空间碎片碰撞预警分析与显示技术研究

曾安里，金勇，马志昊，韩蕾，高雨青

(1.北京航天慧海系统仿真科技有限公司，北京 100081；2.中国科学院国家天文台，北京100012；3.航天工程大学，北京 101416)

1 前言

近年来，随着全球互联网和物联网服务的全球无缝覆盖的低轨通信星座计划爆发，在航天领域形成低轨通信卫星组成的大规模卫星星座热潮，由于这些星座规模巨大 (千颗卫星级别)，具有轨道时变特性、时空交叠性、碎片动态性，导致航天器和卫星与碎片之间相对位置快速变化，形成非常复杂的碰撞风险运行场景，需要中国工业软件专业级别的VVPSTK卫星仿真分析工具，支撑空间碎片碰撞预警分析与显示技术的研究。

在空间碎片日益增多的趋势下，空间目标在运行时遇到的威胁与日俱增，在此背景下需要一套能够预报空间碎片碰撞预警分析的软件，为航天器长期管理中的空间碎片碰撞预警系统建设提供服务，为航天发射任务中的弹道/轨道安全分析系统建设提供支撑运行平台，是非常必要的。

2 中国工业软件航天专业级分析工具

空间碎片碰撞预警分析与显示技术，涉及航天空间仿真的卫星轨道分析与三维空间任务显示、飞行器空间飞行仿真、飞行器发射全过程仿真、弹道仿真分析、碎片轨迹分析、雷达与光电探测仿真、通信链路仿真、碎片类型分析、轨道预报分析，用地心惯性坐标系、地心固定坐标系、地心轨道坐标系和黄道坐标系换算，以及和世界时原子时儒律略时换算等专业技术。

目前国内各研究所、大学、实验室在研究航天仿真时均使用美国AGI公司的STK卫星仿真工具软件来实现这些仿真技术，而STK自2004年STK6.0之后就禁止向中国地区销售，因此研究空间碎片碰撞预警需要基于国产正版VVPSTK卫星仿真分析工具软件，用于航天空间碎片碰撞预警分析与显示技术的应用技术研究。

美国AGI公司的STK软件包括基本版、专业版和高级版。功能包括生成位置和姿态数据、可见性及遥控器覆盖分析。STK专业版增加了轨道预报算法、姿态定义、坐标类型和坐标系统、遥感器类型、高级约束条件定义，以及卫星、城市、地面站和恒星数据库。STK高级版增加了通信分析、雷达分析、覆盖分析、轨道机动、精确定轨、实时操作等特定分析。

按照国产操作系统、自主知识产权的要求，需要针对航天卫星仿真技术进行深入研究，研制出基于国产先进仿真顶层框架的VVPSTK航天卫星仿真分析应用开发包，支撑空间碎片碰撞预警分析与显示技术的深入应用研究。目前经过10多年的研发积累，已经研制出一款国产自主可控技术的VVPSTK卫星仿真分析工具。

图1 基于国产VVPSTK卫星仿真平台空间碎片碰撞技术研究Fig.1 Research on space debris collision technology based on domestic VVPSTK satellite simulation platform

基于自主可控技术的国产卫星仿真开发平台VVPSTK技术研究，着眼于国产化技术、从先进仿真顶层框架设计入手，采用VBF主控+注册组件+注册服务的机制，形成层次性的组件结构、构件化设计，研制国产先进仿真顶层框架原型(VVPVBF)下的VVPSTK卫星仿真技术平台，实现模型性能验证框架、模型组件、模型参数、模型数据 (文件)四者相分离，提供航天空间碎片碰撞预警全过程仿真技术和卫星在轨运行碰撞仿真验证分析研案平台。

3 空间碎片碰撞预警分析与显示技术研究

3.1 研究目标

本研究是基于国产自主可控技术的VVPSTK卫星仿真分析工具，开发一套空间碰撞预警分析系统软件，实现快速空间碎片碰撞预警计算，提供发射窗口安全计算、实时发射和在轨运行时的空间安全分析，分析结果可通过三维、二维形式显示。

空间碎片碰撞预警分析与显示技术的研究，包括碰撞预警分析计算分析和图形显示技术。其中，碰撞预警分析计算分析研究，包括发射窗口碰撞预警计算、实时入轨碰撞预警计算、在轨运行碰撞预警计算等创新技术，并能生成结果图表和报告；图形显示技术主要研究空间碎片全局显示、入轨阶段实时显示和在轨运行接近分析显示，并能在全局与局部显示之间切换。

图2 空间碎片碰撞预警分析与显示技术研究环境部署视图Fig.2 Diagram of space debris collision early warning analysis and display technology research environment

3.2 研究内容

空间碎片碰撞预警分析与显示技术研究，根据空间碎片数据库、任务飞行器轨道 (弹道)数据，实时计算重要航天器的碎片威胁指标、时间段、威胁方位、威胁距离等情况，产生碰撞预警分析报告图表显示，并以实时仿真数据驱动形式显示目标接近过程。

空间碎片碰撞预警计算，可以输入轨迹或位置速度矢量 (或轨道根数)。当输入位置速度矢量 (或轨道根数)时先进行高精度轨道积分生成所需时段的轨迹。

3.2.1 碰撞预警计算分析研究

主要完成空间碎片碰撞预警的计算分析和结果生成，支持发射窗口安全性分析、入轨过程安全性分析以及在轨运行时的碰撞预警检测，并实现实时发送分析数据进行图形显示。

(1)发射窗口安全性分析研究

1)输入理论轨迹，按轨迹平移的方法完成备选发射窗口时段的空间目标接近检测 (包括一级除外的其余子级以及有效载荷的接近检测)，生成碰撞预警报告，为发射窗口的选择提供支持。

2)安全管道根据任务要求可选择常值椭球和线性时变椭球，并提供相关参数配置。提供最小接近距离和最大碰撞概率两种判据。发射窗口选择原则，主动飞行段不与任何物体发生碰撞，被动段不与卫星碰撞。

(2)实时入轨安全性分析研究

1)实时入轨过程中，输入运载器除一级以外的被动段轨迹，进行接近检测计算，分析被动段安全性；分析有效载荷分离之后指定时间段内的安全性。相关轨迹可由本地输入关机点或分离点参数采用高精度模型外推产生。

2)安全管道选择同“发射窗口安全性分析”。安全性需求:有效载荷在任务时间段内不与任何物体发生碰撞，结束任务后不与卫星碰撞；运载器除一级以外各子级被动段不与卫星碰撞。

(3)在轨运行安全性分析研究

1)在轨运行过程中，提供有效载荷在指定时间段内的安全性分析，输入轨迹可以由起始时刻的状态参数采用高精度模型外推产生。

2)在轨机动、调整和保持任务时，提供任务方案实施后的碰撞预警分析。

(4)碰撞预警计算指标分析研究

1)空间碎片采用TLE根数输入，预报模型SGP4，预报精度7天内与STK/SGP4模块结果差异小于1km。

2)接近检测算法快速有效，对进入安全管道内的目标不漏报不虚报。目标为美国Space-track网站上公布的目标全集时，对于低轨发射任务，一个发射窗口 (时长30min，步长10s)安全性分析计算时间不超过10min。多个发射窗口时，采用多线程计算，线程数目根据CPU性能可设置。低轨实时发射任务，采用相关目标集、步长1s时，安全性分析计算时间不超过5min。

3)碰撞预警结果包括发射窗口安全性判断、接近目标数目、最小接近距离、最大碰撞概率的表格和曲线；如果安全管道内有接近目标，给出最小接近距离时刻的相关信息。

4)高精度轨道预报模型考虑地球非球形、大气阻尼、第三体引力等摄动影响，低轨目标1天内预报精度与STK/HPOP模块结果差异小于1km。

3.2.2 碰撞预警图形显示技术研究

(1)海量大规模计算图形显示技术

空间碎片1万多个，需要GPU并行计算与渲染显示效率瓶颈研究，突破海量大规模计算与显示技术瓶颈，实现事前仿真预测分析以及任务运行时的监控数据的实时动态显示，实现事前仿真与实时运行任务过程数据驱动可视化，并能够记录数据进行回放，支持数据的事后重放展示。空间碎片全局和局部显示，以及三维渲染显示和二维星下点显示。

1)通过读取文件获得轨迹或通过网络接收轨迹数据，并进行实时接近检测计算，显示空间碎片全局分布、事前仿真过程演示与实时空间碎片接近情况。

2)以模型计算数据驱动三维显示的形式，显示重点目标轨迹附近空间碎片的接近情况，输出威胁碎片的详细信息、相对距离、相对速度、接近方位等信息。

图3 基于VVPSTK进行碰撞预警分析显示技术研究Fig.3 Research on collision early warning analysis and display technology based on VVPSTK

(2)碰撞预警图形显示指标分析研究

1)空间碎片采用TLE根数输入，预报模型SGP4，预报精度7天之内与STK/SGP4模块结果差异小于1km。

2)接近检测算法快速有效，对进入安全管道内的目标不漏报不虚报。目标为美国Space-track网站上公布的目标全集时，对于低轨发射任务，一个发射窗口 (时长30min，步长10s)安全性分析计算时间不超过10min。多个发射窗口时，采用多线程计算，线程数目根据CPU性能可设置。低轨实时发射任务，采用相关目标集、步长1s时，安全性分析计算时间不超过5min。

3)计算结果保存精度，时间为0.001s，位置信息 0.001m，速度信息 0.001m/s，角度信息 0.0001°。

4)高精度轨道预报模型考虑地球非球形、大气阻尼、第三体引力等摄动影响，低轨目标1天内预报精度与STK/HPOP模块结果差异小于1km。

5)三维场景显示流畅，平均帧速率大于20帧/s。

6)可批量加载数据文件、结果可保存至数据文件。

7)图形显示分系统连续运行时间≥10h。

4 关键技术研究实现

空间碎片碰撞预警分析与显示技术研究，是对空间碎片、空间卫星、航天器、恒星等对象进行建模，包括空间碎片和星体轨迹数据建模、空间多坐标系转换技术、星体和碎片的实时仿真建模、卫星实时轨迹解算建模、多视口场景管理技术、卫星视角切换技术和第三方视角的实时图像输出等功能，对空间任务从发射至在轨运行全过程开展碰撞预警分析，包括发射及返回过程、在轨运行过程，需要对碰撞预警分析关键技术及流程开展调研，支撑空间碎片碰撞预警分析与显示技术研究展开。

4.1 技术途径

(1)空间目标轨道数据获取，数据来源军事空间目标数据或NASA数据渠道获取，能够读入碎片轨迹数据，能够模拟碎片数量大于2万个，可用三维模型和材质模拟碎片目标在空间轨道运行，碎片材质种类可配置。

(2)轨道预报模型:研究 SGP4、SDP4、HPOP、预报模型文件可扩展/加载，分析初始误差大小，研究轨道预报误差、分析模型预报精度对空间碎片碰撞预警影响分析，实现卫星轨迹解算和分析。

(3)目标筛选:目标轨道高度筛选、目标几何筛选、轨道空间时间筛选；不考虑星体自旋，在界面上流出自选设置内容；轨道参数实时参数惯性角、轨道事前可加载最新根数或外部文件加载设定。

(4)仿真计算:基于接近事件预报常用算法，同时研究新算法，实现接近距离计算、最大碰撞概率计算等。

(5)碰撞风险初步评估分析:基于碰撞风险常用算法，同时研究新算法，实现碰撞概率计算、碰撞概率灵敏度分析 (含弹道/轨道误差分析)、碰撞预警漏警概率和虚警概率分析、碰撞风险综合评估。

(6)基于观测数据的风险细致评估:基于外测、内测等空间碎片观测数据如何，使用SPG4、SDP4、HPOP模型等，预报模型文件可扩展/加载。

(7)能够稳定流畅地输出空间碰撞模拟图像:卫星观测模式可设置跟踪模式、普测模式，能够模拟星空背景和实时碎片运行点迹，能够模拟卫星视角显示。

4.2 计算数据源输入与分析结果输出

空间碎片碰撞预警计算分析，可以输入轨迹或位置速度矢量 (或轨道根数)；当输入位置速度矢量 (或轨道根数)时，先进行高精度轨道积分生成所需时段的轨迹，碰撞预警计算数据流分析如图4所示:

图4 碰撞预警计算分系统数据流视图Fig.4 Diagram of collision early warning calculation subsystem data flow

图5 VVPSTK空间碎片碰撞预警分析与显示技术原型组成视图Fig.5 Composition of VVPSTK space debris collision early warning analysis and display technology prototype

(1)输入:空间碎片TLE根数文件，运载器和有效载荷理论轨迹数据和文件，运载器各子级和有效载荷分离点轨道根数，运载器各子级被动段轨迹数据和文件。

(2)输出:碰撞预警分析计算生成PDF文档，包括发射窗口安全性判断、接近目标数目、最小接近距离、最大碰撞概率的表格和曲线；如果安全管道内有接近目标，给出最小接近距离时刻的相关信息。图形显示技术输出实时空间安全信息 (威胁碎片的详细信息、相对距离、相对速度等信息)，并保存数据文件供回溯查询。

4.3 碰撞预警分析与显示技术原型组成

原型系统主要支撑空间碎片碰撞预警的计算分析和结果生成，支持发射窗口安全性分析、入轨过程安全性分析以及在轨运行时的碰撞预警检测，并向图形显示分系统实时发送分析数据；主要由分析任务管理、任务设计生成、碰撞预警计算分析、碰撞预警计算运行控制、复盘分析、综合显控、外部接口等七大模块组成，基于QT、C++开发实现，能够跨操作系统 (图6是麒麟操作系统运行界面)。

4.4 研究成果界面

图6 VVPSTK空间碎片碰撞预警分析麒麟操作系统运行界面Fig.6 Operation interface of Kylin operating system for VVPSTK space debris collision early warning analysis

5 总结

5.1 自主可控技术问题

目前空间碎片碰撞预警分析与显示技术研究，普遍基于国外工业软件来进行，缺乏自主可控技术的国产商业航天卫星仿真分析平台来支撑，而国外工业软件工具存在关键技术底层不开放、二次开发环境封闭、碎片跟踪与规避策略简单且不可定制、碰撞分析及安全管道分析偏弱、支持国产操作系统不够、技术深度支持受限等限制因素，因此，面向“低轨星座大规模动态运行”以及“在轨空间碎片碰撞预警”刚性需求，开发一套可定制的空间碎片碰撞预警分析与显示技术原型系统十分必要，从而为国家航天空间重大工程科学仿真论证和分析决策提供支撑，十分重要。

5.2 空间碎片跟踪监视问题

截至2017年3月，直径10cm以上的在轨空间碎片数量达到15934个，占在轨可编目物体的95%。小于10cm的空间碎片数量增加更快，数据来源多以国外专业机构公布的数据源为计算基础，迫切需要国家专项工程解决空间碎片的跟踪监视定轨编目，提高空间碎片轨道位置精度，才能提高空间碎片碰撞预警分析的精度。

5.3 实时计算瓶颈问题

空间碎片目标为美国Space-track网站上公布的目标全集 (15126个空间目标)时，对于低轨发射任务，一个发射窗口 (时长30min，步长10s)安全性分析计算时间不超过10min。低轨实时发射任务，采用相关目标集、步长1s时，安全性分析计算时间不超过5min，给空间碎片碰撞预警分析与显示技术带来实时计算瓶颈的挑战，特别是在国产计算机与国产操作系统环境。