近圆参考轨道脉冲悬停及其轨迹安全分析方法

基于航天器相对运动的C-W方程及其解析解,研究了空间相对悬停的脉冲控制方法,给出了相对悬停脉冲控制量的计算方法,降低了对空间悬停任务航天器控制推进系统的要求,有利于工程实现。以两航天器相对轨道机动过程中的碰撞概率计算方法为基础,对相对悬停的轨迹安全风险进行了量化分析。数值仿真算例显示,本文方法可实现圆或近圆参考轨道上的空间相对悬停,且缩短悬停轨道机动周期,有利于悬停效果的提升。悬停相对运动过程中,悬停碰撞概率的极值点与两航天器相对距离的最小值几乎同时出现。     

碰撞风险评估中的空间环境激励图方法

因航天器物理特征、空间环境扰动变化、预报技术和大气模型性能等既有不确定因素的存在，空间目标碰撞概率等与轨道预报相关的评估工作存在模糊度问题，无法准确描述碰撞风险水平。文章基于碰撞概率极值，简化气动力误差模型，量化计算轨道预报相关事务的边界；提出空间环境激励图和3σ区的概念，并给出具体实施方法以及空间碎片碰撞预警、空间物体陨落预报的计算示例。计算结果表明，该方法能较好应对轨道预报相关事务中的模糊度问题，可为相关航天工程实践和决策提供参考。     

基于仿真数据的空间实体轨道监测实现与推演评估

随着航天技术的迅猛发展,太空近地轨道航天器数量趋于增加,积累的大量空间碎片占用了轨道资源并对航天器构成威胁,需要对这些空间实体进行勘测,并建立相应的仿真系统。提出一种仿真数据和空间实体数据混合驱动的空间仿真工作流程,用于比较推演仿真数据和空间实体轨道真实数据。通过主动航天器对空间实体目标实时监测拍摄,运用镜头分割和关键帧提取、图像角点提取与匹配、基于深度学习的目标检测等方法对航天器拍摄的成像视频进行处理得到空间实体轨道数据,比较与推演仿真数据的差别,基于此差别评估推演仿真数据逼真度。     

面向空间目标相对轨道确定的编队优化方法

针对提高空间目标相对轨道确定精度的问题，研究了在主航天器轨道运动受限时，通过设计和优化辅航天器相对轨道要素的航天器编队优化方法。首先，介绍了基于扩展卡尔曼滤波的双视线测量相对轨道确定方法；之后，通过研究双视线测量下的空间目标定位误差变化规律，得到了减小定位误差的角度条件；然后，通过分析该角度条件和辅航天器相对轨道要素的关系，设计并采用遗传算法优化了辅航天器相对轨道；最后，数学仿真结果表明，设计的编队可保证目标相对位置估计误差收敛，优化后的编队可使目标相对位置估计误差减小至0.3 km且不超过1.2 km。     

卫星快速绕飞轨迹设计与制导

快速绕飞在航天器近距离观测、空间目标识别与侦察、在轨服务与应急情况处理活动中具有重要应用。首先建立了适用于目标航天器运行在圆轨道或椭圆轨道的相对运动状态转移矩阵;然后,推导了采用多脉冲控制方法实现与目标航天器共面和异面快速绕飞、进入绕飞和退出绕飞的轨迹设计与制导的模型和算法;最后,分析了绕飞过程速度脉冲需求与绕飞参数的关系。仿真计算结果表明所提出的快速绕飞轨迹设计模型和制导算法可以用于对圆轨道或椭圆轨道目标航天器的共面或异面快速绕飞。     

美俄卫星碰撞事件验证及其对我国卫星的影响分析

北京时间2009年2月11日0时55分,美国铱星-33和俄罗斯宇宙-2251两颗卫星在太空相撞,在所在的高度产生了大量新增空间碎片,使得空间碎片环境更加严峻,低轨航天器运行遭受空间碎片撞击的风险大幅增加。文章通过碰撞前后轨道数据分析,确认并验证了此次碰撞事件;利用事前轨道数据进行碰撞预警分析,得出碰撞的相关的参数;通过分析此次事件产生的新增碎片的轨道数据,进一步验证确认碰撞事件;从空间碎片密度和通量角度分析其时当前空间碎片环境产生的影响;通过新增碎片寿命计算分析其对空间碎片环境的长期的影响;从碰撞概率出发分析对航天器运行安全的威胁。分析结果表明：我国低轨卫星在一定程度上增大了空间碎片碰撞风险,需要进行在轨空间碎片碰撞预警,以确保我国卫星的安全运行。     

空间物体椭圆轨道假设下碰撞通量计算与分析

利用陈氏模型,不依赖于气体动理论和泊松统计假设,对近地空间物体环境中环绕飞行航天器碰撞通量的计算问题进行了研究。分析运行在椭圆轨道上的空间物体通过指定区域的4种情况,推导得到碰撞通量关于物体穿越统计区域所用时间的表达式。文章亦对圆轨道和椭圆轨道假设作了比较,并以铱星86为例,讨论了两种假设情况下空间物体对它的碰撞通量。结果显示,随着统计区域厚度的增加,椭圆轨道假设下的碰撞通量从约为圆轨道假设的4倍减小到1.4倍;圆轨道假设下,计入统计的空间物体数量随着统计区域的厚度变化产生的波动较大,椭圆轨道假设下的统计目标数量在区域厚度取5 km时可达圆轨道的60倍。     

一种仿蝗虫腿空间缓冲吸附机构缓冲参数研究

针对空间机器人在太空高速工况下,难以平稳地着陆且黏附在目标航天器表面的问题,提出了一种仿蝗虫腿非合作空间缓冲吸附机构。为了得到机构最优的缓冲参数,使得其与目标航天器碰撞时不发生回弹且减小碰撞力以保护自身,提出了空间缓冲吸附机构碰撞缓冲的动力学模型,该模型研究方法基于连续碰撞力方程。通过对空间缓冲吸附机构的腿部胫节、股节以及整机的受力分析,求得其不同受力工况下的动力学方程。采用线性弹簧阻尼结构等效空间缓冲吸附机构碰撞缓冲过程,建立空间缓冲吸附机构碰撞动力学模型,并结合实际碰撞缓冲参数设计出空间缓冲吸附机构碰撞过程的刚度系数和阻尼系数。最后利用动力学仿真进行校验,结果表明用此方法,机构所受碰撞力大幅减小且不发生回弹,证明了方法的合理性。     

空间碎片环境的现状,未来及防护

在调研国外碎片研究活动基础上,分析了空间碎片的类型、增长及空间分布规律,根据气体动力学理论,估算了航天器与轨道碎片的碰撞几率和碰撞速度,介绍了NASA的“PIB”近地轨道空间碎片环境予示模型,关于空间碎片问题的对策,综述了国际上已采用的一些予防措施,清除空间碎片的各种技术方案正在深入研究之中,该文只作了一般概念性介绍。     

航天器相对运动水滴型悬停轨道研究

对航天器相对运动的C-W方程进行了分析,提出了航天器相对运动轨道设计中的一种水滴型悬停轨道,能够实现航天器相对空间目标在一定范围内进行悬停,并且只需使用脉冲速度增量控制即可实现长时间的悬停。文章对悬停轨道的悬停周期与目标航天器轨道参数和悬停位置的关系,以及悬停控制所需的速度增量ΔV进行了分析,给出了进行悬停轨道选择及设计的工程方法,并对C-W方程的状态转移矩阵进行了推导,得到了由常规的后方伴飞轨道使用脉冲速度控制方案进入目标星正下方的悬停位置的初始速度增量、转移时间及末端速度增量。根据分析结果,水滴型悬停轨道有利于工程实现,其设计方法可以应用于航天器在轨服务、侦察、巡视等任务的轨道设计。     

空间目标碰撞预警技术研究综述

随着在轨空间目标数量的不断增加,空间目标碰撞预警工作变得越来越重要。通过对国内外相关文献的调研分析,对空间目标碰撞预警的相关技术及其研究进展进行了全面地介绍。给出了空间目标碰撞预警的总体框架、关键技术和涉及的理论问题,对主要技术问题的研究进展进行了综述,提出了一些需要解决的问题,可供从事空间目标监视和碰撞预警等任务和研究的技术人员参考。     

Space patrol: Variants of the optical barrier scheme

Different variants of the space patrol system to be designed for discovering and cataloging space objects hazardous for the Earth have been investigated. The basic idea of this system is to create an optical barrier using the telescopes deployed in a heliocentric orbit. Difficulties (as well as ways of overcoming them) of this program are analyzed, associated with form and position of the orbit of a space object relative to the patrol spacecraft, determination of orbit parameters, and mutual motion of space objects and the telescopes on spacecraft. The barrier’s schemes with scanning vertical or horizontal belts are considered. Some examples of observational conditions are presented for space objects crossing the barrier region: angular positions, velocities, distances, and numbers of days during which they are observed in the barrier region. The barrier’s characteristics are given for telescopes deployed in the orbits of the Earth and Venus.     

空间碎片减缓策略效果仿真

根据机构间空间碎片协调委员会(IADC)和欧空局(ESA)的空间碎片减缓要求,在建立航天发射、爆炸和碰撞模型,以及碎片演化机制的基础上,对常规发射(BAU)、禁止在轨爆炸(NO-EX)和全面减缓(MIT)三种空间碎片减缓策略条件下,对2000~2100年空间碎片环境进行了仿真计算。结果表明,禁止航天器在轨爆炸、对失效的卫星和火箭上面级实施离轨操作,以及在航天器的发射和运行中不产生或抛弃分离物等减缓措施是限制空间碎片数量增长的有效方法。     

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.     

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.     

Visualizing Impact Probabilities of Space Debris

We present a new method to assess and visualize the collision risk due to space debris for an orbiting spacecraft. It is based on a parameter space derived from Öpik's studies of close approaches between small Solar System bodies and the planets. By means of this representation, many useful insights into the dynamics of the overall debris population with respect to a selected target can be obtained. The method can also be applied to estimate the increase in impact hazard (e.g., for the International Space Station) associated to fragmentation events occurring on a specific orbit.     

空间碎片绳网捕获拖曳恒张力控制

针对空间绳网系统捕获空间碎片后，在轨道转移过程中的精确控制问题，提出一种使用常值拉力将空间碎片拖曳至坟墓轨道的方法。首先，采用牛顿欧拉法建立绳系组合体动力学模型；其次，通过李雅普诺夫方法证明仅使用恒张力即可实现拖曳过程的稳定控制；再次，提出采用常值拉力切换控制律抑制空间碎片的姿态章动，采用基于相平面控制原理的控制律抑制绳系组合体面内面外摆动，规避在轨道转移过程中系绳松弛造成缠绕、系绳张力过大造成断裂或两星接近发生碰撞等风险。最后，通过拖曳离轨全过程仿真分析，校验了所提出控制方法的有效性。     

Tether satellite system collision study

A study was performed to determine the probability of collision with resident space objects and untrackable debris for the tether component of the Tethered Satellite System (TSS) after it broke away from the space shuttle orbiter (mission STS-75) in February 1996. Both an analytical and a numerical approach were used in this study, and the results obtained with these two methods were found to be in good agreement. These results show that the deployed tether is expected to have been impacted by several particles 0.1 mm or larger in size. The probability of collision with objects 10 cm in size or larger was on the order of 10⁻³ per month. Since the severed tether reentered within one month after deployment, the collision hazard to other objects while in orbit was small. The analytical methods used in this study are general and can be applied to future tether collision evaluations.     

空间碎片现状与清理

分析了空间碎片的严峻现状和空间碎片的10个来源,指出轨道碰撞是产生碎片最多的因素;介绍了空间碎片的观测方法、原理和观测系统的概况,包括正在兴建的观测系统——“空间篱笆”。最后,根据不同轨道高度和空间碎片的数量与大小,提出空间碎片清理原则、要求和9种清理方法。