对一种利用人造粉尘清除空间碎片新方法的理论分析

近地轨道的空间碎片污染日益严重,目前碎片数量已达到历史最高值并可能引发一系列连锁反应.进行主动碎片清除十分必要.利用粉尘主动清除近地轨道空间碎片是一种主动碎片清除的新方法.本文基于此方法的基本原理进行分析研究,建立了单颗碎片与人造粉尘作用的基本假设和机理模型,并对其作用进行定量计算分析;结合碎片的空间密度分布,对该方法的作用效果进行了定量估算,得出一些基本分析结论,有助于对新方法的客观认识.      

基于相控阵雷达波束篱笆的空间碎片数量与分布估计方法

随着载人航天与空间站等航天活动的增多,不能有效防护、也无法定期跟踪和编目的小尺寸(尤其是1～10 cm)碎片的危害越来越受到关注,这些碎片信息的获取依赖于统计采样技术.针对简化的相控阵雷达波束篱笆空间碎片探测模式,提出了一种采用统计技术估计空间碎片总数量以及高度和倾角分布的方法.将碎片穿越波束篱笆的过程用Poisson分布来建模,根据观测时段内穿越波束篱笆目标的平均到达率及测量的轨道高度和倾角数据来估计给定轨道高度范围或倾角范围内碎片的数量,进而得到碎片的总数量以及碎片数量随轨道高度或倾角的分布.在获取雷达散射截面信息时,该方法还可用于估计碎片数量随尺寸的分布.通过仿真实验验证了该方法的有效性.      

空间碎片的空间密度算法研究

由于空间碎片的影响, 空间环境日益恶劣,有必要建立空间碎片环境工程模型对空间碎片撞击航天器进行风险评估.本文研究了空间碎片环境模型中的重要环节, 即碎片的空间密度问题,在统计理论与椭圆轨道理论基础上,分析及推导了空间碎片在空间中的分布状况及空间密度,并得出了碎片空间密度的空间坐标函数解析表达式.同时对引入假设条件的合理性进行了讨论,并利用双行元数据对结论进行了验证, 利用本文方法得出的结果与双行元数据吻合.      

雷达波束驻留模式下空间碎片数量的置信区间估计

碎片数量估计是空间碎片环境统计特征描述的重要内容之一,对于空间碎片环境模型验证、航天器碰撞风险分析以及碎片数量增长趋势预测有重要意义.针对波束指向正东、正南任意仰角的雷达波束驻留(Beam-park)模式(天顶指向是波束指向仰角为90°时的特例),给出了一种估计碎片数量置信区间的方法.对于给定轨道高度范围内一个具有穿越雷达波束可能性(即雷达散射截面足够大,且轨道倾角相对测站纬度足够大)的碎片,将其是否真正穿越波束这一随机事件用(0-1)分布来建模,根据所采集的轨道高度和倾角数据,计算出该轨道高度范围内碎片穿越波束的平均概率,进而采用中心极限定理来估计碎片数量的置信区间.仿真结果表明了方法的有效性.      

空间碎片环境模型

空间碎片环境建模就是用数学方法描述空间碎片在三维空间和未来时间的数量、分布、迁移、流动以及碎片的物理特性（如尺寸、质量、密度、反射特性等）。空间碎片环境模型可以分为三类：第一类是确定性的,能逐个测算单个碎片的轨道参数和物理特性;第二类是统计性的,能通...     

空间物体解体碎片云的长期演化建模与分析

空间碎片云由空间物体解体产生的大量空间碎片组成,由于其相对集中地分布在有限的空间内,将会对临近航天器产生较大的碰撞威胁。为了分析解体碎片云长期分布特点,文章首先利用数值积分方法对空间碎片云短期分布规律进行了研究;在此基础上,针对处于环状分布的碎片云,根据碎片所在的轨道高度和具有的面质比值,将碎片划分到不同分组,以每个组作为研究对象,建立了描述碎片云在大气阻力作用下的解析演化模型。模型避免了对单个解体碎片的运动状态进行积分,可大大降低对计算资源和计算时间的需求。考虑在高度为1422km 圆轨道上运行的物体,解体产生了1780个碎片,利用解析演化模型得到碎片云未来50年内的演化分布状态。数值结果表明,碎片云的峰值密度在解体物体轨道高度附近,并在大气阻力作用下向更大高度区间内扩散;较低高度区间内碎片密度具有先增加,然后在大气阻力作用下不断减少的特点。     

基于低密度网格覆盖分析的重访星座优化设计

快速重访星座在对地遥感、网络通信、气象观测、近地空间环境探测等领域具有重要应用价值.网格分析法是星座设计过程中对覆盖性能分析最常用的方法，其计算量较大.针对重访星座，结合正多面体球面剖分模型和采样点分组方案，提出一种低密度网格覆盖分析的星座优化设计方法，在保证设计结果精度的前提下，整体计算量减少了80%以上.实验表明，利用该方法优化设计的多组星座构型方案均具有很好的重访特性，且极大地减少了多次优化设计总时间.      

流星参数的数值分析和流星高度分布模型

流星余迹能够被后向散射雷达观测到, 利用观测结果, 可以分析和研究流星的空间分布和时间变化规律. 同时, 利用流星空间分布还可以进行空间碎片的研究. 基于标准理论, 对影响雷达回波功率的主要因素, 例如如双极扩散、余迹的初始半径、流星的有限速度, 以及雷达的脉冲重复频率在不同频率和速度下进行了数值分析和计算, 得到的流星衰减时间及双极扩散系数的观测结果与理论结果一致. 通过对昆明流星雷 达观测到的571632个流星进行统计分析, 得到了流星高度分布统计模型, 并利用该模型的分析结果与不同月份流星的观测数据进行对比, 结果比较一致.      

基于模糊应力-强度模型的空间系绳碰撞可靠性

空间系绳系统由于其特殊的组成结构日益受到关注,空间系绳的碰撞可靠性研究是系绳任务设计的重要一环.本文采用可靠性分析基本原理中的应力-强度模型,根据近地轨道的空间碎片通量和泊松分布方法,进行空间系绳在轨碰撞可靠性的研究分析.根据对空间系绳碰撞可靠性有影响的系绳结构因素,即单股系绳的直径、长度,双股系绳的绳间距、碰撞角等,...     

基于多模型最优融合的双星定位系统一体化精密定轨方法

针对卫星动力学模型复杂且不准,考虑到卫星定轨中待估参数在时间和空间上的相关性,提出了一种基于多模型最优融合的双星定位系统一体化参数建模的近地卫星精密定轨新方法.利用节点自由分布B样条描述卫星运动,实现了对卫星粗略动力学模型的抑制作用;同时结合双星观测模型,使该方法转化为关于求解卫星轨道样条表示参数和定轨系统误差的多模型融合的非线性优化问题;通过引入模型结构确定最优融合权值的选取准则,在最小二乘准则下,采用非线性最优化方法搜寻样条的最优节点分布,得到了待估参数的最优估计,完成了近地卫星的精密定轨.理论分析和仿真计算表明,该方法确实有效,不仅提高了卫星的定轨精度,而且使状态估计的结构更加稳定.      

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。     

空间碎片环境与碰撞预警仿真系统设计

在轨编目航天器数目已超过了9000,为了保证航天任务的顺利完成,必须对可能威胁到任务轨道的空间目标进行分析,文章首先对两行轨道根数和SGP4／SDP4轨道预报模型进行了分析,在此基础上建立了空间目标数据库及空间碎片环境与碰撞预警仿真和数据可视化系统。     

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．     

Collisions in space: A retrospective overview of ISAS studies

A chronological review of studies in ISAS concerning collisions in space is presented. The collision probability in space with artificial orbiting bodies was estimated, and a Space Traffic Control System was proposed, in 1971. The design of a space station for safety against collision hazards was discussed in 1972. A trajectory optimization technique for low-thrust multiple rendezvous mission in order ti sweep space debris around the earth was developed in 1977. In 1984, the collision probability was reestimated using space bedris data accumulated for more than a decade. Several experimental projects in ISAS, such as hypervelocity impact experiments using a railgun system, sampling and measuring of alumina particles in exhaust plume of solid-propellant propellant rocket motors, and a result of analysis on the behavior of such alumina particles in orbit are also introduced.     

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.      

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.     

A simple and valid analysis method for orbit anomaly detection

A simple analysis method for orbit anomaly detection, called semi-major axis change method (SACM) was presented by using a relationship between the change of orbit parameters and velocity increments. In this method, the mean value and standard deviation of the semi-major axis change in different time intervals were first calculated according to historical data. Then, these two parameters, the mean value and standard deviation of the semi-major axis change, are chosen as basis variables and combined as an anomalous criterion. For orbit objects with different characteristic, anomalous thresholds were given in different time intervals for identifying the anomalies of the orbital objects. Finally, this method is used for low earth orbit (LEO) satellites and American–Russian breakup debris. By adopting this method, the characteristics of the orbit change were given. The accuracy rate of anomaly analysis for LEO satellites and American–Russian breakup debris can reach to 100%, which demonstrates that the method was rapid and valid.     

Characterizing space debris longitude-dependent distribution based on RAAN perturbation rate

The space debris environment is one of the major threats against payloads. Space debris orbital distribution is of great importance for space debris environment modeling. Due to perturbation factors, the Right Ascension of Ascending Node (RAAN) of space objects changes consistently, causing regular rotation of the orbit plane around Earth’s axis. Based on the investigation of the RAAN perturbation rate of concerned objects, this paper proposes a RAAN discretization method in order to present the space debris longitude-dependent distribution. Combined with two line element (TLE) data provided by the US Space Surveillance Network, the estimated value from RAAN discretization method is compared with the real case. The results suggest that using only the initial orbital data at the beginning of the time interval of interest, the RAAN discretization method is able to provide reliable longitude distribution of concerned targets in the next following period. Furthermore, spacecraft cumulative flux against space debris is calculated in this paper. The results suggest that the relevance between spacecraft RAAN setup and flux output is much smaller for LEO targets than MEO targets, which corresponds with the theory analysis. Since the nonspherical perturbation is the major factor for RAAN variation, the RAAN perturbation rate has little connection with the size of orbital objects. In other words, the RAAN discretization method introduced in this paper also applies to space debris of different size range, proposing a possible suggestion for the improvement of space debris environment engineering models.