Wissenschaftler überprüft die Schlüsseltechnologien für weltraumgestütztes Situationsbewusstsein

Seit dem Start des ersten künstlichen Erdsatelliten hat die Zahl der Weltraumobjekte rapide zugenommen. Nach den maßgeblichen Statistiken der NASA existierten bis Anfang 2021 noch über 6.400 umlaufende Raumfahrzeuge. Darüber hinaus hat die Gesamtzahl der Raketentrümmer über 10 cm 16.000 überschritten. Die Weltraumumgebung ist aufgrund des zunehmenden Weltraummülls stark überlastet, was die Sicherheit von Raumfahrzeugen im Orbit ernsthaft bedroht.

Weltraumbasiertes Situationsbewusstsein als umfassende Fähigkeit zur Kenntnis, Analyse und Entscheidungsfindung von Bedrohungen ist von Bedeutung, um die Weltraumsicherheit zu gewährleisten und die normale Ordnung aufrechtzuerhalten. Es wurden verschiedene weltraumbezogene Situationsbewusstseinssysteme entworfen und eingeführt. Datenerfassung, Zielerkennung und Überwachung, die Schlüsseltechnologien darstellen, leisten wichtige Beiträge, und verschiedene fortschrittliche Algorithmen werden als technische Unterstützung untersucht.

Umfassende Übersichten zu diesen Technologien und spezifischen Algorithmen entstehen jedoch selten. Dies wirkt sich nachteilig auf die zukünftige Entwicklung des Raumlagebewusstseins aus. In einer kürzlich erschienenen Übersichtsarbeit in Raumfahrt: Wissenschaft & TechnologieShuang Li vom College of Astronautics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, überprüfte und analysierte Forschungsfortschritte bei Schlüsseltechnologien für die Weltraumlageerfassung, wies auf die zukünftige Richtung der Schlüsseltechnologien hin und betonte die Forschungsaussichten von Multiagenten- und synergetischen Konstellationstechnologien für die Zukunft Situationsbewusstsein, das darauf abzielt, Referenzen für weltraumbasiertes Situationsbewusstsein bereitzustellen, um die Nachhaltigkeit des Weltraums zu verwirklichen.

Zunächst wurden typische verfügbare Systeme für Fernaufklärung betrachtet. Die Vereinigten Staaten haben stark zur Entwicklung der SSA-Systeme beigetragen. Insbesondere zielt das Geosynchronous Space Situational Awareness Program (GSSAP) darauf ab, die geosynchrone Situationsbewusstseinsfähigkeit zu stärken. Dieses System kann konkrete Merkmale identifizieren, um verschiedene Ziele zu unterscheiden und zu charakterisieren.

Das weltraumgestützte Überwachungssystem (SBSS) verfügt über höhere Fähigkeiten zur Datenerfassung, Identifizierung und Verfolgung von Weltraumschrott. Außerdem enthält die Konstellation des weltraumgestützten Infrarotsystems (SBIRS) vier Satelliten und Infrarotnutzlasten in hohen Umlaufbahnen. 24 Satelliten sind im Space Tracking and Surveillance System (STSS) verteilt, wodurch die Abdeckung des SBIRS weiter ausgebaut wird. Das STSS verfügt über stärkere Fähigkeiten zur Orbitalverfolgung und Manövererkennung in komplizierten Situationen. Darüber hinaus integriert das James Webb Space Telescope (JWST) ein Teleskop mit Nah- und Mittelinfrarotkameras zur Ultra-Fern-Bilderfassung und Zielüberwachung.

Geringes Gewicht, präzise und breite Beobachtung sind die wesentlichen Vorteile des JWST. Nach den Vereinigten Staaten stärkt die Europäische Union nachdrücklich das Wissen und die Frühwarnfähigkeiten in der SSA, indem sie das Dual-Mode-Erkennungssystem einrichtet. Russland hat Fortschritte bei der Verfolgung von Trümmern, der Frühwarnung und der Umweltüberwachung erzielt und das Tree Canopy-System geschaffen. Insgesamt entstehen in den Vereinigten Staaten und anderen Ländern ständig fortschrittliche weltraumgestützte Situationsbewusstseinssysteme.

Angesichts des großen Stromverbrauchs weltraumgestützter Geräte und unkoordinierter Datenverarbeitungsverfahren sind die aktuellen SSA-Systeme jedoch durch die Anzahl der Detektoren, die Erkennungsfähigkeiten und die Standortverteilung beschränkt und besitzen daher nur gleichzeitig bestimmte Funktionen. In diesem Fall können die Systeme keine genaue Kenntnis aller Weltraumziele in Echtzeit realisieren, sondern nur für Aufgabenanforderungen. Daher wird die umfassende Lageerkennungsfähigkeit der weltraumgestützten SSA zu einer Notwendigkeit.

Anschließend überprüfte und diskutierte der Autor die Eigenschaften optischer Sensoren und Verarbeitungstechnologien, die eine Rolle bei der genauen Erfassung der Daten von Weltraumzielen spielen. Mit den Vorteilen hoher Empfindlichkeit, schneller Übertragung und starker Entstörung werden optische Sensoren als Sammler von Objektdaten auf das weltraumgestützte Situationsbewusstsein angewendet. Die Datenverarbeitung stellt die Technologie der Verarbeitung und Analyse großer räumlicher Daten dar und wandelt sie in Schlüsselinformationen der Ziele um. Die zunehmend riskanten Ziele erhöhen jedoch die Anforderungen an die Verarbeitung massiver Daten und wirken sich auch auf die Genauigkeit und Aktualität des Situationsbewusstseins aus. Daher werden Datenspeicherung, Filterung und Fusion der Reihe nach überprüft und diskutiert.

Anschließend präsentierte und analysierte der Autor die Technologien zur Zielerkennung. Erstens war die Objektidentifikation der Kernbereich der Zielerkennung in der weltraumgestützten Situationswahrnehmung. Laserradare waren bei der Objektidentifikation als Sensoren vorherrschend, während maschinelles Sehen und ANN als fortschrittliche Identifikationsalgorithmen intensiv erforscht wurden. Zweitens muss die Parameterschätzung als wesentliche Voraussetzung für die Erfassung genauer Informationen über Weltraumobjekte in der SSA nach der Objektidentifikation durchgeführt werden.

Bisher wurden verschiedene Parameterschätzungstechnologien für Weltraumobjekte genutzt. Photometrische Technologien waren ausgereifter entwickelt, während optimale Schätzungstechnologien fortschrittliche Algorithmen in der künstlichen Intelligenz hervorbrachten. Drittens war die Absichtserkennung der Prozess der Absichtswahrnehmung und Verhaltensableitung von Weltraumobjekten durch beobachtete Aktionen und Auswirkungen auf die Situationen, die wesentlich waren, um die Qualität der Frühwarninformationen zu verbessern und die Anzahl der Warnungen zu reduzieren und so die Sicherheit zu gewährleisten. Im Vergleich zu den ausgereiften Objektidentifikationstechnologien muss die Absichtserkennung jedoch eingehender erforscht werden.

Darüber hinaus ging der Autor auf die Entwicklung der Zielüberwachungstechnologie ein. In der stabilen Phase konzentrierten sich Zielüberwachungstechnologien auf Orbitalvorhersage, Verfolgung und Manövererkennung, während Frühwarnung und Kollisionsvermeidung die riskante Phase dominierten.

(1) Orbitalvorhersage von Weltraumzielen als Grundlage von Kollisionswarnmechanismen und Satellitenmess- und Kontrolltechnologie war zu einem Forschungsschwerpunkt im SSA-Bereich geworden. Dennoch sind die Einschränkungen der aktuellen orbitalen Vorhersagemethoden die geringe Genauigkeit von dynamischen Zielmodellen, Sensormessungen und Orbitalbestimmung. Beispielsweise erzeugten Luftwiderstandsmodelle große Unsicherheiten für die Bahnvorhersage in erdnahen Umlaufbahnen. Daher hat der Autor die Orbitalvorhersagemethode basierend auf analytischen Vorhersagemodellen und maschinellen Lernalgorithmen entwickelt.

(2) Umlaufbahnbestimmung und -verfolgung waren beides wichtige Abschnitte der Zielüberwachung. Sie waren eng miteinander verbunden gewesen, wobei die Bestimmung der Umlaufbahn die Prämisse und die Verfolgung der Umlaufbahn der Ausführungszweck war. Allerdings steht nur die Sichtlinienbeobachtung von den optischen Sensoren zu den Zielen ohne Entfernungsangabe zur Verfügung. In Anbetracht dessen, dass alle Annahmen erfüllt sind, einschließlich linearer Dynamik, Rollflug, Einzelsensor und des im Massenmittelpunkt fixierten Sensors, benötigt die bekannte Nur-Winkel-Orbitalbestimmung Lösungen für die fehlende Beobachtbarkeit der Entfernung. Daher diskutierte der Autor die Entwicklungen von Nur-Winkel-Bestimmungsalgorithmen und eine Reihe von verbesserten Filterverfolgungsalgorithmen.

(3) Die Erkennung der Manöver von Weltraumobjekten mit abrufbaren historischen Daten ist zu einer wesentlichen Mission in der SSA geworden, insbesondere für aktive Objekte ohne verfügbare Betriebsinformationen. Eine Echtzeit-Erkennung ist erforderlich, um angemessen auf Anomalien von Raumfahrzeugen und mögliche Bedrohungen für nahe gelegene Weltraumanlagen reagieren zu können. Die Manöver der aktiven Objekte werden erfasst, wobei die Muster und Trends in Manövertypen und -stärken aufgezeichnet werden. So diskutierte der Autor die Entwicklungen der Sensitive Parameter Characterization Algorithms und der Joint Measurement and Processing Algorithms.

(4) Überwachungsfrühwarntechnologien besaßen signifikante Vorteile von großen Überwachungsbereichen, vielfältigen Verfolgungsmitteln und hoher Warngenauigkeit. Daher war die Frühwarnung vielversprechend, da die Mainstream-Richtung und die zukünftigen Trends sich auf weltraumgestützte Asteroidenwarnprojekte und die Verbesserung der Aktualität, Genauigkeit und des Vertrauens konzentrieren.

(5) Nach Erhalt der Frühwarnung vor Weltraumschrott und Asteroiden bestand ein wesentlicher Teil der SSA darin, Satellitenkollisionen vorherzusagen und zu vermeiden, um Weltraumressourcen zu schützen. Die Forschung zu Kollisionsvermeidungstechnologien konzentrierte sich auf Kollisionsvorhersage und Manöverstrategien. Der Kern der Kollisionsvorhersage waren Wahrscheinlichkeitsberechnungsalgorithmen, während Vermeidungsalgorithmen die Essenz des Strategiedesigns waren. Daher diskutierte der Autor die Entwicklungen der Kollisionswahrscheinlichkeitsberechnungsalgorithmen und der Manöververmeidungsalgorithmen und -strategien.

Abschließend fasst der Autor die vier wichtigsten Schlussfolgerungen und Erkenntnisse für die wesentlichen Technologien zusammen:

(1) Für den Gesamtfortschritt der weltraumgestützten SSA werden volldimensionale und mehrstufige Domänenbewusstseins- und Überwachungssysteme aktiviert. Von Weltraumüberwachungssystemen wird eine größere Abdeckung, höhere Genauigkeit und kürzere Datenaktualisierung erwartet. Bei Systemgeräten wird die Arbeitsfrequenz vom niedrigen zum hohen Band geändert. Die festen Strukturen sind tendenziell flexibel, und es wird ein Leichtbaudesign implementiert. Darüber hinaus wird der Arbeitsmechanismus zum verteilten und vollständig digitalen Array entwickelt.

(2) Als wesentlicher Teil der SSA müssen Datenbanken für perfekte Zielmerkmale eingerichtet werden, um mehr Vorabinformationen für eine genaue und schnelle Situationserfassung bereitzustellen. Auf der Grundlage von künstlicher Intelligenz und Cloud Computing sollten die Entwicklungsstrategien von Big Data im Weltraum formuliert werden, um Informationstechnologien der neuen Generation zu fördern. Darüber hinaus werden ein effizientes Weltraumverkehrsmanagement und kommerzielle Dienste für eine höhere Nachhaltigkeit und Selbstschutzfähigkeit von Weltraumanlagen erwartet.

(3) Die derzeitigen intelligenten Algorithmen zur Zielerkennung und -überwachung verwenden hauptsächlich das Lernen kleiner Stichproben. Die meisten Modelle weisen nach der Bereitstellung eine langsame Inferenz auf und können Echtzeitanforderungen nicht erfüllen. Als nächstes weisen die aktuellen Algorithmen eine unzureichende Verallgemeinerung auf. Daher ist es notwendig, die Klassifikatoren verschiedener Kategorien in einem homologen Stichprobenraum zu entwerfen. Die Lerntransfers von heterogenen Daten sollten untersucht werden, um die Anpassungsfähigkeit des Modells an die Änderungen der intrinsischen Zielmerkmale in kleinen Stichproben zu verbessern.

(4) Multiagenten- und synergetische Konstellationsbewusstsein überwinden die Beschränkungen der Nutzlastzuweisung. Verkörperte Intelligenz und tiefes, allgemeines und evolutionäres Lernen können auf Multiagentensysteme und Konstellationen für eine realistische multimodale Interaktion angewendet werden und zur intelligenten Entwicklung von Situationsbewusstseinssystemen beitragen.

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