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空間碎片環境與空間交通安全 版權信息
- ISBN：9787030718211
- 條形碼：9787030718211 ; 978-7-03-071821-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
空間碎片環境與空間交通安全 內容簡介
本書分析了空間環境的復雜性，系統研究了空間碎片環境的建模與長期演化，研究了空間碎片環境的分層離散化演化模型、空間碎片環境的長期演化結果與主要影響因素、解體碎片云的長期演化分布特點及其碰撞風險分析、大型在軌航天器系統受空間碎片碰撞風險評估，對超級衛星星座系統對碎片環境的影響和中軌道導航衛星廢棄軌道長期演化安全性進行了研究；介紹了空間交通管理理論，研究了空間交通管理方法，建立了空間系統安全管理平行系統與計算試驗系統。
空間碎片環境與空間交通安全 目錄
目錄
前言
第1章 空間系統復雜性概述 1
1.1 空間環境復雜性分析 2
1.2 航天器系統復雜性分析 3
1.2.1 傳統低軌衛星通信系統 5
1.2.2 新興低軌大規模衛星星座 6
1.3 空間競爭因素復雜性分析 8
1.3.1 空間軌道和頻譜資源爭奪更加激烈 9
1.3.2 空間軍事化和武器化進程不斷深化 9
1.3.3 外空國際規則進入長期博弈期 10
參考文獻 10
第2章 空間碎片環境建模研究綜述 12
2.1 空間碎片環境演化模型 12
2.1.1 以單個空間碎片的運動狀態為變量的演化模型 12
2.1.2 以宏觀狀態量為變量的整體演化模型 19
2.2 空間碎片環境長期演化建模的關鍵問題 21
2.2.1 空間碎片環境長期演化的力學模型 21
2.2.2 空間碎片狀態推演積分方法 22
2.2.3 空間碎片環境演化過程中目標碰撞概率的計算方法 23
2.2.4 空間目標爆炸或碰撞解體的模擬方法 24
2.2.5 空間碎片環境演化的高效數值計算方法 25
2.2.6 空間碎片環境長期演化結果的精度分析 25
2.3 空間碎片環境帶來的安全問題研究 26
2.3.1 空間碎片環境對空間資源可持續開發利用帶來的風險 26
2.3.2 空間碎片環境對航天器的碰撞風險 27
參考文獻 28
第3章 空間碎片環境的長期演化計算模型 35
3.1 空間碎片環境演化的攝動力計算模型 36
3.1.1 地球非球形攝動力對空間碎片環境演化的影響 37
3.1.2 大氣阻力對空間碎片產生的攝動力加速度 43
3.1.3 太陽/月球三體引力對空間碎片產生的攝動力加速度 44
3.1.4 太陽光壓攝動力加速度 45
3.2 空間碎片演化過程的碰撞事件建模 45
3.2.1 空間碎片環境演化的碰撞概率計算模型 45
3.2.2 目標解體產生空間碎片的模擬方法 54
3.3 空間碎片演化過程的航天發射活動 61
3.4 基于春分點根數的空間碎片運動狀態長期平均積分模型 61
3.4.1 利用春分點根數描述的參數運動方程 62
3.4.2 參數運動方程的一階平均解 64
3.4.3 長期平均積分模型的計算結果分析 73
3.5 大規模空間碎片演化的并行計算框架 79
3.5.1 空間碎片狀態更新的并行計算框架 79
3.5.2 碰撞概率的并行計算框架 83
3.6 長期演化計算模型的軟件實現方案 84
3.6.1 基于MPI標準的高效并行演化計算軟件 84
3.6.2 演化結果處理與顯示軟件 86
參考文獻 87
第4章 空間碎片環境的分層離散化演化模型 90
4.1 基于平均空間密度的空間碎片分布狀態描述方法 90
4.2 空間碎片分布空間的分層離散化 94
4.2.1 編目目標在空間中的分布特點 94
4.2.2 空間碎片分布空間的離散化 98
4.3 分層離散化模型的約束控制方程 100
4.3.1 大氣阻力作用下軌道高度的平均衰減速度 101
4.3.2 目標相互碰撞作用的平均等效方法 104
4.3.3 約束控制方程的微分形式 107
4.4 分層離散化模型的解 108
4.4.1 簡化分層離散化模型的解析解 108
4.4.2 分層離散化模型的數值解 110
參考文獻 111
第5章 空間碎片環境的長期演化結果與主要影響因素分析 112
5.1 理想演化條件下兩種模型的長期演化結果與對比分析 112
5.1.1 僅有攝動力作用下的長期演化結果 113
5.1.2 理想演化條件下的長期演化結果 118
5.2 航天器爆炸解體對空間碎片環境演化的長期影響 125
5.3 航天發射活動對空間碎片環境演化的長期影響 129
5.4 空間碎片清除策略對空間碎片環境演化的長期影響 132
5.5 小結 135
參考文獻 136
第6章 解體空間碎片云長期演化的分布特點及其碰撞風險分析 137
6.1 解體空間碎片云演化的三個階段 137
6.2 解體空間碎片云的長期演化分布特點 140
6.3 解體空間碎片云的碰撞風險分析 142
6.4 小結 144
參考文獻 144
第7章 大型在軌運行航天器系統受空間碎片碰撞風險評估 145
7.1 航天器運行空間內空間碎片分布狀態的描述方法 145
7.2 基于邊界穿越條件的碰撞概率計算方法 146
7.2.1 基于邊界穿越條件的空間密度計算方法 147
7.2.2 利用穿越真近點角確定碰撞速度 150
7.2.3 航天器碰撞風險計算流程和分析方法的應用條件 153
7.3 天宮二號在軌運行期間的碰撞風險分析 154
7.4 小結 159
參考文獻 159
第8章 超級星座對空間碎片環境的影響分析 160
8.1 超級小衛星星座的部署和長期演化條件 161
8.2 包含超級小衛星星座時空間碎片環境的長期演化結果 163
8.3 小衛星采取離軌清除策略時空間碎片環境的長期演化結果 165
8.4 小結 168
參考文獻 168
第9章 中軌道衛星軌道長期預報模型 170
9.1 攝動力模型的建立 170
9.1.1 地球非球形攝動力作用特點分析 171
9.1.2 太陽/月球三體引力對航天器產生的攝動力加速度 172
9.1.3 太陽光壓對航天器產生的攝動力加速度 172
9.2 長期預報模型的建立 173
9.2.1 利用春分點根數描述的參數運動方程 174
9.2.2 參數運動方程的一階平均解 176
9.3 中軌道衛星長期預報模型精度驗證 184
參考文獻 189
第10章 中軌道導航衛星廢棄軌道長期演化安全性分析 191
10.1 中軌道導航星座軌道長期演化分析 191
10.1.1 GPS 191
10.1.2 GLONASS 193
10.1.3 Galileo 194
10.1.4 BDS 196
10.2 初始軌道根數對中軌道導航衛星長期演化的影響 198
10.2.1 初始偏心率的影響 198
10.2.2 升交點赤經和近地點幅角的綜合影響 199
10.3 小結 201
參考文獻 201
第11章 中軌道導航衛星廢棄軌道優化設計 202
11.1 廢棄軌道優化模型 202
11.2 軌道機動模型 204
11.3 廢棄軌道帶區間的選取 206
11.4 廢棄軌道優化分析 208
11.4.1 抬升處置優化分析 209
11.4.2 下推處置優化分析 211
11.5 小結 213
參考文獻 213
第12章 空間交通管理概念與政策 214
12.1 空間交通管理的歷史與現狀 214
12.2 空間交通管理的概念 215
12.2.1 國際宇航科學院對空間交通管理概念的界定 215
12.2.2 歐盟對空間交通管理概念的界定 215
12.2.3 美國對空間交通管理概念的界定 216
12.3 空間交通管理的核心——數據和法律 216
12.3.1 數據 216
12.3.2 法律 217
12.4 美國空間交通管理政策提出的背景 218
12.4.1 太空正變得越來越擁擠且越來越具競爭性 218
12.4.2 太空商業活動數量和多樣性顯著增加 219
12.4.3 國際社會缺乏有效的空間交通管理規則框架 219
12.5 美國空間交通管理政策分析 222
12.5.1 內容解讀 222
12.5.2 主要特點 226
12.5.3 總體評價 229
12.6 空間交通管理國際法律制度的構建要素 230
12.6.1 現有外空國際規則的問題 231
12.6.2 空間技術的影響 231
12.6.3 各國的共識 231
參考文獻 232
第13章 空間交通安全規則與管理策略 233
13.1 軌道資源分析 233
13.2 典型軌道分配規則研究 240
13.2.1 在軌SSO航天器統計分析 240
13.2.2 SSO航天器攝動分析 242
13.2.3 SSO航天器安全管理規則 244
13.2.4 SSO航天器安全管理策略 246
13.3 航天器運行規則研究 247
13.3.1 碰撞危險評估 247
13.3.2 碰撞規避機動 248
13.3.3 數據精度影響 249
13.3.4 規則1和規則2 250
13.3.5 規則3和規則4 251
13.4 航天器入軌和離軌管理策略研究 251
13.4.1 中軌道GNSS廢棄衛星處置現狀 252
13.4.2 中軌道衛星廢棄軌道設計現狀 257
13.4.3 中軌道衛星廢棄軌道優化設計 260
13.4.4 北斗中軌道衛星離軌策略 263
參考文獻 278
彩圖
前言
第1章 空間系統復雜性概述 1
1.1 空間環境復雜性分析 2
1.2 航天器系統復雜性分析 3
1.2.1 傳統低軌衛星通信系統 5
1.2.2 新興低軌大規模衛星星座 6
1.3 空間競爭因素復雜性分析 8
1.3.1 空間軌道和頻譜資源爭奪更加激烈 9
1.3.2 空間軍事化和武器化進程不斷深化 9
1.3.3 外空國際規則進入長期博弈期 10
參考文獻 10
第2章 空間碎片環境建模研究綜述 12
2.1 空間碎片環境演化模型 12
2.1.1 以單個空間碎片的運動狀態為變量的演化模型 12
2.1.2 以宏觀狀態量為變量的整體演化模型 19
2.2 空間碎片環境長期演化建模的關鍵問題 21
2.2.1 空間碎片環境長期演化的力學模型 21
2.2.2 空間碎片狀態推演積分方法 22
2.2.3 空間碎片環境演化過程中目標碰撞概率的計算方法 23
2.2.4 空間目標爆炸或碰撞解體的模擬方法 24
2.2.5 空間碎片環境演化的高效數值計算方法 25
2.2.6 空間碎片環境長期演化結果的精度分析 25
2.3 空間碎片環境帶來的安全問題研究 26
2.3.1 空間碎片環境對空間資源可持續開發利用帶來的風險 26
2.3.2 空間碎片環境對航天器的碰撞風險 27
參考文獻 28
第3章 空間碎片環境的長期演化計算模型 35
3.1 空間碎片環境演化的攝動力計算模型 36
3.1.1 地球非球形攝動力對空間碎片環境演化的影響 37
3.1.2 大氣阻力對空間碎片產生的攝動力加速度 43
3.1.3 太陽/月球三體引力對空間碎片產生的攝動力加速度 44
3.1.4 太陽光壓攝動力加速度 45
3.2 空間碎片演化過程的碰撞事件建模 45
3.2.1 空間碎片環境演化的碰撞概率計算模型 45
3.2.2 目標解體產生空間碎片的模擬方法 54
3.3 空間碎片演化過程的航天發射活動 61
3.4 基于春分點根數的空間碎片運動狀態長期平均積分模型 61
3.4.1 利用春分點根數描述的參數運動方程 62
3.4.2 參數運動方程的一階平均解 64
3.4.3 長期平均積分模型的計算結果分析 73
3.5 大規模空間碎片演化的并行計算框架 79
3.5.1 空間碎片狀態更新的并行計算框架 79
3.5.2 碰撞概率的并行計算框架 83
3.6 長期演化計算模型的軟件實現方案 84
3.6.1 基于MPI標準的高效并行演化計算軟件 84
3.6.2 演化結果處理與顯示軟件 86
參考文獻 87
第4章 空間碎片環境的分層離散化演化模型 90
4.1 基于平均空間密度的空間碎片分布狀態描述方法 90
4.2 空間碎片分布空間的分層離散化 94
4.2.1 編目目標在空間中的分布特點 94
4.2.2 空間碎片分布空間的離散化 98
4.3 分層離散化模型的約束控制方程 100
4.3.1 大氣阻力作用下軌道高度的平均衰減速度 101
4.3.2 目標相互碰撞作用的平均等效方法 104
4.3.3 約束控制方程的微分形式 107
4.4 分層離散化模型的解 108
4.4.1 簡化分層離散化模型的解析解 108
4.4.2 分層離散化模型的數值解 110
參考文獻 111
第5章 空間碎片環境的長期演化結果與主要影響因素分析 112
5.1 理想演化條件下兩種模型的長期演化結果與對比分析 112
5.1.1 僅有攝動力作用下的長期演化結果 113
5.1.2 理想演化條件下的長期演化結果 118
5.2 航天器爆炸解體對空間碎片環境演化的長期影響 125
5.3 航天發射活動對空間碎片環境演化的長期影響 129
5.4 空間碎片清除策略對空間碎片環境演化的長期影響 132
5.5 小結 135
參考文獻 136
第6章 解體空間碎片云長期演化的分布特點及其碰撞風險分析 137
6.1 解體空間碎片云演化的三個階段 137
6.2 解體空間碎片云的長期演化分布特點 140
6.3 解體空間碎片云的碰撞風險分析 142
6.4 小結 144
參考文獻 144
第7章 大型在軌運行航天器系統受空間碎片碰撞風險評估 145
7.1 航天器運行空間內空間碎片分布狀態的描述方法 145
7.2 基于邊界穿越條件的碰撞概率計算方法 146
7.2.1 基于邊界穿越條件的空間密度計算方法 147
7.2.2 利用穿越真近點角確定碰撞速度 150
7.2.3 航天器碰撞風險計算流程和分析方法的應用條件 153
7.3 天宮二號在軌運行期間的碰撞風險分析 154
7.4 小結 159
參考文獻 159
第8章 超級星座對空間碎片環境的影響分析 160
8.1 超級小衛星星座的部署和長期演化條件 161
8.2 包含超級小衛星星座時空間碎片環境的長期演化結果 163
8.3 小衛星采取離軌清除策略時空間碎片環境的長期演化結果 165
8.4 小結 168
參考文獻 168
第9章 中軌道衛星軌道長期預報模型 170
9.1 攝動力模型的建立 170
9.1.1 地球非球形攝動力作用特點分析 171
9.1.2 太陽/月球三體引力對航天器產生的攝動力加速度 172
9.1.3 太陽光壓對航天器產生的攝動力加速度 172
9.2 長期預報模型的建立 173
9.2.1 利用春分點根數描述的參數運動方程 174
9.2.2 參數運動方程的一階平均解 176
9.3 中軌道衛星長期預報模型精度驗證 184
參考文獻 189
第10章 中軌道導航衛星廢棄軌道長期演化安全性分析 191
10.1 中軌道導航星座軌道長期演化分析 191
10.1.1 GPS 191
10.1.2 GLONASS 193
10.1.3 Galileo 194
10.1.4 BDS 196
10.2 初始軌道根數對中軌道導航衛星長期演化的影響 198
10.2.1 初始偏心率的影響 198
10.2.2 升交點赤經和近地點幅角的綜合影響 199
10.3 小結 201
參考文獻 201
第11章 中軌道導航衛星廢棄軌道優化設計 202
11.1 廢棄軌道優化模型 202
11.2 軌道機動模型 204
11.3 廢棄軌道帶區間的選取 206
11.4 廢棄軌道優化分析 208
11.4.1 抬升處置優化分析 209
11.4.2 下推處置優化分析 211
11.5 小結 213
參考文獻 213
第12章 空間交通管理概念與政策 214
12.1 空間交通管理的歷史與現狀 214
12.2 空間交通管理的概念 215
12.2.1 國際宇航科學院對空間交通管理概念的界定 215
12.2.2 歐盟對空間交通管理概念的界定 215
12.2.3 美國對空間交通管理概念的界定 216
12.3 空間交通管理的核心——數據和法律 216
12.3.1 數據 216
12.3.2 法律 217
12.4 美國空間交通管理政策提出的背景 218
12.4.1 太空正變得越來越擁擠且越來越具競爭性 218
12.4.2 太空商業活動數量和多樣性顯著增加 219
12.4.3 國際社會缺乏有效的空間交通管理規則框架 219
12.5 美國空間交通管理政策分析 222
12.5.1 內容解讀 222
12.5.2 主要特點 226
12.5.3 總體評價 229
12.6 空間交通管理國際法律制度的構建要素 230
12.6.1 現有外空國際規則的問題 231
12.6.2 空間技術的影響 231
12.6.3 各國的共識 231
參考文獻 232
第13章 空間交通安全規則與管理策略 233
13.1 軌道資源分析 233
13.2 典型軌道分配規則研究 240
13.2.1 在軌SSO航天器統計分析 240
13.2.2 SSO航天器攝動分析 242
13.2.3 SSO航天器安全管理規則 244
13.2.4 SSO航天器安全管理策略 246
13.3 航天器運行規則研究 247
13.3.1 碰撞危險評估 247
13.3.2 碰撞規避機動 248
13.3.3 數據精度影響 249
13.3.4 規則1和規則2 250
13.3.5 規則3和規則4 251
13.4 航天器入軌和離軌管理策略研究 251
13.4.1 中軌道GNSS廢棄衛星處置現狀 252
13.4.2 中軌道衛星廢棄軌道設計現狀 257
13.4.3 中軌道衛星廢棄軌道優化設計 260
13.4.4 北斗中軌道衛星離軌策略 263
參考文獻 278
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空間碎片環境與空間交通安全 節選
第1章空間系統復雜性概述 隨著空間技術的不斷發展和人類航天活動的不斷增多，外層空間飛行器的種類、數目快速增長，空間環境日益復雜，空間系統的安全運行管理問題已逐漸超越工程問題的范疇，對運行管理技術提出了新挑戰。 空間系統是由空間環境和航天器一起構成的復雜大系統。多年來，對空間對象的研究主要停留在科學技術和工程層面，即使對于載人航天，人也僅作為工程系統的一個組成部分被研究，很少從管理角度考察人對航天活動和空間環境的影響。事實上，航天活動作為人類活動的外延，不可避免地受人作用的影響。隨著系統構成的不斷復雜、系統規模的不斷增大、系統應用的不斷增加，尤其是外層空間政治、經濟、軍事對抗因素的不斷出現，空間系統的管理問題日益突出。 距離人類航天時代的開啟已過了半個世紀，*早的航天器以科學技術實驗為主要目的，應用也很簡單。在很長一段時期內，航天技術作為美蘇爭霸的重要陣地，為炫耀技術水平不計代價，對經濟效益往往不予考慮。隨著冷戰結束和航天技術的發展成熟，航天器逐漸走向實用，通信、遙感、導航等應用衛星獲得了大發展，成為人們生活中不可缺少的重要內容。衛星的數目也以驚人的速度增長，截至2021年，所有編目的空間目標數量超過40000個，仍在軌運行的空間目標超過20000個，剩下的大部分墜入大氣層銷毀或墜落到地面。在軌運行的編目目標中，近80%是空間碎片，不可控空間目標的數目更是大得驚人，浩瀚的太空已不再寧靜，太空垃圾將導致空間車禍的發生，空間交通已出現繁忙的端倪[1]。人們有理由相信，若干年后，空間交通不可能如現在一樣，繼續允許無序、自由地發展，而是要依據一定的統一規劃，遵守一定的運行規則，甚至像城市交通系統一樣，必須遵守交通管理部門的指揮和控制，空間系統管理將成為空間系統發展的必然要求。 目前，在航天器主要由國家和國際組織所有的情況下，開展空間系統管理的研究，提出空間交通的整體規劃、運行規則、管理政策，相對于理論滯后于實踐的城市交通管理，更為有利、及時，更可以獲得理想的效果。事實上，在某些領域，人們已經注意到形成國際公認的航天器運行規則的重要性。例如，為避免地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛星過于擁擠造成的問題，國際電信聯盟規定，所有國家和組織發射地球靜止軌道衛星前，必須向國際電信聯盟提出軌道位置和衛星通信頻率的申請，這對地球靜止軌道的安全、有效利用發揮了重要作用。 空間環境、航天器系統的日益復雜，以及空間競爭因素的日益顯現是空間系統建設和發展必須面對的問題。為了空間系統的安全有效運行，急需一個能夠模擬空間系統的計算實驗環境，為空間系統的安全性分析以及管理規則的制定提供支撐。 1.1空間環境復雜性分析 空間環境的復雜性導致了空間系統的不確定性。 外層空間由于不受大氣和磁場的保護，有著非常嚴酷的高能射線、高能粒子輻射環境。在大多數航天器運行的近地空間，存在來源于地球輻射帶、銀河宇宙線和太陽宇宙線的大量高能帶電粒子，包括高能電子、質子和重核粒子，它們與航天器上的電子元器件和功能材料相互作用，引發特殊的空間輻射效應，如總劑量效應、單粒子效應等，從而對航天器產生嚴重的不良影響，甚至威脅航天器的安全。近年來，各種大規模、超大規模微電子器件和新型功能材料在航天器上廣泛應用，雖然提高了航天器的性能，但是也增大了空間輻射效應引起故障的風險，各國航天器不斷發生由空間輻射引起的在軌故障。空間輻射引起航天器的故障是典型的不確定性事件，是空間系統運行管理中不容忽視的一個因素。一方面，空間天氣的變化，會影響在軌目標和空間粒子的相互作用，例如，當太陽活動增強時，會加快航天器表面材料的剝蝕，特別是表面油漆涂層的脫落，就形成了新的空間碎片；另一方面，空間天氣的變化，會改變目標在軌受到的作用力。全球溫室效應會降低高層空間中的大氣溫度和大氣密度，從而使空間碎片在軌駐留時間增加，不利于空間碎片的自然清除。 對空間系統和空間活動有著致命性不確定影響的因素是空間碎片。空間碎片是人類空間活動的產物，包括完成任務的火箭箭體和衛星本體、火箭的噴射物、在執行航天任務過程中的拋射物、空間物體之間碰撞產生的碎片等，是空間環境的主要污染源。空間碎片對空間系統造成了很多威脅，小到改變航天器表面特性、降低載荷性能，大到造成航天器損壞甚至解體，也是載人航天面臨的*致命威脅之一。在軌目標數量持續增加，尤其是近10年，在軌目標主要是空間碎片的數量呈現階躍式增長。 空間碎片在空間中的分布與人類航天活動密切相關。低地球軌道（low earth orbit，LEO）空間是當前空間中*為擁擠的區域，在同步軌道高度以下已經被人類開發利用的空間中，低地球軌道空間僅占0.3%，卻包含了近80%的編目目標（對應于40%的空間目標質量）。在一些特殊的低地球軌道上運行的航天器，如太陽同步軌道（sun synchronous orbit，SSO），已經面臨嚴峻的空間碎片碰撞威脅問題。在太陽同步軌道上，尺寸在10m2左右的航天器，其遭受1cm尺寸空間碎片碰撞的年平均概率超過0.8%。太陽同步軌道是近地空間范圍內面臨碰撞風險*大的軌道。研究表明，在400km高度，航天器每年遭遇分米級至米級尺度空間碎片碰撞的概率為千萬分之一量級；每年遭遇厘米級尺度空間碎片碰撞的概率為百萬分之一量級；每年遭遇毫米級尺度空間碎片碰撞的概率為百萬分之四左右；每年遭遇0.1mm級尺度空間碎片約2次；每年遭遇0.01mm級尺度空間碎片550～600次。北京時間2009年2月11日0時56分，美國的“銥-33”移動通信衛星與俄羅斯已廢棄的“宇宙-2251”軍用通信衛星在西伯利亞北部上空約790km處相撞，巨大的動能使得兩顆衛星瞬時化作兩團碎片云。“銥-33”移動通信衛星重約560kg，“宇宙-2251”軍用通信衛星則重達900kg，兩顆衛星均運行于大傾角的近圓軌道，相撞時兩者軌道夾角為103.3°，相對速度高達11.7km/s[2]。如此巨大的沖量產生了大量空間碎片，導致低地球軌道上的空間碎片數量再次劇增，這使得釀成“空間交通事故”的概率進一步增大。 由空間碎片導致的空間系統安全問題具有典型的不確定性和非線性特征，呈現出典型復雜系統的特點，既無法準確預知，也無法采用傳統的監測、控制手段加以避免。 1.2航天器系統復雜性分析 主要在地球大氣層外空間飛行（運行）的飛行器，稱為航天器。航天器可分為無人航天器和載人航天器兩大類。無人航天器按是否繞地球運行又可分為人造地球衛星和空間探測器兩類；載人航天器則包括載人飛船、空間站、航天飛機等類型。航天器是由人設計、制造、發射的，其使命由人決定，運行狀態受人控制，也必然帶有人的主觀性、不確定性，航天器的種類、數目越是增多，由個體不確定性引起的整體不確定性效果就越突出。 *早的人造地球衛星都是執行單一任務或一類任務的單個航天器，航天器在軌運行期間，由地面多個測控站對其進行跟蹤、定軌和控制。隨著航天技術和航天應用的發展，航天器的規模不斷增大，出現了衛星星座和衛星網的概念，如用于低軌通信的衛星星座、全球導航的衛星星座等。衛星星座通常由幾十顆衛星組成，這些衛星運行在相同或相近的軌道上，其運行控制除了取決于自身任務和狀態，還受整個星座系統任務的約束，需要考慮與星座其他成員的相互關系。例如，美國的全球定位系統（global positioning system，GPS）由24顆衛星構成，這些衛星均勻地分布 在6個軌道面上，運行于高度為20200km的圓軌道上。根據衛星導航原理，為確保導航功能的實現，衛星構型的分布必須時刻確保地球表面的任意一點能同時見到至少4顆GPS導航衛星。俄羅斯的全球導航衛星系統（global navigation satellite system，GLONASS）、歐洲的伽利略衛星導航系統（Galileo satellite navigation system，GSNS）、我國的北斗二號衛星導航系統都是由多顆衛星組成的衛星星座，這些衛星星座的設計、規劃、建設和運行控制中的關鍵問題都集中在目標制定、約束分析、應用模式、產業政策等方面，遠遠超越了傳統工程技術的范疇。可見，空間系統本身規模和能力的發展，從物質層面催生了空間系統的管理問題。 近年來，以美國為代表的航天大國紛紛提出了智能化的航天器集群概念和研究計劃，其本質意圖是將在軌運行的航天器發展為具有自主感知、自主組網、自主控制的智能控制單元，從而實現航天器功能和能力的任意組合、重構，發揮航天器集群的整體能力，產生“1+1>2”的效果。 美國國防部高級研究計劃局（Defence Advanced Research Projects Agency，DARPA）提出并開始執行的“快速、靈活、自由飛行和模塊化航天器（Future，Fast，Flexible，Fractionated，Free-Flying）”計劃，即F6計劃，是**個明確的航天器集群研究項目。F6計劃從2007年開始實施，已進行多次模塊重組演示實驗，并取得了相關技術的突破。參與F6計劃的各個組成單位主要有美國的波音公司、通用動力公司、軌道科學公司、噴氣推進實驗室和海軍研究實驗室等，雖然DARPA于2013年5月宣布取消F6計劃，但是F6計劃的一些理念還是對航天器系統的發展產生了深刻影響。 F6計劃的基礎方案是將一組模塊航天器作為一個單位，以無線自組織網絡組織在一起，通過集群內資源的合理配置實現一種或多種任務能力。與常規星座或編隊不同，F6計劃的模塊是各不相同的，飛行構型是松散的，資源和信息配置是動態的。 F6計劃將建立一種面向未來的航天器體系結構，將傳統的整體式航天器分解為可組合的分離模塊，各分離模塊可以快速批量制造和獨立發射，當其在軌運行時通過無線數據連接和無線能量傳輸，構成一個功能完整的虛擬航天器系統。該系統在全壽命周期都具備系統重構和功能再定義的能力，以此有效降低航天器全壽命周期中各種不確定因素對天基系統在設計、制造和運行階段造成的嚴重影響，使航天器能夠實現在軌故障修復、功能更換和擴展，提高航天器執行任務的范圍和能力，增強航天器的靈活性和可靠性，降低全壽命周期費用和風險。模塊的批量生產、分離發射入軌和在軌自主組網技術能夠大大降低航天器從研制到投入使用的時間，甚至可以直接通過發射載荷模塊對已有航天器進行任務更換和擴展以滿足任務要求，從而大大提高空間任務的響應能力。 航天器的智能化、體系化，不但產生了空間系統交通管理的必要性，也為其可能性、可操作性提供了條件。 1.2.1傳統低軌衛星通信系統 傳統低軌衛星通信系統起源于20世紀80年代，由摩托羅拉公司*先提出，主要為了創建覆蓋全球的天基通信網絡服務。從20世紀80年代末到90年代末，以銥星（Iridium）、軌道通信（Orbcomm）、全球星（Globalstar）為代表的公司相繼完成**代星座系統的組網運營。2000～2014年，新銥星公司、軌道通信公司、全球星公司進行了第二代星座系統組網，極大地增強了地面通信手段[3]。 1.Iridium衛星通信系統 Iridium衛星通信系統是全球唯一采用星間鏈路組網、全球無縫覆蓋的低軌星座系統，Iridium一代系統在1998年建成并開始商業運營，1999年宣告破產，后被新銥星公司收購。Iridium衛星通信系統軌道高度為780km，由分布于6個軌道面的66顆衛星組成，用戶鏈路采用L頻段。Iridium二代系統通過對Iridium一代系統衛星的逐步升級，如L頻段配置48波束的收發相控陣天線、用戶鏈路增加Ka頻段、配置軟件定義可再生處理載荷等方式實現了更高業務速率、更大傳輸容量以及更多功能。2017年～2019年，Iridium二代系統已完成全部組網發射，部署后傳輸速率可達1.5Mbit/s，運輸式、便攜式終端速率分別可達30
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