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Il rapido sviluppo delle mega costellazioni LEO (Low Earth Orbit) ha contribuito in modo significativo a diversi aspetti del progresso scientifico umano, come la comunicazione, la navigazione e il telerilevamento. Tuttavia, il dispiegamento sfrenato delle costellazioni ha anche messo a dura prova le risorse orbitali e ha aumentato la congestione dei veicoli spaziali in LEO, il che compromette gravemente la sicurezza delle operazioni in orbita di molte risorse spaziali.
Per lo sviluppo a lungo termine e sostenibile delle attività spaziali nelle regioni LEO, la stabilità dell'ambiente spaziale deve essere mantenuta utilizzando meccanismi di sorveglianza e governance più razionali. In un articolo di revisione pubblicato di recente su Spazio:scienza e tecnologia , Jingrui Zhang della School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, ha analizzato il divario nella ricerca e ha facilitato lo sviluppo di mega costellazioni LEO.
Prima di tutto, l'autore ha esaminato gli attuali sviluppi delle tipiche mega costellazioni LEO, tra cui Starlink, OneWeb, Iridium Next, Globalstar e Flock. Prendendo come esempio lo Starlink di SpaceX, mira a costruire una costellazione LEO contenente 42.000 satelliti per ottenere una copertura globale, un sistema di comunicazione globale basato sullo spazio ad alta velocità, grande capacità e bassa latenza. Starlink ha mostrato prestazioni eccellenti in settori correlati, come l'aviazione internazionale e il trasporto marittimo. Inoltre, Starlink può essere costruito come una potente rete di comando e comunicazione ed è già stato un importante simbolo dell'armamento dello spazio esterno negli Stati Uniti.
Quindi, l'autore ha analizzato l'impatto delle mega costellazioni LEO in termini di osservazione astronomica, sicurezza dei veicoli spaziali in orbita ed evoluzione dell'ambiente spaziale. Dal punto di vista della scienza spaziale, tali impatti sono stati particolarmente importanti nelle osservazioni astronomiche, nella sicurezza dei veicoli spaziali in orbita e nell'evoluzione dell'ambiente spaziale. In termini di osservazione astronomica, le nuove mega costellazioni LEO, che sarebbero dispiegate principalmente a 350-1100 km, influenzerebbero in modo significativo il normale funzionamento delle apparecchiature di osservazione astronomica a terra. Per i telescopi ottici a terra, quando un satellite passava attraverso il suo campo visivo, causava diversi gradi di danno ai dati osservativi a seconda della luminosità del satellite.
Inoltre, il numero eccessivo di satelliti e le scarse capacità di gestione delle mega costellazioni LEO rappresentavano una seria minaccia per la sicurezza dei veicoli spaziali in orbita. Soprattutto per i grandi veicoli spaziali con equipaggio di alto valore, ciò non solo ha aumentato il rischio di perdite economiche significative, ma ha anche minacciato la sicurezza degli astronauti. Oltre a rappresentare una minaccia per la sicurezza dei singoli veicoli spaziali in orbita, le mega costellazioni LEO hanno aumentato l'incertezza sull'evoluzione dell'ambiente spaziale. Il numero di obiettivi incontrollabili è aumentato in modo significativo con le mega costellazioni LEO, il che ha portato a un forte aumento della densità degli oggetti spaziali LEO, ponendo sfide significative alla mitigazione dei detriti spaziali e alla gestione del traffico spaziale. La rapida crescita delle mega costellazioni LEO potrebbe portare all'eventuale collasso dell'ambiente spaziale.
Successivamente, l'autore ha suddiviso il processo di mitigazione o soppressione dell'impatto negativo in due aspetti principali:sorveglianza e governo degli oggetti spaziali. La sorveglianza degli obiettivi spaziali doveva garantire la sicurezza delle operazioni di veicoli spaziali utilizzando infrastrutture di sorveglianza spaziale e tecnologie di consapevolezza della situazione spaziale.
Molte istituzioni e studiosi avevano compiuto diversi sforzi di ricerca e formato un campo applicato di consapevolezza situazionale spaziale (SSA) con un'architettura completa. Un sistema di osservazione comprendeva principalmente due posizioni di spiegamento, terrestre e spaziale, e due metodi di rilevamento, ottico e radar. Attualmente, il miglior sistema di osservazione spaziale in termini di prestazioni globali è l'SSN, dagli Stati Uniti, seguito dal Russian Space Surveillance System (SSS) e dall'European Union Space Surveillance and Tracking System (EUSST).
A causa dello sviluppo della mega costellazione LEO, SSA stava affrontando nuove sfide in termini di gestione multisensore e fusione di dati. Per massimizzare le capacità di SSA, era necessaria un'allocazione efficiente di multisensori, con un'efficace fusione di dati multisensore. Il metodo di gestione multisensore può essere inteso in termini di programmazione dei sensori o invio di attività di osservazione, che si riferivano all'assegnazione di istruzioni di osservazione appropriate in momenti appropriati, in modo che l'intera rete di sensori possa lavorare insieme per soddisfare i requisiti delle attività.
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:
