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Le développement rapide des méga constellations en orbite terrestre basse (LEO) a contribué de manière significative à plusieurs aspects du progrès scientifique humain, tels que la communication, la navigation et la télédétection. Cependant, le déploiement effréné des constellations a également mis à rude épreuve les ressources orbitales et accru la congestion des engins spatiaux dans LEO, ce qui affecte gravement la sécurité des opérations en orbite de nombreux actifs spatiaux.
Pour le développement durable et à long terme des activités spatiales dans les régions LEO, la stabilité de l'environnement spatial doit être maintenue à l'aide de mécanismes de surveillance et de gouvernance plus rationnels. Dans un article de synthèse récemment publié dans Space :Science &Technology , Jingrui Zhang de l'École d'ingénierie aérospatiale de l'Institut de technologie de Pékin, a analysé les lacunes en matière de recherche et facilité le développement de méga constellations LEO.
Tout d'abord, l'auteur a passé en revue les développements actuels des méga constellations LEO typiques, notamment Starlink, OneWeb, Iridium Next, Globalstar et Flock. Prenant l'exemple de Starlink de SpaceX, il vise à construire une constellation LEO contenant 42 000 satellites pour atteindre une couverture mondiale, un système de communication mondial basé dans l'espace à haut débit, à grande capacité et à faible latence. Starlink a montré d'excellentes performances dans des domaines connexes, tels que l'aviation internationale et le transport maritime. De plus, Starlink peut être construit comme un puissant réseau de commandement et de communication et a déjà été un symbole important de la militarisation de l'espace extra-atmosphérique aux États-Unis.
Ensuite, l'auteur a analysé l'impact des méga constellations LEO en termes d'observation astronomique, de sécurité des engins spatiaux en orbite et d'évolution de l'environnement spatial. Du point de vue de la science spatiale, ces impacts étaient particulièrement importants dans les observations astronomiques, la sécurité des engins spatiaux en orbite et l'évolution de l'environnement spatial. En termes d'observation astronomique, les nouvelles méga constellations LEO qui seraient principalement déployées à 350-1100 km, affecteraient considérablement le fonctionnement normal des équipements d'observation astronomique au sol. Pour les télescopes optiques au sol, lorsqu'un satellite traversait son champ de vision, il causait différents degrés de dommages aux données d'observation en fonction de la luminosité du satellite.
En outre, le nombre excessif de satellites et les faibles capacités de gestion des méga constellations LEO constituaient une menace sérieuse pour la sécurité des engins spatiaux en orbite. En particulier pour les gros engins spatiaux habités de grande valeur, cela a non seulement augmenté le risque de pertes économiques importantes, mais a également menacé la sécurité des astronautes. En plus de constituer une menace pour la sécurité des engins spatiaux individuels en orbite, les méga constellations LEO ont accru l'incertitude de l'évolution de l'environnement spatial. Le nombre de cibles incontrôlables a considérablement augmenté avec les mégaconstellations LEO, ce qui a entraîné une forte augmentation de la densité des objets spatiaux LEO, ce qui pose des problèmes importants pour la réduction des débris spatiaux et la gestion du trafic spatial. La croissance rapide des méga constellations LEO peut conduire à l'effondrement éventuel de l'environnement spatial.
Ensuite, l'auteur a divisé le processus d'atténuation ou de suppression de l'impact négatif en deux aspects majeurs :la surveillance et la gouvernance des objets spatiaux. La surveillance des cibles spatiales visait à assurer la sécurité de fonctionnement des engins spatiaux à l'aide d'infrastructures de surveillance spatiale et de technologies de connaissance de la situation spatiale.
De nombreuses institutions et universitaires avaient fait plusieurs efforts de recherche et formé un domaine appliqué de connaissance de la situation spatiale (SSA) avec une architecture complète. Un système d'observation comprenait principalement deux emplacements de déploiement, au sol et dans l'espace, et deux méthodes de détection, optique et radar. Actuellement, le meilleur système d'observation spatiale en termes de performances globales est le SSN, des États-Unis, suivi du système russe de surveillance spatiale (SSS) et du système européen de surveillance et de poursuite de l'espace (EUSST).
En raison du développement de la méga constellation LEO, SSA était confrontée à de nouveaux défis en termes de gestion multi-capteurs et de fusion de données. Pour maximiser les capacités de SSA, une allocation efficace des multi-capteurs était nécessaire, avec une fusion efficace des données multi-capteurs. La méthode de gestion multi-capteurs peut être comprise en termes de programmation des capteurs ou de répartition des tâches d'observation, qui fait référence à l'attribution d'instructions d'observation appropriées à des moments appropriés, de sorte que l'ensemble du réseau de capteurs puisse travailler ensemble pour répondre aux exigences des tâches.
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:
