型组网星座自主管控、自主观测、自主处理和自主监测等自主运行功能。研究结果表明,本文提出的方法在大型复杂星座的自主运行方面具有参考价值。

星座卫星在轨长期管理测控策略研究

近年来,低轨大型卫星星座蓬勃发展,使得在轨卫星数量急剧增加,卫星在轨长期管理任务面临巨大挑战;首先分析了卫星星座在轨长期管理面临的挑战,针对星座卫星在轨长期管理面临的几种常见应用场景,通过理论分析扩频体制测控应答机的抗干扰机理,结合地面概念星卫星平台模拟验证,在微波暗室通过地面概念星卫星平台对星座卫星在轨长期管理可能出现的情况进行模拟;模拟不同星座卫星在轨运行场景以及相应的测控应对策略,验证了多星同时入境时的卫星长期管理策略的可行性,给出星座卫星在轨长期管理的有效应对策略,为卫星在轨长期管理问题提供参考。

小卫星星座爆炸解体对空间碎片环境影响分析

本文对LEO大型小卫星星座系统在轨爆炸解体事件发生概率进行评估,并分析了爆炸解体事件对邻近轨道空间碎片环境的影响。基于哈工大空间碎片环境工程模型SDEEM2015研究成果,结合公开发表的OneWeb星座相关资料,本文侧重对大型小卫星星座爆炸解体事件产生的大尺寸空间物体对星座中其他卫星,以及邻近轨道飞行器构成的威胁进行评估。分析结果显示,由于大型小卫星星座中卫星数目众多,为保障系统整体不发生爆炸解体事件,单个卫星爆炸概率必须严格限制。一旦星座中某卫星发生爆炸解体事件,解体初期解体碎片集中在母体轨道平面;在轨道摄动因素的影响下,几年后解体碎片将逐步扩散到其他轨道平面,对整个星座系统构成威胁。OneWeb星座运行轨道高度较高,生成的大尺寸解体碎片寿命可达几十年甚至几百年。星座中卫星轨道分布集中,单个卫星发生爆炸事件生成的解体碎片群与星座中其他卫星发生二次碰撞解体事件的频率接近0. 002次/年,这将有可能导致二次碰撞的发生,造成邻近轨道空间难以逆转的链式反应,甚至导致雪崩效应。

多星批量发射部署技术特点及发展趋势

多星批量发射部署技术具有低成本、高效率的特点,是低轨大型星座建设部署不可或缺的技术。本文对多星批量发射部署技术发展历程进行了回顾、对应用现状进行了综述,重点分析了侧挂式和堆叠式多星批量发射部署技术的技术特点和应用特点,总结分析了发射构型规范化、运载接口通用化、卫星设计系列化、解锁分离简洁化、运行管理自主化等5项关键技术和发展趋势,为多星批量发射部署技术后续研究和应用提供参考和支撑。

卫星发射对空间碎片环境影响分析

未来航天发射情况直接影响空间碎片环境,必须对其进行合理规划,以维护外空长期可持续发展.利用中国自主建立的空间碎片长期演化模型(SOLEM),结合蒙特卡洛方法,量化分析了空间物体发射数量、发射质量、发射面积等因子对未来空间碎片环境的影响,进一步研究了大型星座造成的未来空间物体碰撞次数和碎片数量的增加.仿真结果可为合理规划未来的航天发射规模提供理论依据.