空間碎片碰撞預警分析與顯示技術研究

曾安里，金勇，馬志昊，韓蕾，高雨青

(1.北京航天慧海系統仿真科技有限公司，北京 100081；2.中國科學院國家天文臺，北京100012；3.航天工程大學，北京 101416)

1 前言

近年來，隨著全球互聯網和物聯網服務的全球無縫覆蓋的低軌通信星座計劃爆發，在航天領域形成低軌通信衛星組成的大規模衛星星座熱潮，由于這些星座規模巨大 (千顆衛星級別)，具有軌道時變特性、時空交疊性、碎片動態性，導致航天器和衛星與碎片之間相對位置快速變化，形成非常復雜的碰撞風險運行場景，需要中國工業軟件專業級別的VVPSTK衛星仿真分析工具，支撐空間碎片碰撞預警分析與顯示技術的研究。

在空間碎片日益增多的趨勢下，空間目標在運行時遇到的威脅與日俱增，在此背景下需要一套能夠預報空間碎片碰撞預警分析的軟件，為航天器長期管理中的空間碎片碰撞預警系統建設提供服務，為航天發射任務中的彈道/軌道安全分析系統建設提供支撐運行平臺，是非常必要的。

2 中國工業軟件航天專業級分析工具

空間碎片碰撞預警分析與顯示技術，涉及航天空間仿真的衛星軌道分析與三維空間任務顯示、飛行器空間飛行仿真、飛行器發射全過程仿真、彈道仿真分析、碎片軌跡分析、雷達與光電探測仿真、通信鏈路仿真、碎片類型分析、軌道預報分析，用地心慣性坐標系、地心固定坐標系、地心軌道坐標系和黃道坐標系換算，以及和世界時原子時儒律略時換算等專業技術。

目前國內各研究所、大學、實驗室在研究航天仿真時均使用美國AGI公司的STK衛星仿真工具軟件來實現這些仿真技術，而STK自2004年STK6.0之后就禁止向中國地區銷售，因此研究空間碎片碰撞預警需要基于國產正版VVPSTK衛星仿真分析工具軟件，用于航天空間碎片碰撞預警分析與顯示技術的應用技術研究。

美國AGI公司的STK軟件包括基本版、專業版和高級版。功能包括生成位置和姿態數據、可見性及遙控器覆蓋分析。STK專業版增加了軌道預報算法、姿態定義、坐標類型和坐標系統、遙感器類型、高級約束條件定義，以及衛星、城市、地面站和恒星數據庫。STK高級版增加了通信分析、雷達分析、覆蓋分析、軌道機動、精確定軌、實時操作等特定分析。

按照國產操作系統、自主知識產權的要求，需要針對航天衛星仿真技術進行深入研究，研制出基于國產先進仿真頂層框架的VVPSTK航天衛星仿真分析應用開發包，支撐空間碎片碰撞預警分析與顯示技術的深入應用研究。目前經過10多年的研發積累，已經研制出一款國產自主可控技術的VVPSTK衛星仿真分析工具。

圖1 基于國產VVPSTK衛星仿真平臺空間碎片碰撞技術研究Fig.1 Research on space debris collision technology based on domestic VVPSTK satellite simulation platform

基于自主可控技術的國產衛星仿真開發平臺VVPSTK技術研究，著眼于國產化技術、從先進仿真頂層框架設計入手，采用VBF主控+注冊組件+注冊服務的機制，形成層次性的組件結構、構件化設計，研制國產先進仿真頂層框架原型(VVPVBF)下的VVPSTK衛星仿真技術平臺，實現模型性能驗證框架、模型組件、模型參數、模型數據 (文件)四者相分離，提供航天空間碎片碰撞預警全過程仿真技術和衛星在軌運行碰撞仿真驗證分析研案平臺。

3 空間碎片碰撞預警分析與顯示技術研究

3.1 研究目標

本研究是基于國產自主可控技術的VVPSTK衛星仿真分析工具，開發一套空間碰撞預警分析系統軟件，實現快速空間碎片碰撞預警計算，提供發射窗口安全計算、實時發射和在軌運行時的空間安全分析，分析結果可通過三維、二維形式顯示。

空間碎片碰撞預警分析與顯示技術的研究，包括碰撞預警分析計算分析和圖形顯示技術。其中，碰撞預警分析計算分析研究，包括發射窗口碰撞預警計算、實時入軌碰撞預警計算、在軌運行碰撞預警計算等創新技術，并能生成結果圖表和報告；圖形顯示技術主要研究空間碎片全局顯示、入軌階段實時顯示和在軌運行接近分析顯示，并能在全局與局部顯示之間切換。

圖2 空間碎片碰撞預警分析與顯示技術研究環境部署視圖Fig.2 Diagram of space debris collision early warning analysis and display technology research environment

3.2 研究內容

空間碎片碰撞預警分析與顯示技術研究，根據空間碎片數據庫、任務飛行器軌道 (彈道)數據，實時計算重要航天器的碎片威脅指標、時間段、威脅方位、威脅距離等情況，產生碰撞預警分析報告圖表顯示，并以實時仿真數據驅動形式顯示目標接近過程。

空間碎片碰撞預警計算，可以輸入軌跡或位置速度矢量 (或軌道根數)。當輸入位置速度矢量 (或軌道根數)時先進行高精度軌道積分生成所需時段的軌跡。

3.2.1 碰撞預警計算分析研究

主要完成空間碎片碰撞預警的計算分析和結果生成，支持發射窗口安全性分析、入軌過程安全性分析以及在軌運行時的碰撞預警檢測，并實現實時發送分析數據進行圖形顯示。

(1)發射窗口安全性分析研究

1)輸入理論軌跡，按軌跡平移的方法完成備選發射窗口時段的空間目標接近檢測 (包括一級除外的其余子級以及有效載荷的接近檢測)，生成碰撞預警報告，為發射窗口的選擇提供支持。

2)安全管道根據任務要求可選擇常值橢球和線性時變橢球，并提供相關參數配置。提供最小接近距離和最大碰撞概率兩種判據。發射窗口選擇原則，主動飛行段不與任何物體發生碰撞，被動段不與衛星碰撞。

(2)實時入軌安全性分析研究

1)實時入軌過程中，輸入運載器除一級以外的被動段軌跡，進行接近檢測計算，分析被動段安全性；分析有效載荷分離之后指定時間段內的安全性。相關軌跡可由本地輸入關機點或分離點參數采用高精度模型外推產生。

2)安全管道選擇同“發射窗口安全性分析”。安全性需求:有效載荷在任務時間段內不與任何物體發生碰撞，結束任務后不與衛星碰撞；運載器除一級以外各子級被動段不與衛星碰撞。

(3)在軌運行安全性分析研究

1)在軌運行過程中，提供有效載荷在指定時間段內的安全性分析，輸入軌跡可以由起始時刻的狀態參數采用高精度模型外推產生。

2)在軌機動、調整和保持任務時，提供任務方案實施后的碰撞預警分析。

(4)碰撞預警計算指標分析研究

1)空間碎片采用TLE根數輸入，預報模型SGP4，預報精度7天內與STK/SGP4模塊結果差異小于1km。

2)接近檢測算法快速有效，對進入安全管道內的目標不漏報不虛報。目標為美國Space-track網站上公布的目標全集時，對于低軌發射任務，一個發射窗口 (時長30min，步長10s)安全性分析計算時間不超過10min。多個發射窗口時，采用多線程計算，線程數目根據CPU性能可設置。低軌實時發射任務，采用相關目標集、步長1s時，安全性分析計算時間不超過5min。

3)碰撞預警結果包括發射窗口安全性判斷、接近目標數目、最小接近距離、最大碰撞概率的表格和曲線；如果安全管道內有接近目標，給出最小接近距離時刻的相關信息。

4)高精度軌道預報模型考慮地球非球形、大氣阻尼、第三體引力等攝動影響，低軌目標1天內預報精度與STK/HPOP模塊結果差異小于1km。

3.2.2 碰撞預警圖形顯示技術研究

(1)海量大規模計算圖形顯示技術

空間碎片1萬多個，需要GPU并行計算與渲染顯示效率瓶頸研究，突破海量大規模計算與顯示技術瓶頸，實現事前仿真預測分析以及任務運行時的監控數據的實時動態顯示，實現事前仿真與實時運行任務過程數據驅動可視化，并能夠記錄數據進行回放，支持數據的事后重放展示。空間碎片全局和局部顯示，以及三維渲染顯示和二維星下點顯示。

1)通過讀取文件獲得軌跡或通過網絡接收軌跡數據，并進行實時接近檢測計算，顯示空間碎片全局分布、事前仿真過程演示與實時空間碎片接近情況。

2)以模型計算數據驅動三維顯示的形式，顯示重點目標軌跡附近空間碎片的接近情況，輸出威脅碎片的詳細信息、相對距離、相對速度、接近方位等信息。

圖3 基于VVPSTK進行碰撞預警分析顯示技術研究Fig.3 Research on collision early warning analysis and display technology based on VVPSTK

(2)碰撞預警圖形顯示指標分析研究

1)空間碎片采用TLE根數輸入，預報模型SGP4，預報精度7天之內與STK/SGP4模塊結果差異小于1km。

2)接近檢測算法快速有效，對進入安全管道內的目標不漏報不虛報。目標為美國Space-track網站上公布的目標全集時，對于低軌發射任務，一個發射窗口 (時長30min，步長10s)安全性分析計算時間不超過10min。多個發射窗口時，采用多線程計算，線程數目根據CPU性能可設置。低軌實時發射任務，采用相關目標集、步長1s時，安全性分析計算時間不超過5min。

3)計算結果保存精度，時間為0.001s，位置信息 0.001m，速度信息 0.001m/s，角度信息 0.0001°。

4)高精度軌道預報模型考慮地球非球形、大氣阻尼、第三體引力等攝動影響，低軌目標1天內預報精度與STK/HPOP模塊結果差異小于1km。

5)三維場景顯示流暢，平均幀速率大于20幀/s。

6)可批量加載數據文件、結果可保存至數據文件。

7)圖形顯示分系統連續運行時間≥10h。

4 關鍵技術研究實現

空間碎片碰撞預警分析與顯示技術研究，是對空間碎片、空間衛星、航天器、恒星等對象進行建模，包括空間碎片和星體軌跡數據建模、空間多坐標系轉換技術、星體和碎片的實時仿真建模、衛星實時軌跡解算建模、多視口場景管理技術、衛星視角切換技術和第三方視角的實時圖像輸出等功能，對空間任務從發射至在軌運行全過程開展碰撞預警分析，包括發射及返回過程、在軌運行過程，需要對碰撞預警分析關鍵技術及流程開展調研，支撐空間碎片碰撞預警分析與顯示技術研究展開。

4.1 技術途徑

(1)空間目標軌道數據獲取，數據來源軍事空間目標數據或NASA數據渠道獲取，能夠讀入碎片軌跡數據，能夠模擬碎片數量大于2萬個，可用三維模型和材質模擬碎片目標在空間軌道運行，碎片材質種類可配置。

(2)軌道預報模型:研究 SGP4、SDP4、HPOP、預報模型文件可擴展/加載，分析初始誤差大小，研究軌道預報誤差、分析模型預報精度對空間碎片碰撞預警影響分析，實現衛星軌跡解算和分析。

(3)目標篩選:目標軌道高度篩選、目標幾何篩選、軌道空間時間篩選；不考慮星體自旋，在界面上流出自選設置內容；軌道參數實時參數慣性角、軌道事前可加載最新根數或外部文件加載設定。

(4)仿真計算:基于接近事件預報常用算法，同時研究新算法，實現接近距離計算、最大碰撞概率計算等。

(5)碰撞風險初步評估分析:基于碰撞風險常用算法，同時研究新算法，實現碰撞概率計算、碰撞概率靈敏度分析 (含彈道/軌道誤差分析)、碰撞預警漏警概率和虛警概率分析、碰撞風險綜合評估。

(6)基于觀測數據的風險細致評估:基于外測、內測等空間碎片觀測數據如何，使用SPG4、SDP4、HPOP模型等，預報模型文件可擴展/加載。

(7)能夠穩定流暢地輸出空間碰撞模擬圖像:衛星觀測模式可設置跟蹤模式、普測模式，能夠模擬星空背景和實時碎片運行點跡，能夠模擬衛星視角顯示。

4.2 計算數據源輸入與分析結果輸出

空間碎片碰撞預警計算分析，可以輸入軌跡或位置速度矢量 (或軌道根數)；當輸入位置速度矢量 (或軌道根數)時，先進行高精度軌道積分生成所需時段的軌跡，碰撞預警計算數據流分析如圖4所示:

圖4 碰撞預警計算分系統數據流視圖Fig.4 Diagram of collision early warning calculation subsystem data flow

圖5 VVPSTK空間碎片碰撞預警分析與顯示技術原型組成視圖Fig.5 Composition of VVPSTK space debris collision early warning analysis and display technology prototype

(1)輸入:空間碎片TLE根數文件，運載器和有效載荷理論軌跡數據和文件，運載器各子級和有效載荷分離點軌道根數，運載器各子級被動段軌跡數據和文件。

(2)輸出:碰撞預警分析計算生成PDF文檔，包括發射窗口安全性判斷、接近目標數目、最小接近距離、最大碰撞概率的表格和曲線；如果安全管道內有接近目標，給出最小接近距離時刻的相關信息。圖形顯示技術輸出實時空間安全信息 (威脅碎片的詳細信息、相對距離、相對速度等信息)，并保存數據文件供回溯查詢。

4.3 碰撞預警分析與顯示技術原型組成

原型系統主要支撐空間碎片碰撞預警的計算分析和結果生成，支持發射窗口安全性分析、入軌過程安全性分析以及在軌運行時的碰撞預警檢測，并向圖形顯示分系統實時發送分析數據；主要由分析任務管理、任務設計生成、碰撞預警計算分析、碰撞預警計算運行控制、復盤分析、綜合顯控、外部接口等七大模塊組成，基于QT、C++開發實現，能夠跨操作系統 (圖6是麒麟操作系統運行界面)。

4.4 研究成果界面

圖6 VVPSTK空間碎片碰撞預警分析麒麟操作系統運行界面Fig.6 Operation interface of Kylin operating system for VVPSTK space debris collision early warning analysis

5 總結

5.1 自主可控技術問題

目前空間碎片碰撞預警分析與顯示技術研究，普遍基于國外工業軟件來進行，缺乏自主可控技術的國產商業航天衛星仿真分析平臺來支撐，而國外工業軟件工具存在關鍵技術底層不開放、二次開發環境封閉、碎片跟蹤與規避策略簡單且不可定制、碰撞分析及安全管道分析偏弱、支持國產操作系統不夠、技術深度支持受限等限制因素，因此，面向“低軌星座大規模動態運行”以及“在軌空間碎片碰撞預警”剛性需求，開發一套可定制的空間碎片碰撞預警分析與顯示技術原型系統十分必要，從而為國家航天空間重大工程科學仿真論證和分析決策提供支撐，十分重要。

5.2 空間碎片跟蹤監視問題

截至2017年3月，直徑10cm以上的在軌空間碎片數量達到15934個，占在軌可編目物體的95%。小于10cm的空間碎片數量增加更快，數據來源多以國外專業機構公布的數據源為計算基礎，迫切需要國家專項工程解決空間碎片的跟蹤監視定軌編目，提高空間碎片軌道位置精度，才能提高空間碎片碰撞預警分析的精度。

5.3 實時計算瓶頸問題

空間碎片目標為美國Space-track網站上公布的目標全集 (15126個空間目標)時，對于低軌發射任務，一個發射窗口 (時長30min，步長10s)安全性分析計算時間不超過10min。低軌實時發射任務，采用相關目標集、步長1s時，安全性分析計算時間不超過5min，給空間碎片碰撞預警分析與顯示技術帶來實時計算瓶頸的挑戰，特別是在國產計算機與國產操作系統環境。