论文部分内容阅读
空间碎片环境是在轨航天器及人类空间活动所面临的主要威胁之一。空间碎片环境工程模型是采用概率统计方式描述空间碎片时空分布规律的数学预报模型，工程模型建模技术研究是航天安全体系中的一项重要基础工作。目前相关研究领域已开发多款工程模型，服务于国际空间站等重要航天活动。
工程模型建模过程误差来源及影响分析可为模型准确性判断提供理论基础，也可为模型的更新升级提供技术路线参考。微小尺寸空间碎片环境探测较为困难，模型间交叉对比是工程模型准确性判断的主要途径之一。工程模型误差来源及其影响分析是交叉对比过程准确性判断的重要理论基础。另一方面，工程模型具有较强的时效性，需适时更新升级。围绕工程模型建模过程开展误差来源及影响分析，加深建模理论研究，适时更新优化工程模型，对提高航天器抵御空间碎片撞击威胁的能力、保障其在轨安全运行意义重大并且需求迫切。
工程模型建模技术研究的核心为：基于可获取的建模数据，实现空间碎片环境时空演化过程仿真，并评估其时空分布规律。如何在保证仿真效率的前提下提高精度，如何针对空间碎片时空演化特点建立合理的时空分布规律评估算法，如何降低人为主观因素对计算结果的影响等等仍是工程模型研究领域亟待解决的问题。围绕上述问题，对工程模型建模技术展开研究。主要研究工作如下：
工程模型建模过程误差来源及影响分析。分析表明：1）空间碎片轨道演化算法精度与效率的权衡有待推敲；2）不同轨道区域空间碎片时空演化特征不尽相同，空间密度算法对整体碎片环境的普适性、对特殊轨道区域的针对性有待深入分析；3）航天器轨道空间碎片通量算法中，空间单元划分策略直接影响计算结果，其客观性有待提升。
提出基于半长轴控制的变时间步长轨道演化算法。空间碎片环境演化过程的仿真具有待评估空间物体数量多、时间跨度长、轨道区域广的特点。如何在兼顾运算效率的前提下提高精度是亟待解决的问题之一。现有工程模型一般基于固定时间步长对轨道演化算法进行简化，其精度与单步半长轴最大变化幅度直接相关。鉴于此，通过对单步半长轴最大变化幅度的控制，对原有算法进行优化，提出基于半长轴控制的变时间步长轨道演化算法。在保证效率的前提下，提高了计算精度，增强了轨道演化算法简化对工程模型的适用性。结合源模型及事件表，仿真生成了1958~2050年空间碎片环境演化数据，为工程模型的建立奠定了数据基础。
提出考虑地球二阶带谐项影响的空间密度算法。研究表明，现有空间密度算法所引入的轨道根数假设中，升交点赤经“随机”假设带来的算法误差最为明显，并且随轨道高度的增高呈增大趋势。ORDEM3.0模型对GEO区域采用了升交点赤经“稳定”假设，提高了该区域算法合理性。然而，“随机”“稳定”两种极端假设均存在适用轨道区域的局限性。鉴于此，将“随机”或“稳定”假设修订为升交点赤经摄动“仅受地球二阶带谐项影响”的假设。结合编目碎片数据，验证了修订前后假设对不同轨道区域的普适性。分析表明，与“随机”或“稳定”假设相比，基于升交点赤经摄动仅受地球二阶带谐项影响假设所得到的碎片时空分布规律与实测数据更为相符。
提出地固系下GEO区域空间密度算法。轨道角速度基本一致是GEO区域空间物体的独具特征，具体体现为该区域空间物体地理经度分布规律较为稳定。工程模型侧重空间碎片时间-平均分布规律的评估，而不关注其在不同时刻的具体位置。由于地固系相对惯性系持续旋转，惯性系下空间碎片时间-平均分布评估结果无法体现GEO区域空间碎片地理经度分布稳定的特性。为提高模型对GEO区域的针对性，提出地固系下空间密度算法。分析表明，GEO区域重力势井附近编目碎片相对集中，这与相关领域研究结论相一致。
提出以航天器轨道位置为中心的通量算法。现有模型通量计算过程中，空间单元的划分一般基于等距离散预先完成。该过程未考虑目标航天器轨道信息，受人为主观因素影响较大，属于典型的无监督离散方法。鉴于此，利用目标航天器轨道信息，结合有监督离散方法，将航天器轨道离散为一系列空间位置。以所离散的空间位置为中心，划分空间单元。在此基础上，对航天器轨道碎片通量进行计算。以航天器轨道位置为中心的通量算法无需人为设置区间边界，减小了边界起始点及区间步长设置等人为主观因素对计算结果的影响，提高了算法客观性。
集成相关研究成果，建立空间碎片环境工程模型SDEEM2019（Space Debris Environment Engineering Model2019）并编制软件。与可获取国际工程模型最新版本输出结果及编目碎片数据的对比分析表明：1）对于低地轨道微小尺寸碎片，基于半长轴控制的变时间步长轨道演化算法可在保证效率的前提下提高精度；2）考虑地球二阶带谐项影响的空间密度算法可进一步提高对中高轨道航天器通量评估的合理性；3）地固系下空间密度算法可进一步提高对GEO区域航天器通量评估的针对性；4）以目标航天器轨道位置为中心的通量预报结果客观性更强。
综上所述，本文对工程模型建模过程中的若干问题展开研究，从空间碎片环境演化过程仿真、时空分布规律评估、航天器轨道空间碎片环境评估等方面对建模技术进行优化改进，在此基础上建立空间碎片环境工程模型SDEEM2019并编制软件。基于模型间交叉对比，对SDEEM2019进行了验证与分析。相关问题的解决为空间碎片环境工程模型的建立奠定了理论基础，工程模型软件可为空间碎片撞击风险评估和航天器防护设计提供数据源支持。
工程模型建模过程误差来源及影响分析可为模型准确性判断提供理论基础，也可为模型的更新升级提供技术路线参考。微小尺寸空间碎片环境探测较为困难，模型间交叉对比是工程模型准确性判断的主要途径之一。工程模型误差来源及其影响分析是交叉对比过程准确性判断的重要理论基础。另一方面，工程模型具有较强的时效性，需适时更新升级。围绕工程模型建模过程开展误差来源及影响分析，加深建模理论研究，适时更新优化工程模型，对提高航天器抵御空间碎片撞击威胁的能力、保障其在轨安全运行意义重大并且需求迫切。
工程模型建模技术研究的核心为：基于可获取的建模数据，实现空间碎片环境时空演化过程仿真，并评估其时空分布规律。如何在保证仿真效率的前提下提高精度，如何针对空间碎片时空演化特点建立合理的时空分布规律评估算法，如何降低人为主观因素对计算结果的影响等等仍是工程模型研究领域亟待解决的问题。围绕上述问题，对工程模型建模技术展开研究。主要研究工作如下：
工程模型建模过程误差来源及影响分析。分析表明：1）空间碎片轨道演化算法精度与效率的权衡有待推敲；2）不同轨道区域空间碎片时空演化特征不尽相同，空间密度算法对整体碎片环境的普适性、对特殊轨道区域的针对性有待深入分析；3）航天器轨道空间碎片通量算法中，空间单元划分策略直接影响计算结果，其客观性有待提升。
提出基于半长轴控制的变时间步长轨道演化算法。空间碎片环境演化过程的仿真具有待评估空间物体数量多、时间跨度长、轨道区域广的特点。如何在兼顾运算效率的前提下提高精度是亟待解决的问题之一。现有工程模型一般基于固定时间步长对轨道演化算法进行简化，其精度与单步半长轴最大变化幅度直接相关。鉴于此，通过对单步半长轴最大变化幅度的控制，对原有算法进行优化，提出基于半长轴控制的变时间步长轨道演化算法。在保证效率的前提下，提高了计算精度，增强了轨道演化算法简化对工程模型的适用性。结合源模型及事件表，仿真生成了1958~2050年空间碎片环境演化数据，为工程模型的建立奠定了数据基础。
提出考虑地球二阶带谐项影响的空间密度算法。研究表明，现有空间密度算法所引入的轨道根数假设中，升交点赤经“随机”假设带来的算法误差最为明显，并且随轨道高度的增高呈增大趋势。ORDEM3.0模型对GEO区域采用了升交点赤经“稳定”假设，提高了该区域算法合理性。然而，“随机”“稳定”两种极端假设均存在适用轨道区域的局限性。鉴于此，将“随机”或“稳定”假设修订为升交点赤经摄动“仅受地球二阶带谐项影响”的假设。结合编目碎片数据，验证了修订前后假设对不同轨道区域的普适性。分析表明，与“随机”或“稳定”假设相比，基于升交点赤经摄动仅受地球二阶带谐项影响假设所得到的碎片时空分布规律与实测数据更为相符。
提出地固系下GEO区域空间密度算法。轨道角速度基本一致是GEO区域空间物体的独具特征，具体体现为该区域空间物体地理经度分布规律较为稳定。工程模型侧重空间碎片时间-平均分布规律的评估，而不关注其在不同时刻的具体位置。由于地固系相对惯性系持续旋转，惯性系下空间碎片时间-平均分布评估结果无法体现GEO区域空间碎片地理经度分布稳定的特性。为提高模型对GEO区域的针对性，提出地固系下空间密度算法。分析表明，GEO区域重力势井附近编目碎片相对集中，这与相关领域研究结论相一致。
提出以航天器轨道位置为中心的通量算法。现有模型通量计算过程中，空间单元的划分一般基于等距离散预先完成。该过程未考虑目标航天器轨道信息，受人为主观因素影响较大，属于典型的无监督离散方法。鉴于此，利用目标航天器轨道信息，结合有监督离散方法，将航天器轨道离散为一系列空间位置。以所离散的空间位置为中心，划分空间单元。在此基础上，对航天器轨道碎片通量进行计算。以航天器轨道位置为中心的通量算法无需人为设置区间边界，减小了边界起始点及区间步长设置等人为主观因素对计算结果的影响，提高了算法客观性。
集成相关研究成果，建立空间碎片环境工程模型SDEEM2019（Space Debris Environment Engineering Model2019）并编制软件。与可获取国际工程模型最新版本输出结果及编目碎片数据的对比分析表明：1）对于低地轨道微小尺寸碎片，基于半长轴控制的变时间步长轨道演化算法可在保证效率的前提下提高精度；2）考虑地球二阶带谐项影响的空间密度算法可进一步提高对中高轨道航天器通量评估的合理性；3）地固系下空间密度算法可进一步提高对GEO区域航天器通量评估的针对性；4）以目标航天器轨道位置为中心的通量预报结果客观性更强。
综上所述，本文对工程模型建模过程中的若干问题展开研究，从空间碎片环境演化过程仿真、时空分布规律评估、航天器轨道空间碎片环境评估等方面对建模技术进行优化改进，在此基础上建立空间碎片环境工程模型SDEEM2019并编制软件。基于模型间交叉对比，对SDEEM2019进行了验证与分析。相关问题的解决为空间碎片环境工程模型的建立奠定了理论基础，工程模型软件可为空间碎片撞击风险评估和航天器防护设计提供数据源支持。