基于历史轨道数据的空间碎片环境建模研究

论文摘要

空间碎片环境建模是一项复杂的、综合性的工程项目,是保障在轨航天器的安全运行,维护我国空间安全,保护空间环境必须研究的课题。本文结合历史轨道数据,对空间碎片环境建模中的关键技术问题进行了研究,并对观测数据的误差传播进行了分析。论文的主要研究成果如下:基于T-H方程研究了椭圆轨道初始误差传播。利用相对运动理论研究初始误差传播,将轨道预报误差看作空间目标预报位置相对真实位置的相对运动。基于T-H方程推导了同时适用于圆轨道和椭圆轨道的显式误差传播函数,得到了圆轨道和椭圆轨道上初始误差的传播规律。并对椭圆轨道近地点处误差传播的非高斯特性进行了分析与修正。确定了等面积空域划分方案及空间单元编号规则和结构体设计。建立了等面积空域划分方法的数学模型,并结合论文中采用的划分方案对空间单元的编号规则进行了详细的说明,对用于存储空间单元信息的结构体进行了设计。研究了空间碎片的空间密度模型与计算方法。在假设空间碎片的位置关于轨道高度、纬度及经度的分布独立的基础上,对空间密度函数进行了研究,得到了空间碎片在高度、纬度和经度上的停留概率函数,并根据工程应用对空间密度函数进行简化。对LEO区域和GEO区域的空间密度进行验证,得到了与MASTER2005模型类似的结果。研究了空间碎片的碰撞流量模型与计算方法。空间碎片的碰撞流量是目标轨道在一个运行周期内遭受到的空间碎片的碰撞统计,首先对一个空间单元内碰撞流量的计算方法进行了研究,然后扩展到整个目标轨道碰撞流量的计算。并对空间目标在当地水平面内的碰撞几何进行了分析,得到了在当地水平面内碰撞方位角的计算公式。对LEO区域的国际空间站和GEO区域的银河通信卫星受到的空间碎片碰撞流量进行了数值仿真。对空间碎片碰撞流量的应用进行了研究。基于T-H方程研究了空间碎片实际位置的散布情况,得到实际位置散布在以预报位置为中心的误差椭球内的结论,并对未来空间碎片瞬时分布进行短期预测,验证T-H方程用于轨道预报的可行性。详细分析了美俄卫星碰撞事件对LEO区域空间碎片环境的影响,验证了空间碎片环境模型的实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 日益严峻的空间碎片环境
• 1.1.2 空间碎片环境模型概念及分类
• 1.1.3 空间碎片环境建模的研究意义
• 1.2 国内外空间碎片环境模型研究状况
• 1.2.1 国内研究历史及现状
• 1.2.2 国外研究历史及现状
• 1.3 空间碎片环境建模的重难点及技术限制
• 1.3.1 空间碎片环境建模的重难点
• 1.3.2 空间碎片环境建模的技术限制
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 空间碎片环境现状及碎片源模型
• 2.1 空间碎片环境现状
• 2.1.1 空间碎片的数目增长
• 2.1.2 空间碎片的质量增长
• 2.1.3 编目空间目标信息统计
• 2.2 空间碎片的来源与消亡
• 2.3 空间碎片源模型
• 2.3.1 SSN编目的空间目标数目修正
• 2.3.2 碰撞和爆炸解体模型
• 2.3.3 固体火箭发动机熔渣和粉尘模型
• 2.3.4 NaK冷却剂液滴模型
• 2.3.5 West Ford铜针簇模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 空间目标观测数据误差传播
• 3.1 空间目标相对运动
• 3.1.1 坐标系的定义
• 3.1.2 空间目标相对运动方程
• 3.1.3 RSW坐标系中的相对运动方程
• 3.2 基于T-H方程的椭圆轨道初始误差传播
• 3.2.1 T-H方程状态转移矩阵
• 3.2.2 基于T-H方程的椭圆轨道初始误差传播
• 3.2.3 典型空间目标的误差传播分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于历史轨道数据的空间碎片环境建模研究
• 4.1 空域划分方法
• 4.1.1 空域划分方法分类
• 4.1.2 等面积空域划分模型
• 4.1.3 等面积空域划分方案
• 4.2 空间碎片的空间密度
• 4.2.1 位置空间和轨道空间
• 4.2.2 空间密度的定义
• 4.2.3 空间单元编号及体积计算
• 4.2.4 空间密度函数
• 4.2.5 停留概率的计算
• 4.2.6 空间密度函数的简化
• 4.2.7 典型轨道区域的空间密度
• 4.3 空间碎片的速度分布
• 4.4 空间碎片的碰撞流量
• 4.4.1 碰撞流量的定义
• 4.4.2 碰撞流量的计算
• 4.4.3 空间碎片碰撞几何分析
• 4.4.4 典型目标轨道的碰撞流量计算
• 4.5 本章小结
• 第五章 空间碎片碰撞流量应用研究
• 5.1 基于T-H方程的空间碎片环境短期预测
• 5.1.1 基于T-H方程的空间碎片实际位置散布
• 5.1.2 空间碎片环境短期预测
• 5.2 美俄卫星碰撞对空间碎片环境的影响分析
• 5.2.1 美俄卫星碰撞简介
• 5.2.2 美俄卫星碰撞对LEO区域空间碎片环境的影响
• 5.3 本章小节
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A T-H方程状态转移矩阵
• 附录B 等面积空域划分方案