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。     

超高速碰撞数值模拟的工程算法模型

提出了双层板防护结构的超高速碰撞数值模拟的工程算法模型，采取理论分析、经验公式和数值模拟相结合的研究方法来模拟碎片云的产生，以及碎片云对结构的破毁过程。本模型中，碎片云的产生采用理论分析和经验公式得到，结构响应采用有限元动力学软件Dyna3D进行计算。数值模拟结果与文献中给出的破坏效果基本一致，说明提出的工程算法是可行的，模拟得到的结果能定性的描述相应的超高速碰撞的现象，得到基本正确的结果。     

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。     

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。     

基于显式表达式的空间目标最大碰撞概率分析

最大碰撞概率的计算在空间目标碰撞风险评估中具有重要意义。基于碰撞概率的显式 表达式,利用一元函数和二元函数求极值的方法分别讨论了目标误差椭球形状固定和不定两 种情况下最大碰撞概率的计算方法,得到了两种情况下最大碰撞概率的表达式。对于误差椭 球形状固定的情况得到了碰撞概率最大时两目标位置协方差的取值,对于误差椭球不定情况 得到了碰撞概率最大时径向联合方差的取值和水平面内联合方差所满足的关系。分析了最大 碰撞概率的影响因素,讨论了水平面内误差方差的耦合特性。对今年二月发生的美俄卫星碰 撞事件进行了分析,得到误差椭球任意形状时最大碰撞概率为1.864E-3。
     

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.     

基于碰撞概率的交会对接最优碰撞规避机动

发展了一种求解交会对接过程中最优碰撞规避机动的方法,可以在保证碰撞概率降低到安全值的前提下得到最优的避撞机动冲量。这种方法采用机动方向和机动大小分步求解的策略来计算机动冲量。机动方向通过求碰撞概率对于机动冲量的梯度得到,机动大小通过求解一个非线性方程得到。最后,采用这种方法针对交会对接中常用的径向冲量V-ｂａｒ转移轨迹进行了碰撞规避机动计算,计算结果表明本文的方法能够满足交会对接碰撞分析的需求。     

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。     

基于碰撞概率的交会对接近距离导引段的轨迹安全

提出了一种利用碰撞概率思想来描述交会对接近距离导引段飞行器轨迹安全的方法,这种方法采用最大瞬时碰撞概率来定量描述两个飞行器的碰撞危险程度。推导了最大瞬时碰撞概率的计算公式,其过程可分为三步:首先基于CW方程外推初始相对状态和误差协方差矩阵,然后利用外推后的相对状态和误差协方差矩阵计算瞬时碰撞概率,最后求出感兴趣区间内的最大瞬时碰撞概率。数值算例表明最大瞬时碰撞概率是描述交会对接近距离段两个飞行器碰撞危险程度的一个较好的指标。     

单层及双层板的超高速碰撞试验(速度超过10km/s)的数值模拟

文章介绍了在Sandia国家实验室所进行的3个精确控制的超高速碰撞试验,使用两种复杂的流体码即多维流体动力学代码CTH和平滑粒子流体动力学代码SPH,对该试验进行数值模拟。该试验用质量为克大小的飞片及球形射弹以大约10km/s的速度撞击薄铝板及钢板(厚度小于1cm)。并分析了碎片云动力学计算预示结果及这些试验中金属板的损坏。     

大型低轨航天器与星座卫星的碰撞风险研究

针对商业小卫星星座迅猛发展对航天器飞行安全造成潜在威胁的问题,以600 km高度星座和大型低轨航天器为研究对象,通过区域方法(BOX)和碰撞概率风险评估方法,分析了星座与大型低轨航天器的碰撞风险。根据星座轨道演化分析表明,整个星座卫星与大型低轨航天器可能发生碰撞的时间相对集中,持续时间约 1~ 2年。BOX方法计算结果表明,每颗卫星与大型低轨航天器交会,并进入红色预警门限的交会次数约10次左右。碰撞概率计算结果表明,约有5%的卫星进入红色预警门限,星座如果在寿命末期采取无控再入将对大型低轨航天器在1~2年内产生较大的威胁。     

编队卫星碰撞规避方法研究

对编队卫星碰撞规避方法进行了研究。通过递推编队卫星的初始状态协方差阵,将碰撞概率密度函数在危险区域积分获得编队卫星的碰撞概率。当碰撞概率大于安全阈值时,向卫星施加最小脉冲速度修正量Δv,在垂直于终止时刻相对速度的平面机动一定距离以降低碰撞概率。仿真结果表明:用计算的碰撞概率能较好地预测编队卫星的潜在碰撞危险,所选机动策略有效。     

分离模块异构航天器集群松散队形设计

针对近地轨道分离模块航天器集群,考虑航天器之间面质比差异,提出一种能在较长时间内维持两星之间相对距离的松散队形设计方法。该方法以相对偏心率向量和相对轨道倾角向量描述松散队形,以两颗卫星之间的轨道长半轴之差和相对相位角之差为优化变量,并且通过设置虚拟空间圆解决避碰问题,保证在考虑气动力摄动的情况下,异构航天器松散编队能够有较长时间满足距离要求。仿真研究表明,针对轨道高度为500 km的参考轨道,当两星面质比分别为0.003 m 2/kg和0.0032 m 2/kg时,两颗卫星之间的距离能够在50天内处于200 m到20 km之间。     

超静超稳卫星碰振动力学建模

针对分离式卫星载荷模块(PM)受到扰动时可能与服务模块(SM)发生碰撞的问题，综合音圈电机反电动势(back-EMF)和柔性线缆动力学的效应，基于牛顿欧拉法建立了分离式卫星(DFP)载荷模块动力学模型。基于Hertz接触理论，推导了分离式卫星碰撞过程中连续接触力模型，并分析了碰撞过程中产生的接触力对载荷模块指向精度和指向稳定度的影响。数值仿真结果表明，碰撞使得载荷模块指向精度和指向稳定度下降5个数量级，碰撞后载荷模块可再次恢复到超静超稳工作状态，恢复时间超过1400 s。本文建立的碰撞模型对研究分离式卫星碰撞规避和碰撞控制具有重要意义。     

太赫兹波在等离子鞘套中的传播

文章介绍了平面波斜入射到不均匀非磁化等离子体时的散射矩阵方法,并用这种方法分析了等离子鞘套中太赫兹信号的传播特性;计算了鞘套的反射,透射与群时延。计算结果表明,在低碰撞频率时,鞘套的高通特性显著,随着碰撞频率的增加,鞘套的反射与透射系数随频率的变化趋于缓和;总体上等离子体的入射波频率的增加,有利于电磁波的透射。     

基于等效质量的太空机械臂多体系统碰撞分析

从等效质量角度出发,针对不同的操作环境,提出多体系统离散碰撞动力学建模及连续碰撞动力学建模方法,并分析碰撞对系统造成的影响。首先,由系统动力学方程及能量方程推导出太空机械臂末端等效质量,在此基础上,针对刚/柔环境,分别建立多体系统离散碰撞动力学模型和连续碰撞动力学模型,并针对七种连续碰撞模型提出选取标准,以便更真实地模拟实际碰撞过程。最后,以典型的太空七自由度机械臂为例开展仿真试验,两种方法的对比结果校验了该算法的正确性。