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科技日報記者 李禾
低軌巨型星座的快速發(fā)展為通信、導(dǎo)航和遙感等領(lǐng)域的技術(shù)進步作出了重大貢獻。但衛(wèi)星的大規(guī)模部署使軌道資源更為緊張、低軌空間更加擁堵，并對航天器的安全在軌運行產(chǎn)生威脅。為實現(xiàn)低軌空間活動的可持續(xù)發(fā)展，亟須發(fā)展更加合理的空間監(jiān)測和治理機制來維護空間環(huán)境的安全和穩(wěn)定。在英文期刊《空間科學(xué)與技術(shù)》（《Space: Science & Technology》）新發(fā)表的論文中，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院張景瑞教授團隊回顧了低軌巨型星座的發(fā)展及其對天文觀測、空間環(huán)境等領(lǐng)域的影響，綜述面向巨型星座治理的空間態(tài)勢感知技術(shù)和在軌處置技術(shù)的研究進展，展望了未來低軌巨型星座發(fā)展、監(jiān)測以及治理的需求和趨勢。
論文簡述了目前低軌巨型星座的發(fā)展情況，重點給出了星鏈（Starlink）以及一網(wǎng)（OneWeb）等典型的巨型星座的規(guī)劃及建設(shè)情況。分析了低軌巨型星座對天文觀測、航天器在軌安全、空間環(huán)境演化等方面的影響。在天文觀測層面，由于巨型星座將主要部署在350-1100公里處，當衛(wèi)星進入地面天文觀測設(shè)備的視野內(nèi)，衛(wèi)星亮度將對數(shù)據(jù)觀測造成不同程度的影響。在空間安全層面，對于在軌航天器，尤其是載人飛船等，巨型星座可能引起的碰撞風險將對空間任務(wù)執(zhí)行和宇航員生命安全構(gòu)成重大威脅。在空間環(huán)境層面，低軌空間物體密度的急劇增加，對空間碎片減緩和空間交通管理構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。
論文還介紹了應(yīng)對和緩解巨型星座負面影響的兩個途徑，即在軌目標的監(jiān)測和治理。在目標監(jiān)測方面，空間監(jiān)測系統(tǒng)主要包括地基和天基兩種部署形態(tài)，以及光學(xué)和雷達兩種探測方法。經(jīng)過國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)和學(xué)者的長期研究和推動，已發(fā)展為具有完整架構(gòu)的空間態(tài)勢感知（SSA）領(lǐng)域。目前，SSA在多傳感器管理和數(shù)據(jù)融合方面也存在新挑戰(zhàn)。為了最大程度地發(fā)揮SSA能力，多傳感器的分配、多源數(shù)據(jù)的融合方法需要進一步發(fā)展。在目標治理方面，任務(wù)后處理（PMD）和碎片主動清除（ADR）是兩類典型的處理方式。任務(wù)后處置通過預(yù)先配置離軌載荷，并在衛(wèi)星壽命末期或任務(wù)完成后實施離軌來減少新空間“垃圾”的產(chǎn)生。碎片主動清除則是針對在軌的失效目標和空間碎片，通過主動清除方式將其送入大氣層燒毀。ADR可以處置現(xiàn)有的失效目標、遏制太空垃圾增長，與PMD有機結(jié)合，是確保空間環(huán)境可持續(xù)性的重要手段。
論文展望了低軌巨型星座的未來發(fā)展趨勢和具有潛力的研究方向。未來發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出四個特點：頭部機構(gòu)或企業(yè)將加速并加大軌道、頻率資源的儲備量；低軌巨型星座將會持續(xù)影響空間環(huán)境；空間監(jiān)測系統(tǒng)的天地一體化趨勢越發(fā)明顯；空間治理方法由單目標向多目標演變，強調(diào)低成本和高效率。四個特點衍生出四大研究方向，即更公平的低軌頻率、軌道資源分配協(xié)調(diào)框架需要制定，合理統(tǒng)一的空間交通管理技術(shù)標準需要建立，更加及時和精準的監(jiān)測技術(shù)需要突破，更加科學(xué)高效的空間治理方法需要發(fā)展。
本論文作者、北京理工大學(xué)教授張景瑞是2018年度國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，兼任中國自動化學(xué)會空間及運動體控制專業(yè)委員會委員、中國力學(xué)學(xué)會動力學(xué)與控制專業(yè)委員會委員、中國振動工程學(xué)會非線性振動專業(yè)委員會委員等。本論文作者、北京理工大學(xué)預(yù)聘助理教授蔡晗，2021年受聘于北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，主要研究領(lǐng)域包括空間態(tài)勢感知與空間交通管理、基于隨機有限集理論的多傳感器多目標追蹤方法、多源信息融合方法、外概率測度理論等。
（文中圖片由《空間科學(xué)與技術(shù)》期刊編輯部提供）
