O rápido desenvolvimento das mega constelações da Low Earth Orbit (LEO) contribuiu significativamente para vários aspectos do progresso científico humano, como comunicação, navegação e sensoriamento remoto. No entanto, a implantação desenfreada de constelações também sobrecarrega os recursos orbitais e aumenta o congestionamento das naves espaciais no LEO, o que afeta seriamente a segurança das operações em órbita de muitos ativos espaciais.
Para o desenvolvimento sustentável e de longo prazo das atividades espaciais nas regiões LEO, a estabilidade do ambiente espacial deve ser mantida usando mecanismos de vigilância e governança mais racionais. Em um artigo de revisão publicado recentemente em Space:Science &Technology , Jingrui Zhang, da Escola de Engenharia Aeroespacial do Instituto de Tecnologia de Pequim, analisou a lacuna de pesquisa e facilitou o desenvolvimento de mega constelações LEO.

Em primeiro lugar, o autor revisou os desenvolvimentos atuais de mega constelações típicas de LEO, incluindo Starlink, OneWeb, Iridium Next, Globalstar e Flock. Tomando o Starlink da SpaceX como exemplo, ele visa construir uma constelação LEO contendo 42.000 satélites para obter cobertura global, sistema de comunicação global baseado no espaço de alta velocidade, grande capacidade e baixa latência. A Starlink tem demonstrado excelente desempenho em áreas afins, como aviação internacional e transporte marítimo. Além disso, o Starlink pode ser construído como uma poderosa rede de comando e comunicação e já foi um símbolo importante do armamento do espaço sideral nos Estados Unidos.

Em seguida, o autor analisou o impacto das mega constelações LEO em termos de observação astronômica, segurança de espaçonaves em órbita e evolução do ambiente espacial. Do ponto de vista da ciência espacial, esses impactos foram particularmente proeminentes em observações astronômicas, segurança de espaçonaves em órbita e evolução do ambiente espacial. Em termos de observação astronômica, as novas mega constelações LEO, que seriam implantadas principalmente a 350-1100 km, afetariam significativamente a operação normal do equipamento de observação astronômica terrestre. Para telescópios ópticos terrestres, quando um satélite passava pelo seu campo de visão, causava diferentes graus de dano aos dados observacionais, dependendo do brilho do satélite.

Além disso, o número excessivo de satélites e a fraca capacidade de gerenciamento das mega constelações LEO representavam uma séria ameaça à segurança das espaçonaves em órbita. Especialmente para grandes naves tripuladas de alto valor, isso não apenas aumentou o risco de perdas econômicas significativas, mas também ameaçou a segurança dos astronautas. Além de representar uma ameaça à segurança de naves espaciais individuais em órbita, as mega constelações LEO aumentaram a incerteza da evolução do ambiente espacial. O número de alvos incontroláveis ​​aumentou significativamente com as mega constelações LEO, o que levou a um aumento acentuado na densidade de objetos espaciais LEO, apresentando desafios significativos para a mitigação de detritos espaciais e gerenciamento de tráfego espacial. O rápido crescimento das mega constelações LEO pode levar ao eventual colapso do ambiente espacial.

Em seguida, o autor dividiu o processo de mitigação ou supressão do impacto negativo em dois grandes aspectos:vigilância e governança dos objetos espaciais. A vigilância de alvos espaciais era para garantir a operação segura de naves espaciais usando infraestruturas de vigilância espacial e tecnologias de consciência situacional espacial.

Muitas instituições e estudiosos fizeram vários esforços de pesquisa e formaram um campo aplicado de consciência situacional espacial (SSA) com uma arquitetura completa. Um sistema de observação incluía principalmente dois locais de implantação, terrestres e espaciais, e dois métodos de detecção, óptico e radar. Atualmente, o melhor sistema de observação espacial em termos de desempenho global é o SSN, dos Estados Unidos, seguido do Russian Space Surveillance System (SSS) e do European Union Space Surveillance and Tracking System (EUSST).

Devido ao desenvolvimento da mega constelação LEO, a SSA estava enfrentando novos desafios em termos de gerenciamento multissensor e fusão de dados. Para maximizar as capacidades do SSA, foi necessária uma alocação eficiente de multissensores, com uma fusão efetiva de dados multissensor. O método de gerenciamento multissensor pode ser entendido em termos de agendamento de sensores ou despacho de tarefas de observação, que se refere à alocação de instruções de observação apropriadas em momentos apropriados, de modo que toda a rede de sensores possa trabalhar em conjunto para atingir os requisitos da tarefa.

Com o crescente número de sensores de observação baseados em terra e no espaço entrando em operação, métodos eficazes de gerenciamento de multissensores tornaram-se uma demanda urgente da comunidade espacial. 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:

1. The bellwether firms would rapidly reserve frequency-orbit resources in batches.
2. Unprecedented damage from LEO mega constellations might be caused to the space environment.
3. The surveillance systems may evolve from ground-based to space-based.
4. The governance methods may evolve from single-objective targets to multi-objective, low-cost, and high-efficiency targets.

According to the summarized tendency above, four potential research directions are of great interest:

1. A more equitable coordination framework for LEO frequency-orbit resource allocation should be established.
2. A reasonable and unified technical standard for space traffic management should be proposed to further improve the ex-ante negotiation mechanisms, crisis control mechanisms during accidents, and ex-post accident disposal mechanisms.
3. Critical technologies for timely surveillance, developments in the autonomy rapidity and effectiveness of multi-sensor information fusion are urgently required.
4. Key methods for efficient governance are worth being further developed. The deorbiting of defunct space objects should be accelerated by developing standardized, modular, efficient, and engineered means of governance.

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