一种应用于空间碎片演化模型的碰撞概率算法

针对碰撞概率算法Cube模型参数影响空间碎片演化模型的仿真结果问题进行了深入分析与研究，并将原Cube算法进行改进，由此提出I-Cube模型。经过多次蒙特卡洛仿真结果验证，I-Cube模型对演化过程中空间碎片碰撞概率的计算更为准确合理，空间碎片长期演化模型的结果不再依赖于自身碰撞概率算法的相关参数，提高了空间碎片长期演化模型的稳定性与可信度。     

对美国宇航公司使用的轨道碎片模型的评价

文章介绍了碰撞程序和碎片程序,并进行了评价。前一个程序说明了碎片撞击的破裂特性;后一个程序给出了当一个空间物体进入碎片云时的撞击概率。     

航天器轨迹偏差的非线性非高斯预报方法

针对航天器轨道偏差传播问题,提出一种高斯和模型与状态转移张量结合的预报方法。该方法使用多个子高斯分布加权拟合状态偏差分布,再以高阶状态转移张量分别预报每个子高斯分布,以捕获偏差分布的非高斯性,减小预报误差。将其应用到航天器二体轨道问题中,对比分析不同方法的预报结果。仿真结果表明,该方法可以逼近Monte Carlo仿真的预报精度,并显著提高计算效率,对长时间预报问题,效率提高可达数十倍。该方法面向一般的非线性系统状态偏差预报问题,尤其在长时间仿真预报时兼具很好的精度和计算效率。     

地球静止轨道卫星撞击解体的数值模拟

分析了地球静止轨道（GE0）环内的物体现状,引入美国家航空航天局（NASA）的标准解体模型,给出了卫星撞击解体算法,编写了数值仿真软件,仿真研究了GEO卫星撞击解体形成碎片的特征及其轨道分布。结果表明：撞击会产生大量碎片,对空间环境造成长期的严重危害。研究结果对分析卫星撞击解体特性、保护空间环境有一定的参考价值。     

卫星成本预测的蒙特卡洛优化模型研究

传统的卫星成本预测模型预测结果单一，未考虑相应的不确定性因素。对此，提出了基于蒙特卡洛方法的卫星成本预测模型。该模型综合考虑了卫星成本技术的不确定性并给出了预测值的区间范围和概率分布。为了降低应用该模型所产生的误差，提出了最优分层抽样的方法，并通过划分分层区间提高了抽样的效率。最后，将收集到的相关数据代人该模型，其结果精度大约提高了10％左右。可见，使用优化的蒙特卡洛方法进行卫星成本预测具有较好的精确度。     

锥面共形阵列相干源DOA和极化参数的联合估计算法

针对共形阵列中的多参数联合估计问题,用交叉电偶极子对天线单元在锥面共形载体上构造极化敏感阵列并建立了快拍数据模型,在此基础上提出一种适用于相干源的多参数联合估计算法。该算法充分挖掘阵列中隐含的多个空域旋转不变结构,首先通过空间平滑预处理恢复子阵协方差矩阵的秩,实现信源的解相干,然后根据旋转不变子空间思想完成多个相干信源二维到达角和极化参数的联合估计。Monte Carlo仿真结果表明了算法的有效性。     

统计协方差方法及其与蒙特卡洛法的比较

本文对研究导弹系统模拟打靶的蒙特卡洛法与统计协方差法进行分析、比较。蒙特卡洛法简明、直接,但试验次数要求1000次以上,方能有仿真的效果。统计协方差法可以用来近似分析非线性系统,研究由输入干扰引起的围绕标准弹道的小偏差,一般效果比蒙特卡洛法好。     

Effect of Multi-wall System Composition on Survivability for Spacecraft Impacted by Orbital Debris

Long-duration spacecraft in low earth orbit such as the International Space Station (ISS) are highly susceptible to high-speed impacts by pieces of debris from past earth-orbiting missions. Among the hazards that accompany the penetration of a pressurized manned spacecraft are critical crack propagation in the module wall, crew hypoxia, and uncontrolled thrust due to air rushing out of the module wall hole. A Monte Carlo simulation tool was used to determine the effect of spacecraft wall construction on the survivability of ISS modules and crew following an orbital debris penetration. The simulation results indicate that enhanced shield wall designs (i.e., multi-wall systems with heavier inner bumpers) always lead to higher overall survivability of the station and crew due to an overwhelming decrease in likelihood of module penetration. The results of the simulations also indicate that changes in crew operations, equipment locations, and operation procedures can significantly reduce the likelihood of crew or station loss following an orbital debris penetration.     

疲劳裂纹扩展速率da/dN的蒙特卡罗模拟

用蒙特卡罗法模拟分析疲劳裂纹扩展速率,确定了算式中的参数分布规律及相关性。通过计算数据与试验数据的对比分析,证明蒙特卡罗法模拟结果合理、可靠。     

空间光学系统中内部构件热辐射引起的谱段杂散辐射

对空间光学系统中由于内部构件热辐射而引起谱段杂散辐射,建立了谱段辐射物理模型和采用蒙特卡罗方法计算的有关概率模型及计算方法。编制了较通用的分析软件,并针对某一空间光学系统进行了计算,通过分析计算结果得到一些有益的结论。     

远程自主接近轨道设计技术

对完成任务的运载火箭末级、失效卫星等空间非合作目标进行空间操作是复杂的,需要地面测控网与主动航天器的密切合作才能完成抵近及相应操作。以火箭末级残骸作为空间非合作目标,给出了远程自主接近的轨道设计方法。通过地面遥控上传的目标轨道参数,主动航天器进行自主异面机动、主动调相等多次点火,完成对非合作目标的远程接近,接近距离在50km之内,2016年6月底远征一号甲上面级的成功飞行验证了该方法和设计结果的有效性。     

A model for the evolution of the on-orbit man-made debris environment

A model for the evolution of the low Earth orbit man-made debris population is presented and the results of several test cases discussed. Debris sources include normal operations in space, explosions occurring on spacecraft in orbit, and collisions between objects in orbit; the stochastic occurrence of these deposition events is modeled using Monte Carlo techniques. A technique for discriminating between objects populating long-life vs rapid-decay orbits is discussed and applied to the analysis of debris contributions from collisions of comparable sized objects. In varying degrees, each of the cases presented indicate there is cause for concern for spacecraft and space operations from the 1990s onward-man-made debris will play a role which may vary from presenting a considerable hazard to certain operations or certain spacecraft to effectively prohibiting the use of certain spaceccraft or space operations.     

Debris area distribution of spacecraft under hypervelocity impact

Cross-sectional area is an important parameter for spacecraft breakup debris as it is the directly measured data in space observation. It is significant for observing and analysing the spacecraft breakup event to accurately modelling the area distribution of the breakup debris. In this paper, experimental study has been performed on debris area distribution characteristics of spacecraft under hypervelocity impact. The tests are carried out at the ballistic ranges of CARDC. Aluminium projectiles are launched to normally impact the simulated spacecrafts at about 3.0 km/s. The simulated spacecrafts are made up of aluminium plates, filled with some simulated electronics boxes, each of which was installed with a circuit board. “Soft-catch” devices are used to recover the breakup fragments. The test results show that: 1) the relationship between the cross-sectional area and the characteristic length of debris, which can be obtained in the logarithmic coordinates by linear fitting, represents the debris shape characteristic in a certain extent; 2) the area-to-mass ratios of fragments show normal distributions in the logarithmic coordinates; 3) debris made of different materials can be distinguished by different peaks on the distribution curves; 4) the area-to-mass ratio distributions can be expressed by a linear superimposition of several normal functions which represent the main materials of the spacecraft.     

用SGP4模型和卡尔曼滤波实现空间碎片轨道预报

文章将扩展卡尔曼滤波算法成功应用于求空间碎片的双行元初值及其轨道预报问题。首先推导出扩展的卡尔曼滤波求双行元的计算公式;然后针对地面观测站对空间碎片的监测进行了应用研究,编制了相应的计算程序并进行了数学仿真。结果表明该算法可以较准确地得到监测目标的双行元初值,从而可实现中长期轨道预报。     

无控航天器与空间碎片再入的工程预测方法研究现状

无控航天器、火箭末级以及空间碎片再入地球大气层后可能未烧尽,残存的小碎片高速撞击地面,对人类安全和生态系统构成极大威胁。提前预测其再入轨迹并采取预防措施能够有效降低地面风险。文章对无控航天器和空间碎片再入工程预测模型,包括航天器模型、动力学模型、气动热模型和烧蚀解体模型的研究现状进行跟踪与总结,也介绍了国内外有公开资料的工程应用软件,并讨论若干关键问题和进一步研究方向。     

航天器碰撞解体碎片分析软件SFA2.0及其应用

为了实现对航天器在轨解体事件及其碎片分布特性的快速分析,中国空气动力研究与发展中心(CARDC)开发了SFA(Spacecraft Fragmentation Analysis)软件。该软件主要基于CSBM航天器解体模型开发形成,同时集成了NASA的标准解体模型。SFA软件具有解体程度分析、解体碎片生成、碎片分布统计等功能,并可以实时显示计算结果、绘制统计曲线。文章着重介绍了SFA软件2.0版的功能模块、主要算法、界面及使用方法等,并针对Iridium 33-Cosmos 2251碰撞、Solwind P78航天器解体等在轨事件进行了分析。     

分离模块航天器综合评估方法研究

以分离模块航天器概念设计阶段的方案评估分析为目标,提出一种基于数学建模和蒙特卡洛模拟的定量化评估分析方法框架。首先,定义了分离模块航天器生命周期状态及其转移过程,建立了状态转移概率矩阵,将生命周期不确定风险因素在状态转移过程中加以考虑;进而,基于系统状态模型建立了分离模块航天器生命周期成本和净收益计算模型;然后,以生命周期成本和净收益的均值和标准差作为评价指标,提出了基于蒙特卡洛模拟的综合评估仿真分析方法;最后,采用典型设计案例进行了分析与验证。     

多孔铝板高速撞击声发射定位方法

目前,声发射定位技术在空间碎片撞击航天器事件中的撞击源定位问题中得到了广泛研究。在定位算法上,声发射信号传播机理的复杂性表现为输入量的随机性;多次撞击的复杂性则表现为声发射信号传播的弯曲路径。文章针对多孔铝板声发射定位问题进行研究,采用伽马分布对声发射信号传播的弯曲效应进行建模,采用相对时间差方法对声源进行定位,最后通过仿真分析对所提供的模型与算法性能进行了数值演示。该方法可应用于空间碎片撞击航天器的撞击源定位与损伤评估。     

The Investigation of Possible Approaches of Cataloged Space Objects to Manned Spacecraft

Initial orbital parameter errors are used to examine the miss distance between a spacecraft and an ensemble of tracked objects by a Monte Carlo-type analysis. The radial separation between orbits is evaluated and a keep-out zone is determined, which reduces the risk of collision to an acceptable level.An operational prediction methodology is suggested based on a catalog database, which identifies potentially hazardous approaches and computes the probability of collision for selected spacecraft. An example for the Mir Space Station is presented, which estimates the collision probability and the cross-sectional flux of cataloged objects for the time frame of interest. The results appear to be in good agreement with those of other space debris models.     

基于改进MCMC的波束内目标与诱饵联合参数估计

波束内目标与诱饵的参数估计是导引头正确实现目标分选、完成波束指向调整与精确跟踪的必要条件。目标与诱饵的“紧密接近”导致接收回波混叠,使得常规参数测量与估计方法失效。基于实际采样处理中目标回波能量会“溢出”到相邻匹配滤波采样点这一信号模型,通过贝叶斯原理从观测的条件似然以及未知参数的先验分布获取待估计参数的后验概率分布,采用Markov Chain Monte Carlo (MCMC)方法中的Metropolis-Hastings (M-H)抽样算法联合估计目标与诱饵的相关参数,并根据拖曳式诱饵干扰对抗的特点对M-H抽样进行了改进。各种典型干扰条件及动态攻击场景下的仿真试验表明了本文方法的有效性。