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《武汉大学》 2017年
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空间碎片快速精密轨道确定与预报若干关键问题研究

李彬  
【摘要】:空间目标(绝大部分是空间碎片)轨道信息是航天和国防安全必需的基础信息之一,更是很多空间任务有效实施的前提,如空间碰撞预警、空间监测、碎片清理等。我国正处于空间技术和应用的飞速发展时期,随着载人飞船、天宫空间站及各类工作卫星的不断发射入轨,确保这些航天器的运行安全、更有效地利用空间轨道资源的关键之一是充分和精确了解空间碎片环境。美国空间目标编目库(NORAD编目库)编目的非机密目标约有18000个,其中6%为各类工作卫星,它们的尺寸大部分大于10cm。直径大于1cm的碎片数量估计在50万个。数量巨大的空间碎片已经对空间应用造成事实威胁。以2009年2月美国正常工作卫星Iridium 33与俄罗斯失效卫星Cosmos 2251碰撞事件为代表,各类空间碰撞事件时有发生。对空间碎片进行快速精密的轨道确定与预报,以提供及时可靠的空间碰撞预警已成为空间态势感知领域的紧迫研究课题。空间碎片轨道确定与预报的理论与卫星轨道确定与预报相同,但在实际问题层面,有显著区别。卫星精密定轨的精度在厘米级,预报精度在米级,而空间碎片轨道确定与预报受制于观测数据稀疏、观测精度不高、弹道系数未知等难题,定轨精度在数十米至数百米量级,预报精度在数百米或千米量级甚至更大。成千上万的空间碎片也对海量数据的快速精确处理提出了严格要求。精密的空间碎片轨道数据只有及时播发给用户使用才能发挥其功用,涉及到精密轨道数据的星历压缩。对空间碎片精密轨道信息的需求,驱动着数据采集、数据处理和数据使用能力的不断提升。本文根据空间目标轨道力学的基本理论,就空间碎片的高效率激光跟踪观测、快速精确轨道确定与预报、编目库建设三个关键问题进行深入研究,分别将轨道积分之数值法、半解析法与解析法用于上述三个问题的数据处理。各种理论和算法均通过大量算例测试和分析,并已成为研发的空间目标轨道计算与分析软件的核心算法。软件平台期望在我国空间态势感知领域中发挥积极作用。具体而言,本文的主要工作及贡献归纳如下:1.针对常规碎片激光测距观测中人工目视瞄准碎片、手控操作望远镜实时跟踪观测目标的低效率和易引发的观测中断问题,提出了一种以二行参数导出的碎片位置作为“伪观测值”,辅助短弧(不足2 min)光学测角数据进行实时精密轨道改进的算法。该算法的关键在于伪观测值的合理定权和数量限制,以达到轨道精确解算的目的。根据地基和天基仿真与实测数据处理结果得出:利用仅30s弧段的光学测角数据进行轨道确定,剩余通过弧段的角度预报精度优于10",距离预报精度优于100m,轨道解算2s内实时完成,可为激光测距观测系统提供实时精确的方向引导和测距回波信号探测窗口,解决了碎片激光测距观测或碎片清理任务中激光测距系统对碎片的实时照准问题,显著提高激光测距观测的成功率和数据采集率。2.针对数以万计的空间碎片轨道计算任务,经典的数值法计算精度高但耗时严重、解析法计算快但精度较差。本文提出了一种基于多尺度摄动理论的半解析轨道传播方法,能够兼顾上述两种轨道计算方法的各自优势。设计完成的WHU-SST半解析轨道积分器由轨道平均运动方程的数值积分模块和短周期运动方程的解析模块组成。经大量算例验证,对于700km轨道高度的碎片,WHU-SST积分器7天轨道预报精度优于500m;2000km轨道高度的碎片,7天的预报精度优于200m。同时,对具有共振特征的GTO轨道长达5年的轨道预报结果与高精度数值法预报结果能够很好的符合。WHU-SST积分器在处理密集与稀疏数据条件下的定轨解算时,与高精度数值法定轨结果相比,仅差约20m,但计算速度提高了近95%,在大规模空间碎片的快速、高精度轨道确定与预报中优势显著。3.现有预报星历格式在表达精度、存储空间和计算速度等方面无法同时满足数十万个空间碎片轨道编目库的建设需求。针对上述问题,本文设计了两种精密预报轨道表达的解析星历模型:二行参数法和分点根数拟合法,两种方法集高精度、系数少、易存储、计算快速于一体。就表达精度而言,对于近圆轨道5天的精密位置,二行参数法的精度优于100m,分点根数法的精度优于50m,对于椭圆轨道,两种方法亦表现出较高的精度;就存储空间而言,5天的精密轨道若以3 min时间间隔输出位置和速度,共计2400个历元,占用内存约300KB,而本文星历格式仅需若干解析模型系数,占用内存2KB~5KB,对于数据存储和文件转移极为便捷;就轨道重建耗时而言,两种星历格式均为解析模型,10万个碎片5天的轨道计算,耗时约5.5h,相对于数值法5天的计算耗时,效率提高了近95%。4.在现有平台基础上,研制了一套空间目标轨道计算与分析软件。该软件可用于空间目标地基/天基观测数据的模拟生成、数值法/半解析法精密轨道确定与预报、精密轨道星历表达等。本文利用该软件进行了大量的实验测试,验证了该软件的可靠性与有效性,可积极服务于我国空间态势感知相关研究。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P228

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