Crédito:Pixabay/CC0 Dominio público
El rápido desarrollo de las megaconstelaciones de la órbita terrestre baja (LEO) ha contribuido significativamente a varios aspectos del progreso científico humano, como la comunicación, la navegación y la teledetección. Sin embargo, el despliegue desenfrenado de constelaciones también ha ejercido presión sobre los recursos orbitales y ha aumentado la congestión de naves espaciales en LEO, lo que afecta seriamente la seguridad de las operaciones en órbita de muchos activos espaciales.
Para el desarrollo sostenible y a largo plazo de las actividades espaciales en las regiones LEO, la estabilidad del entorno espacial debe mantenerse utilizando mecanismos de vigilancia y gobernanza más racionales. En un artículo de revisión publicado recientemente en Space:Science &Technology , Jingrui Zhang de la Escuela de Ingeniería Aeroespacial del Instituto de Tecnología de Beijing, analizó la brecha de investigación y facilitó el desarrollo de megaconstelaciones LEO.
En primer lugar, el autor revisó los desarrollos actuales de las megaconstelaciones típicas de LEO, incluidas Starlink, OneWeb, Iridium Next, Globalstar y Flock. Tomando Starlink de SpaceX como ejemplo, su objetivo es construir una constelación LEO que contenga 42,000 satélites para lograr una cobertura global, un sistema de comunicación global basado en el espacio de alta velocidad, gran capacidad y baja latencia. Starlink ha mostrado un excelente desempeño en campos relacionados, como la aviación internacional y el transporte marítimo. Además, Starlink se puede construir como una poderosa red de comando y comunicación y ya ha sido un símbolo importante de la militarización del espacio exterior en los Estados Unidos.
Luego, el autor analizó el impacto de las megaconstelaciones LEO en términos de observación astronómica, seguridad de naves espaciales en órbita y evolución del entorno espacial. Desde la perspectiva de la ciencia espacial, tales impactos fueron particularmente prominentes en las observaciones astronómicas, la seguridad de las naves espaciales en órbita y la evolución del entorno espacial. En términos de observación astronómica, las nuevas mega constelaciones LEO, que se desplegarían principalmente a 350-1100 km, afectarían significativamente el funcionamiento normal de los equipos de observación astronómica terrestres. Para los telescopios ópticos terrestres, cuando un satélite pasaba por su campo de visión, causaba diferentes grados de daño a los datos de observación dependiendo del brillo del satélite.
Además, el número excesivo de satélites y la escasa capacidad de gestión de las megaconstelaciones LEO suponían una grave amenaza para la seguridad de las naves espaciales en órbita. Especialmente para grandes naves espaciales tripuladas de alto valor, esto no solo aumentó el riesgo de pérdidas económicas significativas, sino que también amenazó la seguridad de los astronautas. Además de representar una amenaza para la seguridad de las naves espaciales individuales en órbita, las megaconstelaciones LEO aumentaron la incertidumbre de la evolución del entorno espacial. La cantidad de objetivos incontrolables había aumentado significativamente con las megaconstelaciones LEO, lo que condujo a un fuerte aumento en la densidad de los objetos espaciales LEO, lo que planteó desafíos importantes para la mitigación de los desechos espaciales y la gestión del tráfico espacial. El rápido crecimiento de las megaconstelaciones LEO puede conducir al eventual colapso del entorno espacial.
Posteriormente, el autor dividió el proceso de mitigación o supresión del impacto negativo en dos grandes aspectos:la vigilancia y la gobernanza de los objetos espaciales. La vigilancia de objetivos espaciales tenía por objeto garantizar el funcionamiento seguro de las naves espaciales utilizando infraestructuras de vigilancia espacial y tecnologías de conocimiento de la situación espacial.
Muchas instituciones y académicos realizaron varios esfuerzos de investigación y formaron un campo aplicado de conciencia situacional espacial (SSA) con una arquitectura completa. Un sistema de observación incluía principalmente dos ubicaciones de despliegue, en tierra y en el espacio, y dos métodos de detección, óptico y de radar. Actualmente, el mejor sistema de observación espacial en términos de desempeño global es el SSN, de Estados Unidos, seguido del Sistema de Vigilancia Espacial Ruso (SSS) y el Sistema de Vigilancia y Seguimiento Espacial de la Unión Europea (EUSST).
Debido al desarrollo de la megaconstelación LEO, SSA enfrentaba nuevos desafíos en términos de gestión de sensores múltiples y fusión de datos. Para maximizar las capacidades de SSA, se requería una asignación eficiente de sensores múltiples, con una fusión efectiva de datos de sensores múltiples. El método de gestión multisensor se puede entender en términos de programación de sensores o envío de tareas de observación, lo que se refiere a la asignación de instrucciones de observación apropiadas en momentos apropiados, de modo que toda la red de sensores pueda trabajar en conjunto para lograr los requisitos de la tarea.
With the increasing number of ground-based and space-based observation sensors coming online, effective multi-sensor management methods became an urgent demand by the space community. In additional to typical optimization methods, efficient and optimal task allocation methods based on deep reinforcement learning algorithms and related methods were proposed to achieve good performance in high-dimensional and large-scale scenarios.
Multisource information fusion was a multilevel and multifaceted process of information processing that detects, correlates, and combines data from multiple sensors and information sources to obtain an accurate estimate of the target status and identity, as well as a complete assessment of environmental posture and threats.
However, multi-sensor information fusion experienced limitations, such as low autonomy and poor timeliness. Toward governance of space objects, there were two main governance methods. The first category, post-mission disposal (PMD), was to reduce the generation of new space objects by onboard deorbiting strategies. The second category, active debris removal (ADR), mainly aimed to speed up the deorbit of out-of-service space objects, and the ultimate goal was to crashing targets into the atmosphere through active human activity. PMD can significantly reduce birth rates and increased the rate of space failure targets.
However, this cannot curb the growth trend. ADR can dispose of existing failure targets and fundamentally curbed the tendency for space junk growth. However, there was an urgent need to improve removal efficiency. Therefore, the integrated use of both PMD and the active removal of space objects was a prerequisite for ensuring the sustainability of the space environment.
Finally, the future development and potential research directions of LEO mega constellations were prospected. Comprehensive applications of LEO mega constellations are still in the stage of preliminary exploration due to some unique characteristics, such as limited frequency-orbit resources, global impact, and complex constraints.
Thus, there are four main trends for the future development:
According to the summarized tendency above, four potential research directions are of great interest:
