模拟帮助NASA的卫星保持在轨道上

Ansys软件支持飞行动力学，有助于减少空间碰撞的可能性

现在，有数千颗卫星绕着地球运行，还有几颗绕着月球运行。我们需要它们来进行天气监测、GPS导航、互联网以及对国家安全至关重要的天基监视等等。就像拥挤的高速公路上有太多的汽车一样，卫星也挤在同一个空间里——但它们以每小时数千英里的速度行驶。

更糟糕的是，所有这些活动都是在几乎没有任何正式标准或控制的情况下进行的。随着轨道上的卫星数量不断增加，任何碰撞事件只会产生碎片，让其他航天器不得不躲避，从而使问题变得更加复杂。

为了解决这些风险，正在努力发布将卫星送入轨道时要遵循的标准和行为规范。例如，NASA已经发布了NASA航天器连接评估和避碰最佳实践手册同样，美国太空司令部(USSPACECOM)发布了一份《太空飞行安全操作手册》详细说明了在轨结合评估和避免碰撞的过程。此外，美国联邦航空管理局(FAA)和联邦通信委员会(FCC)在颁发发射和运营许可证之前会审查运营商的防撞计划。

航天器运营商也在推广安全操作协议——事实上，Ansys是支持太空安全联盟的众多公司之一"太空行动可持续性的最佳实践"本出版物的目的是制定行业标准并改善世界各地的合作，以减轻日益严重的空间碎片问题。尽管如此，许多卫星运营商对如何回应这些建议仍有疑问。

“棘手的部分是如何实施这些安全和可持续的最佳实践，”空间探索工程公司(SEE)的所有者兼首席技术官约翰·卡里科(John Carrico)说，该公司设计、规划和运营了许多卫星任务。“我们知道每个卫星运营商都有确保他们的航天器能够完成任务的目标。幸运的是，当卫星运行团队以一种非疏忽的方式执行他们的工作时，它不仅保证了他们的任务安全，而且还防止了对其他航天器的伤害和干扰。虽然说我们希望以可持续的方式执行操作很容易，但它实际上需要精心规划的活动，依赖于精确的计算，而Ansys软件专门为实现这一目标而设计。”

模拟为NASA卫星提供更安全的通过距离

2014年2月，作为美国宇航局月球大气和尘埃环境探测器(LADEE)卫星飞行动力学团队的一员，卡里科在美国宇航局的艾姆斯研究中心进行轨道确定和规划机动。卡里科工作的一个重要方面就是使用Ansys Systems Tool Kit (STK)和Ansys轨道测定工具包(ODTK)分析卫星在太空中的轨迹，然后规划一个避免碰撞机动(CAM)，以防止它们与其他卫星或空间碎片进行不必要的接触。

最初在那个月晚些时候有一个轨道维护机动计划。在团队根据预测星历文件(特定时间航天器轨道的天文位置表)的交换分享了卫星的预期轨道后，看起来LADEE和另一个航天器——月球勘测轨道器(LRO)——将会靠得太近而不舒服。预测轨道中固有的不确定性使得碰撞的可能性太过危险，不容忽视。

当时，这两颗卫星都在绕月球运行。LRO的工作¹是绘制月球表面的地图，从而发现地球和太阳系的起源和演化²收集了有关月球大气结构和组成的信息。这是一项重要的科学工作。如果发生碰撞，这些努力将永久停止，美国宇航局将损失两颗价值数亿美元的卫星，并为其他卫星增加更多的碎片。根据STK和ODTK的预测，LADEE和LRO团队聚集在一起，决定推迟原定的空间站保持机动，从而使航天器能够在安全距离上相互超越。

这样的场景无论如何都不是“一劳永逸”的情况。商业和联邦航天器运营商都有专门的团队，不断接收卫星相对位置的最新信息，以及它们围绕地球或月球运行时任何可探测到的空间碎片，以避免碰撞的可能性。每颗卫星在其飞行过程中很可能会多次遇到其他卫星或碎片。有时最好的做法是不采取行动，而其他时候，缓解需要策略。这些演习必须提前做好计划——从几小时到一周——基于模拟预测。

规划不同的路线

当涉及不同机构的卫星时，模拟可以帮助填补缺乏国际标准留下的空白。例如，印度空间研究组织(ISRO)像美国宇航局一样，发射了一系列航天器，包括月船2号。月船2号由一个月球轨道器和一个月球车组成，它的目标是研究月球表面的成分和月球上丰富的水。碰巧美国宇航局的LRO也有类似的任务。

2021年10月，这两艘航天器都计划在极轨道上研究月球时彼此非常接近。利用STK，该团队确定航天器之间的距离将小于100米。在Ansys软件的支持下以及与NASA的共同协议下，ISRO根据这些信息执行了CAM，并根据新的轨道进行了计算，这将有助于两颗卫星在未来避免类似的近距离擦肩而过。

ITGlobe的首席执行官Ravnish Luthra说:“在月船2号轨道器和LRO的案例中，大多数可用的国际数据不一定能捕捉到成功规划这些演习所需的信息。”ITGlobe是Ansys公司支持ISRO的合作伙伴。“模拟为月船2号周围发生的事情提供了最真实的画面，使ISRO能够执行精确的CAM，并为未来规划不同的路线。”

虽然LRO的飞行可能不受一套明确的成文规则的约束，但它们得到了一个由科学家、工程师和其他专家组成的专门团队的支持，他们利用模拟来预测太空中卫星的轨迹。对于他们来说，Ansys仿真提供实时、准确的数据，具有近乎完美的精度，从而带来更多积极的结果。

对卫星避碰产生积极影响

由于如此多的政府和商业组织依赖卫星，我们需要应对拥堵的挑战，这可能最终阻碍我们将目光投向地球大气层之外的努力。卫星碰撞的结果——它们留下的大量碎片——有可能造成更大的拥堵，这可能导致更多的碰撞。

Ansys航空航天和国防销售企业客户经理Adam Gorski表示:“在碰撞过程中，超高速冲击和冲击波可以将整个结构撕裂。“一个卫星任务可以创造几十个轨道物体，包括卫星、有效载荷整流罩和废火箭级。然后发生了碰撞，一颗卫星变成了数千块可追踪的、潜在的灾难性碎片。”

虽然目前可能没有任何普遍接受的空间规则，但商业和联邦空间运营商正在努力为空间领域建立明确的标准和治理。通过协作数据和模型，模拟正在帮助建立一个重要的桥梁，使太空现在更安全。而且，一旦这些规则到位，模拟对于遵守它们将是必不可少的。

你最近的任务包括把卫星送入轨道吗?找出什么Ansys Systems Tool Kit (STK)和Ansys轨道测定工具包(ODTK)可以获得深空环境的态势感知并保护你的资产。

引用:

1. LADEE -月球大气尘埃和环境探测器| NASA
2. 月球勘测轨道器| NASA
3. “解释:印度的月球轨道器月船2号如何避免与美国宇航局的LRO相撞。”WION，更新于2022年6月1日。