基于高斯伪谱法的碰撞规避策略研究

为保证在轨卫星运行安全，对于碰撞概率较高的空间交会情况需要进行规避机动，防止在轨卫星与空间碎片碰撞.选取连续推力策略进行规避机动，将空间碰撞规避过程转化为满足复杂约束的最优控制问题，采用高斯伪谱法对最优控制律进行求解，求解结果满足相应约束.研究结果为航天器有效规避空间碰撞威胁提供了有力支持.      

太空中的潜在杀手

<正>2015年2月3日,美国空军"国防气象卫星计划"-13在轨发生爆炸式解体,卫星在800千米的低地轨道上解体为大约40片。由于碎片区域比欧空局卫星星座高大约100千米,而且这些碎片将在数年到数十年内缓慢降轨。为了防范出现任何方式的风险,欧洲空间局空间碎片办公室启动了紧急防范措施,随时准备"碰撞规避机动"。这不是杞人忧天,因为太空碰撞早已不是新鲜事。     

规避时段选择与机动变轨研究

按照空间碎片减缓指南的要求, 当两个空间物体发生碰撞前需要进行规避操作. 本文对规避中涉及到的速度增量与轨道变化的关系进行了分析, 探讨了一些具体的机动变轨方法, 同时还就测站的观测时段问题作了研究, 为碎片预警和航天器的规避提供了有力的支持.      

面向空中威胁的无人机动态碰撞区建模与分析

针对现有方法一般是基于时间或距离的定值来确定碰撞区域的问题,提出了一种基于入侵机和无人机(UAV)运动信息的无人机动态碰撞区建模方法.首先,根据无人机与入侵机的运动状态、两机之间的最小安全距离等信息,通过几何方法得出无人机不采取任何规避机动时两机将发生碰撞区域的解析表达式,即无机动碰撞区数学模型;其次,考虑无人机的机动能力约束,计算了无人机采取最大过载转弯机动(左转或右转)时两机恰好避免碰撞发生的边界,即最大机动碰撞区数学模型;在此基础上,提出了不可规避区的概念;进而定义了安全飞行包络,它是无人机能够规避入侵机威胁的分界线;最后通过理论和仿真结合分析了影响各区域的主要因素.仿真与分析结果表明所建碰撞区不仅可以帮助无人机选择规避机动方式,而且能够帮助无人机判定常规避撞机动是否失败,并使无人机及时采取最大过载转弯机动,对无人机安全避撞决策具有实际参考价值.      

利用精化误差进行危险交会分析

空间碎片碰撞预警工作主要针对的是可监测的较大空间碎片, 预测航天器与碎片之间的碰撞风险, 并根据一定的预警判据来评估风险的大小, 进而做出合理的轨道规避决策. 碰撞概率是碰撞风险评估的重要依据. 复合体尺寸、交会距离和误差是影响碰撞概率的三个决定性因素. 当复合体尺寸与交会距离差别不大时, 误差因素对碰撞概率结果起着决定性的作用. 在利用整天误差计算碰撞概率的基础上, 提出了利用精化误差计算碰撞概率的方法, 在危险交会分析中取得了良好的效果.      

地球静止轨道遥感卫星相机太阳规避设计

地球静止轨道成像式遥感卫星的光学成像相机在轨工作期间需要避免阳光的照射,针对现有滚动轴姿态机动算法存在规避开始时初始角速度过大的问题,提出一种改进的滚动轴机动太阳规避算法。该算法在规避开始与结束时,设计一定的规避角度余量,将建立机动初始状态的过程由达到规避角度的瞬间延伸到角度余量区间中,延长建立初始状态的时间,减小初始角速度。系统数学仿真和测试验证证明该算法简单可靠,在开始规避时,初始角速度由0.2（°）/s减小到0.014（°）/s,整个规避过程平稳,具有良好的工程应用价值。     

Chebyshev不等式在空间碎片碰撞概率置信度中的应用

空间碎片的碰撞预警与规避能有效避免碰撞事件的发生.碰撞概率是碰撞预警的主要判据,也是航天器规避机动决策的主要依据.由于计算碰撞概率的各相关参数带有误差,导致计算得到的碰撞概率值并不准确,难以做出规避机动决策,因此评估碰撞概率值的可信程度是亟需解决的问题.本文给出了一种碰撞概率置信度的计算方法,利用各影响参数的标准差,通过误差传递的方法计算碰撞概率的标准差,结合单边Chebyshev不等式,给出碰撞概率值大于10-4阈值时的置信度,并结合实际案例进行了分析.      

利用TLE数据分析LEO卫星轨道异常的新方法——————综合判据法

及时准确地发现在轨卫星的轨道异常意义重大. 通过有效的异常算法, 能够找出发生轨道异常的碎片或航天器, 为空间碎片碰撞预警系统分析和验证碰撞事件提供数据支持. 通过对利用TLE (Two Line Elements)数据分析LEO在轨卫星轨道异常的方法研究, 提出了一个利用单个卫星相邻根数时间差控制加综合判据的判别方法. 分析表明, 相对于取单一因素阈值的判别方法, 综合判据法能够最大限度地减少漏判, 并且保持相对较高的判断准确率.      

一种基于TLE数据的轨道异常分析方法

空间在轨物体的轨道异常是航天工程及预警领域普遍关注的问题,及时发现轨道异常意义重大,通过分析空间物体的轨道异常,可以及时发现和识别规避事件或碰撞事件,还可以了解监测网的能力.本文提出一种基于TLE数据的简单的轨道异常分析方法——长半轴变化法.该方法快速有效,应用到低轨在用卫星和美俄解体碎片的异常分析中,异常物体正确识别率可达到100%;对美俄解体碎片进行轨道异常分析后得出,美国空间监视网可以稳定探测90%以上的解体碎片.      

静止轨道碎片清除飞行器概念研究

1 引言 目前,静止轨道上运行着大约450颗卫星,而随着航天技术的不断发展,静止轨道将变得越来越拥挤;另一方面,静止轨道空间碎片有1200多个,主要包括运载火箭末子级或上面级、废弃卫星、卫星分离物及卫星爆炸或碰撞后产生的碎片,这些空间碎片占据了宝贵的轨道资源,不仅造成了资源浪费,而且严重影响在轨卫星的生存,对空间碎片进行在轨清除成为空间技术发展的重要趋势之一.     

空间碎片碰撞预警研究

介绍了空间碎片的分布和危害，阐明了航天器进行碎片预警规避的必要性，讨论了碎片碰撞预警技术中的关键问题，用已有的碰撞和规避实例对自行研制的软件进行了计算检验，结果证明了软件的正确性，也说明了国内进行碎片预警工作的可行性．     

Analysis of laser ranges and angular measurements data fusion for space debris orbit determination

In the framework of space debris, the orbit determination process is a fundamental step, both, for researchers and for satellite operators. The accurate knowledge of the orbit of space debris objects is needed to allow space debris characterization studies and to avoid unnecessary collision avoidance maneuvers.The accuracy of the results of an orbit determination process depends on several factors as the number, the accuracy, the kind of processed measurements, their distribution along the orbit, and the object-observer relative geometry. When the observation coverage of the target orbit is not homogeneous, the accuracy of the orbit determination can be improved processing different kind of observables. Recent studies showed that the satellite laser ranging technique can be successfully applied to space debris.In this paper, we will investigate the benefits of using laser ranges and angular measurements for the orbit determination process. We will analyze the influence of the number of used observations, of the covered arc of orbit, of each observable, and of the observation geometry on the estimated parameters. Finally, using data acquired on short observation arcs, we analyze the achievable accuracies for the orbital regimes with the highest space debris density, and to the consequences of the data fusion on catalog maintenance operations. The results shown are obtained using only real data (both angular and laser measurements) provided by sensors of the Swiss Optical Ground Station and Geodynamics Observatory Zimmerwald owned by the Astronomical Institute of the University of Bern (AIUB) and for some studies also using ranges provided from other stations of the International Laser Ranging Service (ILRS).     

Progress in Space Debris Research

During recent years, A de-orbit disposal of SinoSat 2 satellite and the depletion of the residual propellant after SC/LV separation for all LM-4 series launch vehicles were carried out. Stuffed Whipple Shields based on hypervelocity impact particles were developed. Routine observation and collision avoidance were performed. The main progress in space debris research will be introduced from three aspects: mitigation, spacecraft protection, observation and collision avoidance.      

基于多项式近似的空间碎片群体轨道预报算法

快速准确地分析空间碎片群轨道演化行为对于其他在轨航天器碰撞规避至关重要。在各摄动力的作用下,空间碎片群演化运动呈现出复杂的非线性特征。空间碎片群体个体数量巨大,如果通过对空间碎片群中每个空间碎片进行轨道积分来分析群体预报的方法会导致计算量过大。针对该问题,提出一种基于多项式近似的轨道快速预报分析方法。该方法将空间碎片群分为少量的标称碎片和其他大量关联碎片。针对标称碎片的轨道预报采用数值积分求解保证预报精度;而针对其他大量的关联碎片轨道预报问题,采用多项式泰勒展开半解析方法求解,从而在保证预报精度的前提下有效减少空间碎片群轨道预报的计算量。为了验证方法的有效性,对不同空间碎片群进行了轨道预报仿真。仿真结果表明,当轨道预报精度设定在1m范围内时,多项式近似算法的计算量较蒙特卡洛方法计算效率提高了2.2~17.2倍,验证了所提出方法的有效性。     

Improved orbit predictions using two-line elements

The density of orbital space debris constitutes an increasing environmental challenge. There are two ways to alleviate the problem: debris mitigation and debris removal. This paper addresses collision avoidance, a key aspect of debris mitigation. We describe a method that contributes to achieving a requisite increase in orbit prediction accuracy for objects in the publicly available two-line element (TLE) catalog. Batch least-squares differential correction is applied to the TLEs. Using a high-precision numerical propagator, we fit an orbit to state vectors derived from successive TLEs. We then propagate the fitted orbit further forward in time. These predictions are validated against precision ephemeris data derived from the international laser ranging service (ILRS) for several satellites, including objects in the congested sun-synchronous orbital region. The method leads to a predicted range error that increases at a typical rate of 100 m per day, approximately a 10-fold improvement over individual TLE’s propagated with their associated analytic propagator (SGP4). Corresponding improvements for debris trajectories could potentially provide conjunction analysis sufficiently accurate for an operationally viable collision avoidance system based on TLEs only.