0 引言
近年来，随着工业技术和航天科技的迭代创新，航天任务呈井喷式发展，致使在轨空间目标数量急剧上升。截至2023年底，全球累计实施6572次发射任务。全年共完成223次航天发射任务，发射航天器共计2945颗，约为2020年的2.3倍，仅美国太空探索技术公司（Space X）发射的“星链”（Starlink）卫星超过1200颗，未来计划将发射达42000颗[4]。根据欧洲航天局2020年底发布的统计信息，地球轨道上已经被不同尺寸的空间碎片所包围，其中，尺寸大于10 cm的空间碎片有3.4万个[5]，尺寸在1~10 cm的空间碎片有90万个，尺寸在0.1~1cm的空间碎片有1.3亿个。截至2022年，美国空间监测网已编目的在轨空间目标数量已超过2.5万[6]。
空间碎片日渐增多，空间环境日趋恶劣，严重影响航天发射和卫星在轨任务。大力开展空间碎片主动清除技术研制任务，尤其是失效航天器和火箭残骸等大型碎片，已经成为国际社会的共识[7]。美国宇航局很早就在ORION计划中提出使用地基激光技术清除空间碎片[8-9]，通过高功率激光烧蚀作用，改变碎片轨道使其坠入大气层烧毁，该研究解决了激光指向、控制，碎片轨道预测与修正等技术难题。近年，欧航局与瑞士ClearSpace公司合作，共同开展CleanSpace-1任务。该任务旨在验证利用机械臂抓捕装置在轨捕获空间碎片，并将其脱离源轨道引导致大气层烧毁的可行性，预计2025年发射并执行[10-11]。2021年，日本发射的“空间尺度寿命末期服务—演示验证”（ELSA-d）系统，用于在太空真实环境下，演示验证高度约550 km的低地轨道空间碎片交会、对接、离轨等技术及任务执行过程[12]。此外，国外许多学者对天基激光清除空间碎片技术进行了研究，结果表明，基于天基激光系统的空间碎片清除技术是一种可行方案[13-15]。
从以上国内外的研究来看，空间碎片主动清除技术研发成本高、周期长、收益比小，且大多采用一对一模式，一颗卫星只能清除一个空间碎片，费效比极低；即便是采用一对多模式，也需要通过多次轨道机动，抵近目标碎片，受限于卫星能源供应，可清除的空间碎片也是有限的。针对以上问题，作者设计了一种空间碎片清除方案，利用在轨卫星任务平台携带上百个捕获装置，采用电磁推射方式推出，可以批量清除空间碎片，提高了费效比，降低了任务成本。电磁推射只需提供电力能源，采用现阶段成熟的太阳能电池技术，即可保证充足的能源供应，实现能源闭环。本文通过三维可视化仿真技术，动态模拟空间碎片捕获过程，验证空间碎片清除方案的合理性和有效性，为广泛开展空间碎片主动清除应用研究提供可视化显示服务和数据验证支撑。
1 空间碎片清除方案
1.1 总体方案
在轨空间任务平台，搭载电磁推射装置，配备多个小型化的捕获装置，由运载火箭发射送入预定轨道。入轨稳定飞行后，首先选取对应的空间碎片进行计算分析，根据计算所得调整平台指向；随后通过电磁推射方式，将捕获装置推出，捕获装置进入转移轨道，最终与空间碎片交会，利用网绳等方式抓取目标，最终完成目标降轨，掉入大气层烧毁。方案的总体执行由以下3部分组成。
（1）在轨任务平台。在轨任务平台可以是卫星、空间站等航天器，应具备稳定的轨道控制能力和充足的载荷能力，确保能够携带电磁推射装置和捕获装置。平台应配备高效、可靠的能源系统，如太阳能蓄电装置等，确保为在轨平台提供稳定的能源供应。
（2）电磁推射装置。电磁推射装置应具备大型脉冲电源，以提供强大而稳定的电流，进而能够持续产生电磁推力，推动捕获装置，以高加速度向预定方向发射。
（3）捕获装置。捕获装置可采用复合材料制造，应具备轻质和高强度特性，确保在推射过程中的稳定性。捕获装置应设计合理的空间和结构，集成抓取工具，如机械臂或网捕单元等，便于抵近目标后完成空间碎片目标的捕获。
1.2 空间碎片清除过程
在轨平台跟踪抵近目标后，推射捕获装置，与目标碎片交会，最终捕获目标。具体流程如下。
（1）选取目标碎片。根据空间碎片清除任务需求，分析空间碎片的威胁等级和清除目标所消耗资源数量，据此选定拟清除的目标碎片，执行轨道外推计算，保存数据结果。
（2）目标跟踪测量。在轨平台沿预定轨道飞行，当目标碎片进入可视范围后，平台对其进行跟踪测量，完成相对运动分析计算，并提取目标碎片相对运动参数。
（3）计算推射方位指向。根据所得目标碎片轨道及相对运动参数，计算在轨平台预指向姿态，并确定电磁推射装置的方位指向。
（4）执行推射捕获装置任务。根据所得推射方位指向，将在轨平台调整到对应指向，执行电磁推射指令，推出捕获装置。
（5）捕获目标。捕获装置经在轨二次推射，执行轨道机动，沿转移轨道向目标碎片加速飞行，最终抵近目标碎片并完成交会捕获任务。
1.3 捕获方案及方法
在轨平台沿预定轨道飞行，根据轨道参数和目标空间碎片轨道，计算击发点，即推射捕获装置时刻的空间位置坐标。当平台飞行到击发点时，推射出捕获装置，使其沿转移轨道飞行，最终在某一位置捕获目标，该位置坐标称为捕获点。
在任务过程中，考虑到平台的能源供应和电磁推射能力的约束，捕获装置所能获得最大加速度值和飞行时间应进行约束设定，以保证捕获装置飞行距离限定在合理的范围内。已知在轨平台的初始轨道参数和运行状态，以及捕获装置最大加速度和飞行时间约束值，即可计算其飞行的空间区域范围。只有当目标碎片轨道与捕获装置的飞行区域范围存在交集，即具备捕获目标碎片的时间窗口，才有可能捕获目标。而在整个过程中，可能存在一个或多个捕获时间窗口，即一个或多个捕获方案如图1 所示。
2 可视化仿真软件设计
2.1 功能结构设计
空间碎片清除可视化仿真软件主要对空间碎片清除任务过程进行动态三维可视化演练，完成空间碎片清除方案的功能性和可行性验证。软件的功能结构如图2 所示，主要包括基础算法、空间目标管理、策略分析、仿真推演和可视化渲染5部分。
（1）基础算法。基础算法为软件提供科学、精准的数值计算功能，主要包括时间转换、坐标转换、轨道计算、姿态计算等核心算法，为空间碎片清除捕获任务中的策略分析和仿真推演提供时间、轨道、姿态等数值计算服务。
（2）空间目标管理。空间目标管理主要对软件当前所编目的空间碎片进行管理，主要包括TLE数据解析、空间碎片分类与选取、数据统计分类、数据展示等功能，为各模块提供空间目标的基础轨道数据参数和数据输入。
（3）策略分析。策略分析主要为软件提供可行的捕获策略分析和策略优化支撑，主要包括清除目标可行性分析计算、策略优化、策略显示等功能。策略分析基于仿真基准时间和星历时间，计算生成对应可清除的空间碎片目标清除捕获策略方案，能够依据内设条件，完成数据分析并剔除不满足要求的策略方案数据，将最终结果显示于软件界面。用户可从中挑选出可行的策略进行仿真推演。
（4）仿真推演。仿真推演主要为软件提供空间碎片清除过程中的仿真控制和数据推演功能，主要包括数据装载、数据推送、仿真速率控制等。通过挑选出可行的策略，将数据导入可视化场景平台，基于实时驱动机制，生成动态演练的可视化任务场景，推演在轨平台飞行轨迹、推射捕获装置过程、目标碎片的飞行轨迹、捕获装置飞行过程，以及最终命中状态等。在仿真推演过程中，支持仿真速率控制，包括加速、减速、暂停等控制操作。
（5）可视化渲染。可视化渲染主要对选定的在轨平台、捕获装置、空间碎片目标等进行三维建模，支持空间碎片清除任务的三维场景显示，可视化显示空间碎片清除任务的整体态势。基于拟定的空间任务场景，可视化渲染能够集成轨道机动方案和算法，可视化显示整个任务过程，并支持在轨平台姿态调整、轨道机动等工作过程及状态的关键事件显示。
2.2 层次结构设计
空间碎片清除可视化仿真软件使用分层结构设计，其层次结构如图3 所示，主要包含基础数据层、基础模型服务层、业务逻辑层和数据表现层4部分。
（1）基础数据层。基础数据层作为软件的数据接口层，主要包括基础数据、轨道根数数据、模型文件库、瓦片数据等，为基础模型服务层提供数据支撑。
（2）基础模型服务层。基础模型服务层主要为软件提供基础服务和科学计算方法，包括轨道计算模型、策略优化算法、网络服务和地图服务等，可为业务逻辑层提供网络通信、数据请求和算法调用等服务。
（3）业务逻辑层。业务逻辑层主要调配和集成基础模型服务层所提供的基础服务和计算方法，结合相应的业务，完成数据计算和逻辑处理，最终生成数据表现层所需要的数据，比如轨道解析数据、策略分析数据、仿真推演数据、可视化显示数据等。
（4）数据表现层。数据表现层为软件可视化显示的应用提供输入输出接口，并将轨道数据、策略分析数据、仿真推演数据、可视化显示数据以不同的方式显示在界面，完成对软件的控制和交互操作。
2.3 业务流程设计
空间碎片清除可视化仿真软件整体业务流程如图4 所示。
首先启动空间碎片清除可视化仿真软件，同时软件将自动导入空间碎片轨道数据，完成数据解析、分类等操作，供界面分类展示；其次，在交互界面完成飞行平台轨道及其他参数设置，并选择任务过程中拟清除的空间碎片目标，执行仿真计算后得出结果，经分析过滤后生成捕获策略输出到软件界面；再次，在界面选择任一捕获策略发送到三维场景可视化窗口，输出空间碎片清除任务可视化场景；最后，通过仿真推演控制实时发送场景驱动数据，开始任务仿真推演，三维场景接收到仿真数据后，同步动态展现整个任务流程。
3 仿真试验验证
3.1 试验条件
为快速完成可视化试验验证，本文做如下假设和条件限制。
（1） 将地球定义成半径为6378137 m的圆球，基于二体运动模型进行计算，不考虑其他摄动影响。
（2） 在轨平台在击发点推射捕获装置，瞬时完成加速，推射过程中在轨平台位置保持不变。
（3） 假定平台轨道为圆轨道，支持平台轨道高度、倾角、在轨时间等参数的设定。
（4） 为模拟平台的能源供应和电磁推射能力受限，设定在轨平台所提供的瞬时速度增量上限值为200 m/s，最大飞行时长为5000 s，可将捕获装置推射后飞行区域限定在一定空间范围内，速度增量上限可根据计算结果选择最优值。
（5） 低轨道空间碎片最具代表性，因此将其作为试验目标；空间碎片目标采用TLE两行轨道根数，编目空间目标数量为489。
（6） 仿真任务基准时间定为2023年10月1日中午12点整。
试验中所编目的空间碎片分布情况如表1 所示。
表 1 空间碎片分布情况Table 1 Space debris distribution |
| 轨道高度/km | 分布数量 |
| 400~500 | 101 |
| 500~600 | 139 |
| 600~700 | 74 |
| 700~800 | 140 |
| 800~90 | 32 |
| 900~1000 | 2 |
3.2 仿真演示方法与步骤
空间碎片清除可视化仿真软件依据仿真计算生成的捕获策略进行任务场景动态演练，通过仿真数据，驱动三维可视化场景，动态展示空间碎片清除捕获任务执行流程，以此检验空间碎片清除方案的功能、技术可行性和有效性。
所述捕获策略是指在设定在轨平台轨道高度、飞行时长、限制初始速度增量等条件下，对当前场景中的空间碎片目标进行计算分析后，生成的空间碎片清除捕获方案，包括被捕获目标信息、捕获装置的击发时刻、击发位置、初始速度、速度增量以及命中目标的时间等数据。其中，捕获策略为一对一捕获，即一条捕获策略对应捕获一个空间碎片目标，而对于某一目标可能具有多条捕获策略，如在不同时间点推射捕获装置，具有不同的初始加速度，均能完成轨道转移捕获该空间碎片目标。试验测试流程如图5 所示。
试验测试共包括7个步骤：
（1）设置参数。通过界面设置在轨平台轨道高度、倾角、在轨时间等参数。
（2）选择目标。在界面选择需要清除的空间碎片目标数据。
（3）仿真计算。通过目标信息和轨道参数等计算生成捕获策略，结果显示于软件界面计算窗口。
（4）选择捕获策略。查看窗口是否生成捕获策略，未生成则重复步骤1~步骤3。如果已生成捕获策略数据，则任选其中一条数据。
（5）发送捕获策略。选中策略后，点击“发送捕获策略”按钮，即可完成捕获策略发送，三维场景可视化窗口自动刷新，完成任务场景初始化设置。
（6）仿真推演控制。通过控制面板调整场景仿真状态，包括仿真开始、退出、加速、减速、暂停等。
（7）可视化渲染显示。三维可视化窗口根据驱动数据生成动态渲染场景，演示任务流程。
3.3 演示验证过程
完成在轨平台轨道高度、倾角、在轨时间等参数设置后，通过界面选取空间碎片目标，如图6 所示。
依据轨道参数进行仿真计算，生成捕获目标策略，将策略发送到三维显示窗口，如图7 所示。
三维可视化窗口接收到捕获策略和仿真数据，生成动态渲染场景，如图8 所示。
任务计算于时间12:11'50"推射捕获装置，捕获装置沿转移轨道飞行，如图9 所示。捕获装置抵近空间碎片，最终完成捕获装置与空间碎片的交会，如图10 所示。捕获装置在13:11'36"捕获空间碎片目标，如图11 所示。
3.4 试验结果分析
3.4.1 设定条件检验
基于试验条件（4）的设定，选择平台轨道高度为350 km时，在轨时间1.5 h生成的捕获方案中，选择前20个目标碎片进行数据分析，验证实验数据是否满足试验条件约束，捕获方案数据如表2 所示。
表 2 捕获方案数据Table 2 Capture scheme data |
| 击发时刻/s | 飞行时间/s | 速度增量/m·s−1 | 目标碎片 |
| 3281 | 3938 | 85.4353311541029 | 00369 |
| 3991 | 4893 | 159.88467481124354 | 00614 |
| 1682 | 3155 | 125.0164524758764 | 00735 |
| 4221 | 4015 | 150.01768053684685 | 01982 |
| 2055 | 3854 | 138.38499221483627 | 03597 |
| 465 | 4059 | 170.35806040653554 | 13736 |
| 433 | 3508 | 131.50705483083505 | 13923 |
| 4365 | 3190 | 120.91626456327687 | 22829 |
| 5386 | 3854 | 100.94211719058531 | 24873 |
| 2181 | 4006 | 163.5661871554819 | 24883 |
| 2223 | 3790 | 146.2899096173421 | 24905 |
| 2530 | 3989 | 160.77070376805585 | 24944 |
| 63 | 3705 | 169.0639232025415 | 24950 |
| 367 | 4969 | 184.0069069217457 | 25041 |
| 2148 | 3875 | 152.1811590861353 | 25106 |
| 478 | 3910 | 75.80719384537954 | 25280 |
| 3727 | 3677 | 136.45459991579708 | 25531 |
| 5378 | 3908 | 115.7427443175273 | 25560 |
| 3296 | 3652 | 137.89211198474325 | 27376 |
| 367 | 4773 | 185.42653321331977 | 27651 |
以上结果验证了在轨平台在轨时间1.5 h内，捕获装置飞行时间均小于5000 s，速度增量均小于200 m/s的初始条件下，捕获方案的正确性和可行性。
3.4.2 在轨时间影响
选择平台轨道高度为350 km时，在轨时间分别为0.1 h、0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h条件下生成的捕获策略数量，用以验证在轨时间对捕获方案的影响，如表3 和图12 所示。
由图9 和表3 可知，在轨时间越长，生成的捕获策略数量越多，能够清除的目标碎片越多。
3.4.3 轨道高度影响
不同轨道高度下，平台在轨时间为1.5 h生成的捕获策略数量如图13 所示。
根据目标碎片的分布情况表3 所示，空间碎片主要分布在400~800 km高度，因此平台在350~850 km轨道高度范围内时，所生成的捕获策略数量差异并不大，这与空间碎片分布情况相吻合。
3.4.4 试验总结
本次仿真试验通过三维可视化技术完成整个空间目标清除过程演示，包括推射捕获装置、捕获目标等过程；通过参数设置不同状态的在轨平台，选择任意类型的TLE轨道参数，完成数据计算、现实仿真控制推演和动态全流程可视化演示。结果表明，满足速度增量上限200 m/s，捕获装置最大飞行时长5000 s的预定约束条件，空间碎片清除方案具备可行性和有效性，且在轨时间越长，可捕获目标数量越多。平台携带上百个捕获装置，能够在短时间内推射出多个捕获装置，实现空间碎片的批量捕获，具有较高的费效比。
4 结束语
本文基于空间碎片所存在的问题，提出了一种费效比较高的空间碎片清除方案，完成了仿真软件设计。通过三维可视化技术，实现了空间碎片清除方案任务仿真推演和动态可视化显示试验任务流程，为空间碎片清除策略、方法验证、试验可行性验证提供了高效的可视化工具，验证了空间碎片清除过程和捕获方法的有效性。空间碎片清除可视化仿真软件可为空间碎片主动清除任务试验提供可视化服务和数据验证支撑，未来能够拓展到其他在轨空间任务领域，具有重要应用价值和广阔的发展前景。