自主卫星轨道碎片避让系统和方法
【专利说明】自主卫星轨道碎片避让系统和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请与递交日期为2012年5月7日的编号61/688071的美国临时申请相关。
【背景技术】
[0003]外太空具有如同在太空碎片委员会，美国国家研宄理事会；轨道碎片:技术评估；美国国家科学院出版社，ISBM-10:0-309-05125-8 ;华盛顿，1995 (Committee on SpaceDebris, Nat1nal Research Council ；0rbital Debris: A Technical Assessment ；Nat1nal Academy Press, ISBM-10:0-309-05125-8 ；ffash., DC 1995)中所述的相当大数量的碎片。特别是在过去的四十年里，该地球周围的碎片由已经位于轨道上的整个卫星或者卫星的零件以及运载火箭生成。如P.Hattis在日益严重的轨道碎片的威胁；德雷帕实验室；为了更好的生活的更美好生活中心(P.Hattis in The Growing Menace of OrbitalDebris ；Draper Laboratory ；Livebetter Center for a Better Life)中所述，这些物体中的数个被有意地毁坏、无意地爆炸或者有意地爆炸以生成小碎片。在高于地球大气层的轨道中生成的如此碎片将无限期地停留在那里。目前已经意识到碎片对于运营卫星造成影响的问题，并且如D.Ba1cchi和William Welser IV在面对空间碎片；兰德公司；ISBM-978-0-8330-5056-4(D.Ba1cchi and William Welser IV in Confronting SpaceDebris ；Rand Corporat1n ；ISBM-978-0-8330-5056-4)中所述，许多发达国家已经采取措施来缓解碎片的进一步增加。数十年来，已经意识到应当实现碎片清除，但是经济、法律和政治问题使得仍未有任何成果，如本人在Rouge商业对地同步通信卫星；IEEE广播会干丨J ;BC_33，N0.1 ；1987 年 3 月(Rouge Commercial Geosynchronous Communicat1nsSatellites ；IEEE Transact1ns on Broadcasting ；BC-33, N0.1 ；March 1987)中所述。
[0004]通信广播卫星的建造、发射和保险费用通常需要多达2.5亿美元。这些卫星通常具有15-18年的设计寿命。除了由于与轨道碎片碰撞造成的损失成本之外，卫星可以为以百万计的客户提供服务并且其替换通常花费三年时间。这导致客户服务和运营收入的一系列损失。
[0005]因为碎片对于运营卫星具有危害并且轨道碎片的数量仍然在增加，尽管这一增加具有比以往更慢的速率，一些卫星操作者(包括载人国际空间站)从地面雷达获取碎片位置和轨道的信息，尤其是从美国政府的NORAD雷达站获取信息，并且发送命令以使运营卫星移动，因此这些运营卫星的轨道避免与碎片的碰撞。地面雷达数据随着到碎片的距离的增加并且对于尺寸更小的碎片变得不太有效。
[0006]发明目的
[0007]根据本发明的一种用于卫星轨道碎片避让的系统和方法允许运营卫星自主或者半自主地避让轨道碎片。
[0008]本发明所提供的创新的有益效果允许卫星操作者不需要地面站提供轨道碎片评估和所需对策。
[0009]卫星上的碎片追踪能够更加优秀，因为地面站雷达必须解决由大气层和电离层引起的衰减和误差。
[0010]卫星通常具有球状体的几乎全视图，因为碎片能够来自任意方向，而单一地面站实际上能够看到球状体稍低的一半。
[0011]数个地面站能够克服以上所指的覆盖范围缺陷。一个同步卫星需要三个经度上相隔大约120度的地面站，并且更低的轨道卫星需要远多于三个地面站。这样的地面站价格昂贵并且具有包括其间相互通信在内的高昂的运营成本。
[0012]因为通常已经包含了大量计算能力而使得较大的卫星上的根据本发明的自主碎片避让系统的内含物尤其有效，这使得适度的设备和程序设计附件是可行的，并且卫星中现有的计算机子系统的结合是尤其有效的实施方式。
[0013]除上述以外，操作者可以很容易地在不再添加任何硬件以及仅很少的软件附件的情况下添加其它补充能力。除确定使得卫星的推进燃料消耗最少的避让轨道之外，卫星还可以确定所选择的避让轨道是否安全避免了与其它卫星和其它碎片的碰撞。卫星还可以确定所选择的避让轨道对于卫星系统运营性能的影响。
[0014]自主卫星避让的一个重要的有益效果是操作速度，尤其对于地面站可能无法看到或者很难追踪的随机小碎片。地面站采集、处理、将避让数据转播到卫星以及转播所需的正确接收确认所需要的额外时间可能允许碰撞发生。
【发明内容】
[0015]在一个实施例中，卫星被建造为具有这样的一个系统，该系统具有轨道碎片追踪子系统以使用微波或光(LADAR)频雷达或类似的传感器/探测器来探测和追踪物体。探测和追踪设备能够包括更高频微波或激光雷达，这些更高频微波或激光雷达在特定环境下可以是较优的，因为其碎片尺寸和运动的分辨率更好，卫星上所需要的天线将更小并且大气层衰减不构成问题(因为卫星和碎片通常远高于大气层)。卫星具有机载计算机能力，如果碰撞可能发生，该机载计算机能力根据其雷达/激光雷达数据并且根据其自身轨道的数据(从诸如恒星、地球和太阳传感器、GPS接收器之类的机载传感器得到、和/或由其地面控制站通过卫星的命令子系统发送的存储数据得到)进行计算。如果碰撞很有可能，计算机对避免此碰撞的卫星轨道的最小改变进行计算并生成命令以用于对机载轨道控制推进器进行点火以推进卫星到避让轨道中。除雷达/激光雷达，大多数大型的现代通信广播卫星目前具有上述机载传感器以及具有推进器的推进系统。
[0016]来自卫星的探测、追踪和碎片避让从根本上优于包括来自地球站在内的其它任何地方所进行的探测、追踪和碎片避让。碎片轨道是随机并且大量的，从而导致可能的碰撞路径来自卫星周围的球状体中任何地方。由于通常还受到非连续覆盖以及无法在诸如光学频率之类的各个频率处高效地穿透大气层的限制，尤其难以从地球站探测到较小的快速移动的碎片。因为，在许多情况下，避让必须在非常短的时间段内完成，站与卫星之间的命令传输时间以及之前提到的其它因素的原因使得卫星中的自主操作比由地球站执行相同操作更快。
[0017]以下对于自主碎片避让操作的说明按照分立计算机处理器进行描述。实际上，它们是软件程序。实施软件程序的最佳途径是建立在特定卫星上的计算机/处理器设备上。因为许多更大的卫星已经具有拥有大存储器的大型计算机，碎片避让软件程序中的许多或全部可以被集成在这些计算机或其用于此用途的适度扩展中。
[0018]大型卫星由于碎片碰撞的损失可以是非常主要的运营和经济灾难。在运营上，每个大型商用通信广播卫星可以为数以百万计的客户提供服务。轨道卫星容量通常具有很少备用容量，并且这些卫星操作者通常没有替代物，特别是对于计划外事件。尤其注意到，该类型的替换卫星的生产和发射至少花费3年且通常更长。替换成本至少为2.5亿美元。
[0019]相应地，本申请中说明了一种避免与轨道碎片的碰撞并且解决上述问题的卫星系统。卫星系统包括轨道碎片追踪工具、轨道确定处理工具、星历处理工具、碰撞计算工具、卫星避让轨道处理工具以及卫星避让命令处理工具，轨道碎片追踪工具适用于提供在卫星附近的完整球形包络中探测到的各块碎片的追踪数据流。
[0020]各个工具能够以适用于对本申请中所述的功能中的一个或更多进行执行的一个或更多分立或继承装置或软件来提供。具体地，轨道确定处理工具适用于从轨道追踪工具接收追踪数据以计算碎片的轨道。星历处理工具适用于从轨道处理工具接收碎片轨道数据并且从机载传感器和/或卫星的计算机接收卫星轨道元素数据。
[0021]此外，轨道确定处理工具适用于提供碎片的碎片轨道元素数据，碎片轨道元素数据包括半长轴、离心率、倾角、升交点的赤经、近地点的幅角、周期、近地点的时间以及它们的方差。此外，星历处理工具适用于计算碎片的未来位置相对于卫星的未来位置的位置星历数据。而且，碰撞计算工具适用于从星历处理工具接收一块碎片的位置星历数据以及卫星的位置星历数据。
[0022]目前的卫星设计包括低推力、高效率电推进器以实现静止保持操作。因为这些系统仅能够进行小轨道调整，轨道修正必须以一定频率间隔进行，有时为每天两次。鉴于计划内的名义轨道调整的考虑，星历处理工具因而在对未来的可能碰撞进行考虑时必须了解进行中或者即将来临的静止保持操作。通常，碰撞避让可以通过碰撞避让轨道调整的添加、一个或更