卫星星座建设和空间交通方面遇到的挑战

小小手

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越来越多的小卫星将发射进入太空已成为明显趋势，利用这些卫星星座在全球覆盖通信、近实时地球观测和持续太空观测等领域极具吸引力。目前已有约一百家公司提出了星座建设计划，卫星大小集中在1千克到100千克范围，预计大部分卫星将于2025年在轨运行。这些卫星星座要可持续发展，主要面临星座管理、通信和空间交通方面的挑战。


其中，通信的发展最为成熟，相关研究涉及到基础设施集成和协议效率;星座管理方面比较明确的一点是需要提高自动化水平，而人工智能和基础设施共享将成为可行方案;空间交通管理方面准备最为不足，只是在应对空间碎片方面有较大发展。未来几年，空中交通管制方法有望扩展到太空领域，缓解当前自由空间政策带来的空间拥挤问题。

尽管当前的研究还不多，但空间交通管理可能是星座竞赛中面临的一个最关键的问题。这一问题与空间碎片密切相关。碎片已经是监视网络(如美军联合太空作战中心JSpOC)和航天器操作人员规避机动所面临的一个问题。监视网络能否生成报警并为未来空间交通提供进一步辅助?如果某一星座有很高价值，但不能搭载推进系统来避免碰撞，会怎样?解决这些问题的第一步是讨论大型星座造成的低轨卫星空间环境的变化，可能需要随着碎片环境的变化更新最先进的空间碎片模型。

正在采取的一种有效预防性措施是实施碎片减缓政策，让航天器在寿命结束时重返大气层。然而，如果成百上千颗报废或出现故障的星座卫星几乎同时脱离轨道，这种方法还能否奏效，仍然是一个悬而未决的问题。

应对碎片问题的其他方案包括主动清除和利用天基监视网络。还可以通过在轨服务减少成为碎片的故障或死亡卫星，但这种方法实施成本高昂且面临很大技术挑战。

空间交通管理监管方面，目前一旦确认了某一空闲轨位，通常的做法是寻求能够到达这一轨位的技术和经济上可行的办法，对影响其他操作员的干扰问题则未过多关注，航天器到达目标轨道或在寿命结束脱离轨道时可能造成这些干扰。而不远的将来，太空卫星之间不再有足够大的间隔。例如，轨道上增加数千颗卫星，某颗地球观测卫星可能意外在其视野中发现另一颗;或某一空间区域变得过于拥挤，以至于影响了从地面进行空间观测的质量——首颗“星链”卫星发射后就出现了这种事件。

除了监管，还需要克服一些技术挑战。例如，机器学习通过支持向量机用于监测卫星健康和解决管理问题，突出了神经网络在加强空间交通管理方面的巨大潜力。其他方法，如空间转发器和通过角形反射器或星载GPS接收机增强跟踪能力，也在推进中。

合(Conjunction，从地球上看两个航天器赤经/黄经相等的现象，即航天器相互靠近)评估服务的新概念也在开发中。2019年国际宇航大会上研究人员提出了一种地基服务原型系统，它可以与所有注册的卫星操作人员连接。除了集成不同的对象数据库和给出报警，它还可计算出最合适的规避机动。由于该服务具有全球态势感知能力，这种机动可以确保燃料消耗最小，同时避免“级联机动”。此外，在直接向相关航天器操作员提出机动建议后，它可以更新其数据库，并在机动完成后通知其他操作员。

澳大利亚****正在资助一项采用地基激光“偏差器”的合评估服务。其目的是利用激光束从地面远程机动不协作的小物体，这在理论上可行，但考虑到所需的激光功率，仍面临巨大技术挑战。