空间碎片碰撞概率及其阈值分析和研究

论文摘要

随着人类太空活动的发展,空间碎片的数量迅速增长,航天器受碎片撞击的风险日益严重,必须采取有效的防护措施。空间碎片的碰撞预警,主要针对能够跟踪监测的直径大于10cm的碎片。确定航天器是否需要进行规避机动来避免与空间碎片发生碰撞,必须经过计算,评估航天器与空间碎片之间的交会风险,然后依照预警判据来确定。建立在误差分析基础上的碰撞概率判据是一种有效的碰撞预警判据。目前的空间碎片预警系统完成了预警系统框架的构建,解决了空间物体轨道动态数据获取、轨道外推和交会关系预测、误差分析方法、碰撞概率计算方法、规避变轨轨道选择等问题;探索了预警判据、预警规范和流程等与工程紧密结合的环节,为实现为我国航天器提供常规运行预警服务的目标奠定了基础。这篇论文讨论了空间碎片的碰撞概率及其阈值等相关问题。以空间碎片的碰撞预警为背景,研究了碰撞概率算法,对现有算法进行了扩展,分析了非线性交会的碰撞概率和最大概率。并基于碎片通量,给出了确定碰撞率阈值的方法,为空间碎片预警系统的预警判据的选择和确定提供技术支持。目前,一些结论已经应用到空间碎片预警系统中,并参与预警的工程应用。其中碰撞概率阈值确定方法的探索则为空间碎片预警系统提供了重要参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 空间碎片环境概况
• 1.1.1 什么是空间碎片
• 1.1.2 空间碎片的危害
• 1.1.3 空间碎片的减缓与防护措施
• 1.2 空间碎片的碰撞预警研究概况
• 第2章 空间碎片碰撞预警系统
• 2.1 预警中的关键问题和环节
• 2.1.1 碰撞预警专用空间物体动态数据库
• 2.1.2 轨道外推、筛选和交会关系预测
• 2.1.3 误差分析
• 2.1.4 预警判据和碰撞概率
• 2.1.5 规避决策
• 2.2 预警结果的可靠性问题
• 第3章 碰撞概率算法及改进
• 3.1 碰撞概率算法
• 3.1.1 基本假设
• 3.1.2 复合体
• 3.1.3 误差与误差椭球
• 3.1.4 坐标变换
• 3.1.5 交会参考系与交会平面
• 3.1.6 误差椭球向交会平面投影
• 3.1.7 计算碰撞概率
• 3.1.8 碰撞概率的总体流程
• 3.2 碰撞概率算法的一些改进
• 3.2.1 改进方法
• 3.2.2 改进前后的算法结果比较
• 第4章 碰撞概率算法的扩展
• 4.1 非线性碰撞概率算法的引入
• 4.2 非线性碰撞概率计算方法和流程
• 4.2.1 坐标变换及误差矩阵处理流程
• 4.2.2 具体分析
• 4.2.3 围道积分的数值方法
• 4.3 非线性碰撞概率的结果分析
• 第5章 最大碰撞概率及其应用
• 5.1 最大概率的引入
• 5.2 最大碰撞概率计算方法和流程
• 5.3 参数分析及拟合公式
• 5.3.1 相同交会距离不同的复合体尺寸概率与误差的关系
• 5.3.2 不同交会距离误差与概率的关系
• 5.3.3 取得最大概率时误差尺度与交会距离的关系
• 5.3.4 k = 1 最大碰撞概率的拟合公式
• 5.3.5 k 为任意值时最大碰撞概率的拟合公式
• 5.4 碰撞概率的一般关系
• 5.4.1 与航天器复合尺寸的关系
• 5.4.2 与交会距离的关系
• 5.4.3 与误差尺度的关系
• 5.4.4 与交会距离和误差尺度的比值的关系
• 5.4.5 碰撞概率等值线
• 5.5 最大碰撞概率的应用
• 第6章 碰撞概率阈值的确定
• 6.1 空间碎片通量
• 6.1.1 空间物体的空间密度
• 6.1.2 空间碎片的通量
• 6.2 碰撞概率等值线
• 6.3 碰撞概率阈值的计算
• 6.3.1 规避率
• 6.3.2 简化风险与剩余风险、阈值的确定
• 6.4 碰撞概率阈值的分析实例
• 6.4.1 ISS 的碰撞概率阈值
• 6.4.2 HY-18 的碰撞概率阈值
• 6.4.3 某卫星的碰撞概率阈值
• 6.4.4 年规避率与相对剩余风险的关系及相关分析
• 第7章 结束语
• 7.1 结论
• 7.2 几点说明
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢