星图测控 | 太空碰撞预警风险分析

科技   2024-12-19 19:13   上海  
随着太空活动日益频繁,太空碰撞问题逐渐成为全球关注的焦点。2024年2月28日14时30分,在近地轨道上,废弃的俄罗斯COSMOS2221卫星与美国航空航天局(NASA)的TIMED卫星在608公里的轨道上险些相撞,幸运的是,它们只是擦身而过,未发生碰撞;若发生碰撞,预估将产生2000到7000个碎片,使近地轨道碎片增加50%。类似的事件近些年时常发生,这凸显了一个日益严峻的问题,随着太空碎片和在轨航天器数量的激增,太空碰撞的风险也随之增加。

 太空安全形势分析

机构间空间碎片协调委员会(IADC)关于空间碎片的定义是:人类航天活动产生的、在轨无效的空间物体。据欧洲航天局空间碎片办公室(ESA)估算,截至2023年,地球轨道上尺寸在10cm以上的空间碎片约有3.65万个,直径在1-10厘米之间的碎片有上百万个,而直径小于1厘米的碎片更是多达数亿个。每一块碎片无论大小,都以每秒数千米的速度在轨道上飞驰,即使是一颗螺丝钉大小的碎片也能对卫星或航天器造成致命打击。这些碎片的存在不仅威胁着现有的航天器和卫星,还可能引发“凯斯勒效应”,即近地轨道物体密度达到一定程度后,碎片之间相撞会形成更多的碎片,导致更多撞击,恶性循环最终可能导致某些空间轨道变得无法使用。

近几年部分太空碰撞预警事件

2019年

9月2日,为了避免“风神”气象卫星与星链-44卫星的潜在碰撞风险(碰撞概率超过1‰),欧洲航天局(ESA)实施了规避机动操作。  

2021年

3月30日,美国第18太空监视中队监测到OneWeb-0178卫星在升轨过程中与星链-1546卫星存在很高的碰撞风险,两颗卫星的最近距离只有约57.9米,发生碰撞的可能性高达1.3%,随后,美国太空探索技术公司(SpaceX)关闭了星链-1546卫星的自动碰撞规避系统,OneWeb-0178卫星采取了主动规避碰撞措施。

美国太空探索技术公司(SpaceX)发射的星链-1095和星链-2305卫星,于7月1日和10月21日先后两次接近中国空间站,距离最近时仅有10公里,出于安全考虑,中国空间站分别于7月和10月两次实施对美国星链卫星的预防性碰撞规避控制(“紧急避碰”)。

2022年

1月18日,清华科学卫星与太空碎片的“惊险邂逅”,双方最近距离仅有14.5米,但幸运的是,并没有造成碰撞,如果这次“擦肩而过”变成了实质性碰撞,后果将不堪设想。

2023年

5月24日晚,一颗命名为“2023 CL3”的小行星以26000公里/小时与地球掠过,最近距离约为720万公里,这对于太空事件来说已经风险很大,好在危险已解除。

2024年

6月26日,俄罗斯废弃卫星解体事件中,国际空间站启动了紧急碰撞预警预案,幸运的是在大约1个小时后,碰撞预警被解除。

从上面近几年发生的太空碰撞预警事件不难看出太空碰撞预警在保护太空资产方面的重要性和紧迫性,急需探索和提升碰撞预警风险评估的方法和精度。

 ▲ 洞察者空间信息分析平台太空碎片态势展示


碰撞预警风险分析

空间目标碰撞预警是利用空间目标编目信息进行轨道预报得到轨道状态和误差协方差信息,然后进行碰撞风险评估得到各种碰撞风险参数,根据一定的准则判断风险参数是否处在危险区域,如果在危险区域则发出碰撞预警,需要采取相应的措施。因此碰撞预警实质上是一个判别分析问题,核心是风险评估。

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空间碎片碰撞预警分析

大量的空间碎片围绕在地球轨道上运行,为掌握它们的运行状态,需要通过天基探测器、地基雷达以及光学望远镜等多种监测设备对空间碎片进行记录和跟踪观测,这一过程称之为空间碎片编目。

空间碎片的编目工作,就好比公安机关为每个空间碎片从“出生”起赋予唯一的“身份证号码”。空间碎片轨道编目包含新目标的编目入库和已编目目标的轨道更新维护两方面内容。

对于空间碎片碰撞预警,一方面可以基于大量观测数据分析空间碎片的面值比,用人工智能技术挖掘空间碎片更加精确的等效面值比,以提高碰撞预警的精度;另一方面可以通过空间碎片衰减来反演空间环境变化,得到更加准确的空间环境参数,从而提高空间碎片的轨道预报精度,进而可以提高碰撞预警精度。

 ▲ 洞察者空间信息分析平台空间碎片编目展示

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卫星之间的碰撞预警分析

对于合作目标,因为可以获取其高精度的GNSS数据,可以通过短弧实时定轨和人工智能定轨来提高轨道计算精度和计算效率,从而来提高碰撞预警计算精度和计算效率;对于非合作目标可以通过提高观测数据处理的精度来提高碰撞预警的计算精度,对于带有小推力的目标(如星链卫星),可以通过积累的观测数据分析小推力目标的运行规律、轨道机动的意图、变轨时刻、燃料消耗等信息来掌握其机动规律,从而来提高碰撞预警的精度。

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碰撞风险评估

通过实时监测太空环境,收集和分析太空碎片、卫星等空间物体的轨道信息,预测其与其他航天器的潜在碰撞风险。一旦发现碰撞阈值超限,将立即发出预警信息,启动应急规避预案。

目前在航天器碰撞风险评估中广泛采用最小接近距离、碰撞概率等评价指标,并据此评估碰撞风险等级。最小接近距离、碰撞概率评价指标分别对应碰撞预警的区域方法(“Box方法”)和碰撞概率方法。

 ▲ 洞察者空间信息分析平台碰撞预警分析界面

Box方法:以航天器为中心,在三个方向上取不同的长度,画出一个长方体的盒子表示交会风险等级,当有空间物体进入这个预警区域时则发出预警,其实质是一种平均方法,预警区域划定的依据是空间目标轨道预报的平均误差。国际空间站的Box距离判据门限为25km×0.75km×25km,用于确认重点危险事件,发出预警信息。Box方法简单,适应任何碰撞预警事件,但是没有考虑不同碎片的误差以及不同预报时间等信息,预警精度相对较低。

碰撞概率法:在统计学中,标准差是衡量数据离散程度的统计量,当使用3倍标准差来描述空间物体的位置误差,使空间物体落在位置误差球内的概率会控制在99.73%。在空间物体的位置预测中,这种方法可以帮助确定物体在特定时间内的可能位置范围,从而减少虚警和漏警的发生。如果预测的两个空间物体所在的误差球,没有发生交会,则二者的碰撞概率为零,如果两误差球有重叠,则对重叠区域的概率密度进行积分,就会得到碰撞概率,并分析风险等级。碰撞概率方法,综合考虑了交会距离、位置误差和碎片尺寸等因素,能更精准地预测碰撞风险。

 ▲ 洞察者空间信息分析平台碰撞预警分析界面

由于参数计算误差等因素的影响,Box方法和碰撞概率法等单一的计算结果无法全面、准确地反应空间目标接近过程中的风险大小。因此,需要在碰撞概率基础上综合开展更全面的评估,以提高评估的实用性和可信度。评估指标分为风险评估参数(如接近距离、碰撞概率)和质量评估参数(如预测时间、协方差)。碰撞风险综合评估结合交会几何特性、碰撞概率及其发展变化趋势、轨道确定的精度等多个维度来考量,通过对不同类型的指标(如碰撞概率、最短接近距离)以及影响这些指标计算结果的轨道观测与预测质量因素等进行整合分析,得到既直观又便于决策参考的碰撞风险信息。


未来发展趋势

空间碰撞预警技术对于保障太空资产的安全至关重要,尤其是在空间碎片和在轨航天器数量不断增加的今天。未来碰撞预警技术将向更加智能化、自主化方向发展。
为了避免航天器太空碰撞的发生,需要利用天地基设备进行空间探测。地基探测受观测站部署位置限制,无法对空域、时域的无缝覆盖;天基探测分辨率高,但其成本高且体积功率受限。因此提高目标的探测能力对碰撞预警具有重要的意义。通过增加空间目标探测容量来应对大批量的空间目标的编目管理,以提高探测精度和时效性;通过发展航天器高精度自主碰撞规避技术、高效且低成本的太空垃圾回收技术来应对未来卫星(如中国星网)数量的激增。
未来的空间碰撞预警系统将更加广泛地利用多种数据源,利用多源数据融合技术提高对空间目标的监测精度,通过引入云计算、并行计算等技术,实现海量数据的实时快速处理,基于AI技术自动识别异动情况,自动评估卫星之间发生碰撞的风险,并对其进行自主排序,优先处理高风险事件。
星图测控研发的Space SSA天感-太空态势感知服务平台采用结构化、组件化设计理念以及并行计算、高精度轨道确定与预报等核心技术,设计并实现了包括外测数据汇集与处理、空间目标发现识别、编目定轨、碰撞预警、陨落预报等多项空间目标感知处理业务功能于一体的太空态势感知应用平台,为在轨航天器运行提供了各种太空事件感知预警及轨道编目的分析和数据支撑。

 ▲ 天感-太空态势感知服务平台界面


太空安全是人类共同面临的挑战之一。随着太空活动的不断增加和太空碎片问题的日益严重,碰撞预警技术成为了保障太空安全的重要手段,在未来将发挥更大的作用,对于保护在轨航天器、维护太空环境的清洁和安全具有重要意义,为人类安全利用太空提供坚实的技术保障。

部分图片来源于网络



   中科星图测控科技股份有限公司

中科星图测控技术股份有限公司成立于2016年,股票代码:874016,是中科星图股份有限公司(股票代码:688568)的控股子公司,是专业从事数字太空科技服务的商业航天企业,致力于以数字化手段提升、增强和拓展卫星、火箭等实体进出空间、探索空间、利用空间、开发空间的能力与效益。公司利用空间科学及新一代信息技术,研发并推出了以洞察者平台为核心的数字太空系列产品,面向特种领域、民用领域、商业领域提供航天测控管理、航天数字仿真相关的产品销售、技术开发及服务。



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