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。     

航天器碰撞分析方法研究

作为航天器碰撞与规避控制方法研究课题的一部分,为此分别建立了航天器及其它空间目标的轨道确定方法;并在此基础上,提出了可能与航天器碰撞的其它空间编目目标的初选准则和碰撞预报算法。实测数据计算表明,该方法对于航天器轨道设计以及飞行安全性分析等均是实用可行的。     

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。     

航天器撞击解体碎片的短期危害评估

讨论了航天器与短期碎片云碰撞概率的计算流程。基于碎片云中碎片的数量、航天器的横截面积和碰撞概率风险阈值,提出了“风险区域判据”的方法,用于快速判断筛选航天器是否存在与碎片云碰撞的风险。推导了基于NASA标准解体模型的碎片分离速度概率密度函数,建立了计算航天器与单颗碎片碰撞概率的时间积分算法。针对在计算航天器与整个碎片云碰撞概率时的数据量无限制增长问题,提出了近似简化的“准平均概率”方法,有效地解决了计算速度的瓶颈问题。分析讨论了航天器与碎片云的轨道误差对计算碰撞概率的影响。最后,采用仿真算例进行计算分析与验证。     

一种空间目标异动威胁评估的贝叶斯网络模型

针对现有空间目标威胁评估方法存在的指标选取单一、可信度较差的问题，通过分析空间目标威胁特点和特征指标的依赖关系，提出一种基于贝叶斯网络的威胁评估模型，该模型融合形态异常特征、轨道异常特征、历史行为等多源信息实现对空间目标威胁程度的综合评价。模型采用模糊隶属度函数对相对速度、相对距离等连续变量进行离散化隶属度表示，利用专家知识给出贝叶斯网络节点间的条件概率表。对抵近绕飞和碰撞两种典型空间场景进行仿真验证，结果表明该模型可以较为准确地刻画空间目标的威胁程度，具有一定实际意义。     

空间碎片环境的长期演化建模方法

针对空间碎片环境的长期演化问题，从宏观和微观两个方面，分别构建了碎片环境的整体演化模型和数值演化计算模型，并在此基础上研究了不同条件下碎片环境的长期演化分布特点，分析了碎片环境的稳定性和主要影响因素。低地球轨道碎片环境在未来200年内的演化结果表明，空间目标的相互碰撞解体，是空间碎片不断增加的主要因素；即使停止一切航天发射活动，空间碎片的数量仍在不断增加，表明低地球轨道空间碎片规模已经超越稳定临界点；进一步的发射活动会增强空间碎片环境演化的不稳定性，加剧“碰撞-目标解体-碰撞”反馈连锁碰撞效应。     

地球静止轨道卫星碰撞碎片短期演化风险分析

地球静止轨道(GEO)卫星与空间碎片发生碰撞后短期内会出现无地面观测数据的情况。为解决该问题,筛选了所有运行或穿越GEO区域的空间目标,分析了数值法和解析法在进行接近分析时的优劣势,给出了基于弦截法的接近分析数值求解方法,运用SDP4模型进行轨道预报。运用质量守恒和动量守恒对NASA标准解体模型进行修正,生成空间碎片信息。针对短期演化风险,在无连锁碰撞研究需求时进行假设,进而简化碰撞概率计算方法。对GEO区域内碎片的碰撞和穿越GEO区域碎片的碰撞2类事件进行分析,在碰撞完全解体和非完全解体2种条件下,分析3 d内碰撞产生的碎片对GEO区域的威胁程度。仿真实验结果表明:在完全解体的情形下,新产生的空间碎片3 d内与原有空间目标会发生100多次小于20 km的接近,最近距离降低到214.4 m。在无地面对新生成空间碎片观测数据的条件下,该研究为航天器规避机动提供参考,为下一步的长期演化分析提供理论借鉴。     

空间目标轨道信息软件平台的建设

空间目标轨道信息是空间态势感知的重要要素,是空间碰撞预警、空间碎片环境模型和许多空间应用的基础。因而,空间目标轨道确定成为空间态势感知的主要任务之一。文章介绍武汉大学测绘学院正在开发建设的空间目标轨道信息服务软件平台,该平台拥有的主要功能有:利用多源数据的卫星/空间碎片轨道确定(包括初轨确定)与预报、大气质量密度模型精化、空间碰撞预警和半解析法快速精密轨道传播等。文章还针对软件平台功能的研究进展进行了综述,介绍了软件平台发展规划。     

空间目标碰撞概率的等效矩形域快速算法

针对线性相对运动假设下的碰撞概率计算问题，提出了等效矩形域方法。利用该方法将概率积分计算进行近似处理，推导出概率密度积分的解析表达式。针对空间目标误差椭球形状固定的情况，给出了最大碰撞概率的计算方法。对目标在交会时刻相距较远和接近碰撞的情况进行了碰撞概率以及最大碰撞概率计算。通过将计算结果与空间压缩无穷级数法的对比，验证了等效矩形域方法近似计算碰撞概率积分的可靠性，同时对于不同的碰撞概率计算情况，等效矩形域方法显示出更高精确度和更好的估计偏差稳定性。     

碰撞概率对轨道误差和接近几何条件的灵敏度分析

基于显式表达式对碰撞概率的灵敏度进行解析分析,给出其对接近距离的RSW分量、轨道误差、接近角度和目标大小的两类灵敏度（绝对灵敏度和相对灵敏度）。以美俄卫星碰撞事件为例进行计算和分析,得到灵敏度的变化曲线和数值。该解析方法可以克服数值分析方法中普遍存在的使用不便、计算量大、精度不高等问题。     

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。     

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。     

PCE方法在空间实验室轨道预报误差分析中的应用

应用多项式混沌展开法(PCE)进行空间实验室轨道预报误差分析。通过构建PCE模型对轨道预报的不确定性传播过程进行近似，进而对轨道预报后航天器位置和速度的误差进行分析。分析了不同PCE模型阶数、预报时长以及样本点的数目对构建PCE模型的影响。综合考虑精度和计算效率，给出了适用于空间实验室轨道预报误差分析的PCE模型。将PCE方法与传统方法进行对比，结果表明PCE方法有较好的非线性近似能力，且计算效率高，验证了PCE方法应用于空间实验室轨道预报误差分析的有效性。     

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。     

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.     

Developing a Low-Velocity Collision Model Based on the Nasa Standard Breakup Model

We have conducted a series of low-velocity impact experiments to understand the dispersion properties of fragments newly created by low-velocity impacts possible in space, especially in geostationary Earth orbit. The test results are utilized to establish a mathematical prediction model to be used in debris generation and propagation codes. Since the expected collision velocity between catalogued objects in geostationary Earth orbit shows a peak at a few hundreds meters per second, these impact experiments were conducted at a velocity range lower than 300m/s. As a typical structure of satellites in geostationary Earth orbit, thin aluminum honeycomb sandwich panels with carbon fiber reinforced plastics face sheets were prepared, while the projectile was a stainless steel ball of 9mm diameter. The data collected through these impact experiments have been re-analyzed based on the method used in the National Aeronautics and Space Administration (NASA) standard breakup model 1998 revision. The results indicate that the NASA standard breakup model derived from hypervelocity impacts could be applied to low-velocity collision possible in geostationary Earth orbit with some modifications.     

非线性相对运动的飞行器碰撞概率研究

发展了一种非线性相对运动情况下的飞行器碰撞概率描述和计算方法。采用拟最大瞬时碰撞概率和总碰撞概率两个主要指标来定量描述飞行器碰撞的危险性，并针对这两个指标发展了相应的计算方法。对于拟最大瞬时碰撞概率的计算，首先需要在相对轨迹上寻找最小相对距离或最大概率密度的点，然后在这个点上计算拟最大瞬时碰撞概率。对于总碰撞概率的计算，由于总碰撞概率的增量可以表示成一个时间的函数，因此总碰撞概率的计算就是一个在时间域上的积分。所建立的这种描述和计算方法适用于相对速度和误差协方差矩阵随时间任意变化的情况。数值算例表明所提出的指标比单纯采用总碰撞概率能够更好的描述飞行器的碰撞危险性，并且碰撞概率的计算方法和线性相对运动情况下的计算方法是兼容的。     

地磁扰动期间低轨目标轨道预报的误差修正

针对地磁扰动期间大气密度变化造成的低轨目标较大的轨道预报误差,提出一种根据POES卫星观测的极光能量注入数据改进短期轨道预报的方法。分析表明CHAMP卫星的沿迹大气密度及轨道衰减与极光能量注入具有较好的相关性。通过线性回归方法,建立轨道半长轴衰减及阻力调制系数的修正公式,并使用修正后的阻力调制系数取代两行元(TLE)中的该系数带入SGP4模型进行位置预报。该方案考虑了外推过程中地磁扰动引起的大气密度响应,能更准确地反映外推过程中大气阻力对轨道的影响。将其应用到2008年CHAMP卫星和国际空间站的轨道预报中,结果表明,半长轴和位置的预报误差可分别降低50%和30%左右。进一步对不同年份、不同轨道高度的目标进行了预报误差修正的分析,验证了该方法的普适性。