避免碰撞是保证地球空间安全和效率的关键任务之一。这项工作研究了用于避免碰撞的结合体的检测和分辨率，并开发了一种基于三维球体的动态沃洛尼图（DVD）预测结合体的算法。我们已经成功开发、实施并测试了三维球体的DVD算法。然后，我们在DVD算法的基础上，开发并实施了COOP2（连合轨道物体预测和规划器）算法/程序。COOP2显示了一种被证明的数学能力，可以检测到所有的结点，没有任何遗漏的情况。使用从韩国航空航天研究所（KARI）获得的TLE数据测试了COOP2，其中包括以下五颗韩国卫星的轨道运动：KOMPSAT-2、KOMPSAT-3、KOMPSAT-3A和KOMPSAT-5。开发了COOP2的高级功能，在给定检测到的会合时，通过使用存储在COOP-HSTRY文件中的事件历史快速评估备选方案，产生最佳机动计划。用无人机群验证了COOP2算法和程序的正确性和性能。假设飞行一个无人机群，每个无人机在三维空间中遵循自己的路径。在这种情况下，就像驻地空间物体（RSO）一样，能够使用COOP2程序来生成所有无人机的无碰撞飞行路径，这样算法/程序的性能和正确性就可以得到验证和确认。

简介

有许多人造的常驻空间物体（RSO）在地球轨道上运行。截至2019年1月，自1957年以来，超过5400次火箭发射（不包括失败），将约8950颗卫星送入地球轨道：约5000颗卫星留在轨道上，包括约1950颗运行中的卫星。欧洲航天局（ESA）估计约有34,000个尺寸大于10厘米的碎片，约有90万个尺寸为1~10厘米的碎片，1.28亿个尺寸为1毫米~1厘米的碎片[1] 。由于意外的卫星碰撞（例如2009年铱星33号和宇宙2251号之间的碰撞；产生了>2,000个编目碎片）、计划中的反卫星导弹试验、新的卫星发射等，这个数字将迅速增加。

其中，反卫星（ASAT）导弹试验将是产生碎片的主要原因，我们在图1（a-f）中汇编了一些与反卫星有关的历史事件。世界上第一次反卫星导弹试验是在1970年2月由苏联对一个特殊的目标航天器DS-P1-M进行的。美国于1985年9月13日完成了针对伽马射线光谱学卫星Solwind P78-1的首次成功的反卫星导弹试验。这次试验产生了285块编入目录的轨道碎片。2008年2月21日，美国海军摧毁了发生故障的美国间谍卫星USA-193[10]，2015年11月18日，俄罗斯的直接升空反卫星导弹的飞行试验[11]，以及2019年3月27日，印度的试验。

图1. 反卫星试验的例子。

(a) 苏联的目标卫星(DS-P1-M)，用于苏联在1970年2月完成的世界上第一次成功拦截卫星[2]。在1967年10月27日和1968年4月28日分别进行了第一次和第二次测试后，对特殊的目标航天器DS-P1-M进行了多次测试。第一次成功的测试（第二次总体）取得了32次命中（每次可穿透100毫米的装甲）[3]。

(b)1985年9月13日美国首次成功的反卫星导弹试验的美国目标卫星(Solwind P78-1)。Solwind P78-1是一颗1979年发射的伽马射线光谱学卫星，在525公里处运行[4]。其主要目的是研究太阳风，以及其他事项。一架携带导弹的F-15飞机从爱德华兹空军基地起飞，爬升到11613米（38100英尺），并向Solwind P78-1垂直发射导弹。这次试验产生了285块编入目录的轨道碎片。1块碎片至少到2004年5月还在轨道上[5]，但到2008年已经脱离轨道[6]。

(d)2006年12月14日发射的美国间谍卫星(USA-193)，在2008年2月21日被美国海军使用舰载RIM-161标准导弹3摧毁。USA-193的毁灭产生了174块轨道碎片，美国军方对这些碎片进行了编目[10]。虽然这些碎片大部分在几个月内重新进入地球大气层，但有几块碎片由于被抛入更高的轨道而持续的时间稍长。最后一块USA-193的碎片直到2009年10月28日才重新进入地球[10]。

(e)俄罗斯的反卫星导弹（PL-19 Nudol）。据称，俄罗斯的直接升空反卫星导弹，即PL-19 Nudol，于2015年11月18日成功进行了飞行试验[11]。

(f)印度在2019年3月27日进行的名为Mission Shakti的直接升空反卫星武器试验的分析和碎片模拟[12]。拦截器能够在低地球轨道（LEO）300公里（186英里）的高度上打击一颗试验卫星，从而成功地测试了其反卫星导弹。该拦截器于UTC时间5:40左右在奥迪沙省昌迪普尔的综合试验场（ITR）发射，168秒后击中其目标Microsat-R。这次撞击产生了400多块轨道碎片，其中24块的远地点高于国际空间站的轨道[13][14]。

还应注意地球空间中部署的小型卫星的数量增加。近年来，部署航天器的趋势是更多、更小、更低成本的民用航天器，而不是少数、大型、昂贵的政府航天器[15]。例如，SpaceX获准为其Starlink项目向低地球轨道发射12,000颗卫星，该项目是一个由数千颗大规模生产的小卫星组成的卫星群（图2）。

这些不断增加的空间物体，特别是在低地球轨道（LEO），大大加快了空间物体之间的碰撞风险[16]，这也是凯斯勒综合症（也称为碰撞级联）所暗示的[17]。我们最近观察到一个可能导致低地轨道灾难的大事件：2020年1月29日23:39:35 UTC，两颗失效的卫星，1983年发射的IRAS（红外天文卫星）和1967年发射的GGSE-4（重力梯度稳定实验4）几乎失事（图3）[18]。

由于RSO的运动速度很高，如果迎面撞上，速度可达16公里/秒，空间物体之间的碰撞可能是灾难性的。为了更好地防止物体之间的意外结合和碰撞，并为未来保护地球空间，特别是低地轨道，有必要有一种方法来预测和防止碰撞，并最终开发出空间交通管理（STM）系统。随着地球空间更加商业化，如亚轨道太空旅游和/或商业个人航天飞行的预期普及，STM将变得越来越重要[19, 20]。由于预测和预防RSO之间的碰撞/连接是STM中最关键的问题之一[21, 22]，所以对轨道上所有可观察到的RSO进行探测、跟踪、识别、编目等，总称为太空态势感知（SSA），是必要的。确保一个完美的SSA既昂贵又复杂。由美国战略司令部（USSTRATCOM）维护的联合空间作业中心（JSpOC）是一个很好的资源[23]。

会合预测的价值是显而易见的，因为如果正确预测了会合，就可以计划和执行RSO的避撞规避机动。在可能的情况下，可能需要通过评估每个假设的机动对未来会合的影响来确定或设计一个最佳机动路径。这个优化问题的表述涉及到可以从多次执行会合预测中获得的参数，每次都要修改星历。这意味着执行会合预测的频率要比现在高。例如，由GMV/ESA开发的碰撞风险评估工具（CRASS），每天预测会合，预测时间窗口为一周，这是考虑到轨道预测准确性和对预测会合的反应时间之间的权衡而制定的政策[24, 25]。

在这里，报告了一个创新的会合预测和机动计划算法的开发和实施，该算法使用三维球状球的（动态）沃罗诺伊图。开发的COOP2（联合轨道物体预测和规划器）算法/程序可以预测联合，并找到最佳机动路径，以避免JSpOC空间目录中的RSO出现预测的联合情况。COOP2算法/程序是基于事件的、通用的（超越成对会合预测）、高效的、准确的，并且独立于坐标系。该算法是基于移动的三维球体的动态Voronoi图。它的计算结果可以有效地重新播放，以便在飞行中进行各种分析。

图2. Starlink项目。Starlink是SpaceX公司正在建造的一个卫星星座。该星座将由成千上万颗大规模生产的小卫星组成。

图3. GGSE-4和IRSA卫星失联的情况。2020年1月29日，UTC时间23:39:35，两颗卫星，1983年发射的IRAS（红外天文卫星）和1967年发射的GGSE-4（重力梯度稳定实验4），预计将以12米的距离紧密通过，估计碰撞的风险为5%。幸运的是，事实证明，事件发生后没有出现新的被追踪的碎片。

成为VIP会员查看完整内容