曾安里，金勇，馬志昊，韓蕾，高雨青

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

1 前言

近年來，隨著全球互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的全球無縫覆蓋的低軌通信星座計劃爆發(fā)，在航天領(lǐng)域形成低軌通信衛(wèi)星組成的大規(guī)模衛(wèi)星星座熱潮，由于這些星座規(guī)模巨大 (千顆衛(wèi)星級別)，具有軌道時變特性、時空交疊性、碎片動態(tài)性，導(dǎo)致航天器和衛(wèi)星與碎片之間相對位置快速變化，形成非常復(fù)雜的碰撞風(fēng)險運行場景，需要中國工業(yè)軟件專業(yè)級別的VVPSTK衛(wèi)星仿真分析工具，支撐空間碎片碰撞預(yù)警分析與顯示技術(shù)的研究。

在空間碎片日益增多的趨勢下，空間目標(biāo)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(yù)報空間碎片碰撞預(yù)警分析的軟件，為航天器長期管理中的空間碎片碰撞預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)提供服務(wù)，為航天發(fā)射任務(wù)中的彈道/軌道安全分析系統(tǒng)建設(shè)提供支撐運行平臺，是非常必要的。

2 中國工業(yè)軟件航天專業(yè)級分析工具

空間碎片碰撞預(yù)警分析與顯示技術(shù)，涉及航天空間仿真的衛(wèi)星軌道分析與三維空間任務(wù)顯示、飛行器空間飛行仿真、飛行器發(fā)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(yù)報分析，用地心慣性坐標(biāo)系、地心固定坐標(biāo)系、地心軌道坐標(biāo)系和黃道坐標(biāo)系換算，以及和世界時原子時儒律略時換算等專業(yè)技術(shù)。

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

美國AGI公司的STK軟件包括基本版、專業(yè)版和高級版。功能包括生成位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)、可見性及遙控器覆蓋分析。STK專業(yè)版增加了軌道預(yù)報算法、姿態(tài)定義、坐標(biāo)類型和坐標(biāo)系統(tǒng)、遙感器類型、高級約束條件定義，以及衛(wèi)星、城市、地面站和恒星數(shù)據(jù)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(chǎn)操作系統(tǒng)、自主知識產(chǎn)權(quán)的要求，需要針對航天衛(wèi)星仿真技術(shù)進行深入研究，研制出基于國產(chǎn)先進仿真頂層框架的VVPSTK航天衛(wèi)星仿真分析應(yīng)用開發(fā)包，支撐空間碎片碰撞預(yù)警分析與顯示技術(shù)的深入應(yīng)用研究。目前經(jīng)過10多年的研發(fā)積累，已經(jīng)研制出一款國產(chǎn)自主可控技術(shù)的VVPSTK衛(wèi)星仿真分析工具。

圖1 基于國產(chǎn)VVPSTK衛(wèi)星仿真平臺空間碎片碰撞技術(shù)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(shù)的國產(chǎn)衛(wèi)星仿真開發(fā)平臺VVPSTK技術(shù)研究，著眼于國產(chǎn)化技術(shù)、從先進仿真頂層框架設(shè)計入手，采用VBF主控+注冊組件+注冊服務(wù)的機制，形成層次性的組件結(jié)構(gòu)、構(gòu)件化設(shè)計，研制國產(chǎn)先進仿真頂層框架原型(VVPVBF)下的VVPSTK衛(wèi)星仿真技術(shù)平臺，實現(xiàn)模型性能驗證框架、模型組件、模型參數(shù)、模型數(shù)據(jù) (文件)四者相分離，提供航天空間碎片碰撞預(yù)警全過程仿真技術(shù)和衛(wèi)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(yù)警分析與顯示技術(shù)研究

3.1 研究目標(biāo)

本研究是基于國產(chǎn)自主可控技術(shù)的VVPSTK衛(wèi)星仿真分析工具，開發(fā)一套空間碰撞預(yù)警分析系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)快速空間碎片碰撞預(yù)警計算，提供發(fā)射窗口安全計算、實時發(fā)射和在軌運行時的空間安全分析，分析結(jié)果可通過三維、二維形式顯示。

空間碎片碰撞預(yù)警分析與顯示技術(shù)的研究，包括碰撞預(yù)警分析計算分析和圖形顯示技術(shù)。其中，碰撞預(yù)警分析計算分析研究，包括發(fā)射窗口碰撞預(yù)警計算、實時入軌碰撞預(yù)警計算、在軌運行碰撞預(yù)警計算等創(chuàng)新技術(shù)，并能生成結(jié)果圖表和報告；圖形顯示技術(shù)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(yù)警分析與顯示技術(shù)研究環(huán)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(nèi)容

空間碎片碰撞預(yù)警分析與顯示技術(shù)研究，根據(jù)空間碎片數(shù)據(jù)庫、任務(wù)飛行器軌道 (彈道)數(shù)據(jù)，實時計算重要航天器的碎片威脅指標(biāo)、時間段、威脅方位、威脅距離等情況，產(chǎn)生碰撞預(yù)警分析報告圖表顯示，并以實時仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動形式顯示目標(biāo)接近過程。

空間碎片碰撞預(yù)警計算，可以輸入軌跡或位置速度矢量 (或軌道根數(shù))。當(dāng)輸入位置速度矢量 (或軌道根數(shù))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(yù)警計算分析研究

主要完成空間碎片碰撞預(yù)警的計算分析和結(jié)果生成，支持發(fā)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(yù)警檢測，并實現(xiàn)實時發(fā)送分析數(shù)據(jù)進行圖形顯示。

(1)發(fā)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(fā)射窗口時段的空間目標(biāo)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(yù)警報告，為發(fā)射窗口的選擇提供支持。

2)安全管道根據(jù)任務(wù)要求可選擇常值橢球和線性時變橢球，并提供相關(guān)參數(shù)配置。提供最小接近距離和最大碰撞概率兩種判據(jù)。發(fā)射窗口選擇原則，主動飛行段不與任何物體發(fā)生碰撞，被動段不與衛(wèi)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(nèi)的安全性。相關(guān)軌跡可由本地輸入關(guān)機點或分離點參數(shù)采用高精度模型外推產(chǎn)生。

2)安全管道選擇同“發(fā)射窗口安全性分析”。安全性需求:有效載荷在任務(wù)時間段內(nèi)不與任何物體發(fā)生碰撞，結(jié)束任務(wù)后不與衛(wèi)星碰撞；運載器除一級以外各子級被動段不與衛(wèi)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(nèi)的安全性分析，輸入軌跡可以由起始時刻的狀態(tài)參數(shù)采用高精度模型外推產(chǎn)生。

2)在軌機動、調(diào)整和保持任務(wù)時，提供任務(wù)方案實施后的碰撞預(yù)警分析。

(4)碰撞預(yù)警計算指標(biāo)分析研究

1)空間碎片采用TLE根數(shù)輸入，預(yù)報模型SGP4，預(yù)報精度7天內(nèi)與STK/SGP4模塊結(jié)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(nèi)的目標(biāo)不漏報不虛報。目標(biāo)為美國Space-track網(wǎng)站上公布的目標(biāo)全集時，對于低軌發(fā)射任務(wù)，一個發(fā)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(fā)射窗口時，采用多線程計算，線程數(shù)目根據(jù)CPU性能可設(shè)置。低軌實時發(fā)射任務(wù)，采用相關(guān)目標(biāo)集、步長1s時，安全性分析計算時間不超過5min。

3)碰撞預(yù)警結(jié)果包括發(fā)射窗口安全性判斷、接近目標(biāo)數(shù)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(nèi)有接近目標(biāo)，給出最小接近距離時刻的相關(guān)信息。

4)高精度軌道預(yù)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(biāo)1天內(nèi)預(yù)報精度與STK/HPOP模塊結(jié)果差異小于1km。

3.2.2 碰撞預(yù)警圖形顯示技術(shù)研究

(1)海量大規(guī)模計算圖形顯示技術(shù)

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(guī)模計算與顯示技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)事前仿真預(yù)測分析以及任務(wù)運行時的監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時動態(tài)顯示，實現(xiàn)事前仿真與實時運行任務(wù)過程數(shù)據(jù)驅(qū)動可視化，并能夠記錄數(shù)據(jù)進行回放，支持?jǐn)?shù)據(jù)的事后重放展示?？臻g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(wǎng)絡(luò)接收軌跡數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)驅(qū)動三維顯示的形式，顯示重點目標(biāo)軌跡附近空間碎片的接近情況，輸出威脅碎片的詳細(xì)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(yù)警分析顯示技術(shù)研究Fig.3 Research on collision early warning analysis and display technology based on VVPSTK

(2)碰撞預(yù)警圖形顯示指標(biāo)分析研究

1)空間碎片采用TLE根數(shù)輸入，預(yù)報模型SGP4，預(yù)報精度7天之內(nèi)與STK/SGP4模塊結(jié)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(nèi)的目標(biāo)不漏報不虛報。目標(biāo)為美國Space-track網(wǎng)站上公布的目標(biāo)全集時，對于低軌發(fā)射任務(wù)，一個發(fā)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(fā)射窗口時，采用多線程計算，線程數(shù)目根據(jù)CPU性能可設(shè)置。低軌實時發(fā)射任務(wù)，采用相關(guān)目標(biāo)集、步長1s時，安全性分析計算時間不超過5min。

3)計算結(jié)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(yù)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(biāo)1天內(nèi)預(yù)報精度與STK/HPOP模塊結(jié)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(shù)據(jù)文件、結(jié)果可保存至數(shù)據(jù)文件。

7)圖形顯示分系統(tǒng)連續(xù)運行時間≥10h。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究實現(xiàn)

空間碎片碰撞預(yù)警分析與顯示技術(shù)研究，是對空間碎片、空間衛(wèi)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(shù)據(jù)建模、空間多坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換技術(shù)、星體和碎片的實時仿真建模、衛(wèi)星實時軌跡解算建模、多視口場景管理技術(shù)、衛(wèi)星視角切換技術(shù)和第三方視角的實時圖像輸出等功能，對空間任務(wù)從發(fā)射至在軌運行全過程開展碰撞預(yù)警分析，包括發(fā)射及返回過程、在軌運行過程，需要對碰撞預(yù)警分析關(guān)鍵技術(shù)及流程開展調(diào)研，支撐空間碎片碰撞預(yù)警分析與顯示技術(shù)研究展開。

4.1 技術(shù)途徑

(1)空間目標(biāo)軌道數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)來源軍事空間目標(biāo)數(shù)據(jù)或NASA數(shù)據(jù)渠道獲取，能夠讀入碎片軌跡數(shù)據(jù)，能夠模擬碎片數(shù)量大于2萬個，可用三維模型和材質(zhì)模擬碎片目標(biāo)在空間軌道運行，碎片材質(zhì)種類可配置。

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

(3)目標(biāo)篩選:目標(biāo)軌道高度篩選、目標(biāo)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(shè)置內(nèi)容；軌道參數(shù)實時參數(shù)慣性角、軌道事前可加載最新根數(shù)或外部文件加載設(shè)定。

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

(5)碰撞風(fēng)險初步評估分析:基于碰撞風(fēng)險常用算法，同時研究新算法，實現(xiàn)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(yù)警漏警概率和虛警概率分析、碰撞風(fēng)險綜合評估。

(6)基于觀測數(shù)據(jù)的風(fēng)險細(xì)致評估:基于外測、內(nèi)測等空間碎片觀測數(shù)據(jù)如何，使用SPG4、SDP4、HPOP模型等，預(yù)報模型文件可擴展/加載。

(7)能夠穩(wěn)定流暢地輸出空間碰撞模擬圖像:衛(wèi)星觀測模式可設(shè)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(wèi)星視角顯示。

4.2 計算數(shù)據(jù)源輸入與分析結(jié)果輸出

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

圖4 碰撞預(yù)警計算分系統(tǒng)數(shù)據(jù)流視圖Fig.4 Diagram of collision early warning calculation subsystem data flow

圖5 VVPSTK空間碎片碰撞預(yù)警分析與顯示技術(shù)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(shù)文件，運載器和有效載荷理論軌跡數(shù)據(jù)和文件，運載器各子級和有效載荷分離點軌道根數(shù)，運載器各子級被動段軌跡數(shù)據(jù)和文件。

(2)輸出:碰撞預(yù)警分析計算生成PDF文檔，包括發(fā)射窗口安全性判斷、接近目標(biāo)數(shù)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(nèi)有接近目標(biāo)，給出最小接近距離時刻的相關(guān)信息。圖形顯示技術(shù)輸出實時空間安全信息 (威脅碎片的詳細(xì)信息、相對距離、相對速度等信息)，并保存數(shù)據(jù)文件供回溯查詢。

4.3 碰撞預(yù)警分析與顯示技術(shù)原型組成

原型系統(tǒng)主要支撐空間碎片碰撞預(yù)警的計算分析和結(jié)果生成，支持發(fā)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(yù)警檢測，并向圖形顯示分系統(tǒng)實時發(fā)送分析數(shù)據(jù)；主要由分析任務(wù)管理、任務(wù)設(shè)計生成、碰撞預(yù)警計算分析、碰撞預(yù)警計算運行控制、復(fù)盤分析、綜合顯控、外部接口等七大模塊組成，基于QT、C++開發(fā)實現(xiàn)，能夠跨操作系統(tǒng) (圖6是麒麟操作系統(tǒng)運行界面)。

4.4 研究成果界面

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

5 總結(jié)

5.1 自主可控技術(shù)問題

目前空間碎片碰撞預(yù)警分析與顯示技術(shù)研究，普遍基于國外工業(yè)軟件來進行，缺乏自主可控技術(shù)的國產(chǎn)商業(yè)航天衛(wèi)星仿真分析平臺來支撐，而國外工業(yè)軟件工具存在關(guān)鍵技術(shù)底層不開放、二次開發(fā)環(huán)境封閉、碎片跟蹤與規(guī)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(chǎn)操作系統(tǒng)不夠、技術(shù)深度支持受限等限制因素，因此，面向“低軌星座大規(guī)模動態(tài)運行”以及“在軌空間碎片碰撞預(yù)警”剛性需求，開發(fā)一套可定制的空間碎片碰撞預(yù)警分析與顯示技術(shù)原型系統(tǒng)十分必要，從而為國家航天空間重大工程科學(xué)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(jiān)視問題

截至2017年3月，直徑10cm以上的在軌空間碎片數(shù)量達到15934個，占在軌可編目物體的95%。小于10cm的空間碎片數(shù)量增加更快，數(shù)據(jù)來源多以國外專業(yè)機構(gòu)公布的數(shù)據(jù)源為計算基礎(chǔ)，迫切需要國家專項工程解決空間碎片的跟蹤監(jiān)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(yù)警分析的精度。

5.3 實時計算瓶頸問題

空間碎片目標(biāo)為美國Space-track網(wǎng)站上公布的目標(biāo)全集 (15126個空間目標(biāo))時，對于低軌發(fā)射任務(wù)，一個發(fā)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(fā)射任務(wù)，采用相關(guān)目標(biāo)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(yù)警分析與顯示技術(shù)帶來實時計算瓶頸的挑戰(zhàn)，特別是在國產(chǎn)計算機與國產(chǎn)操作系統(tǒng)環(huán)境。