空间碎片环境建模及其应用研究

admin · 发表于 2022-9-16 10:11:08

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随着人类航天活动发展，空间碎片日益增加，威胁航天器的安全运行。空间碎片环境建模研究有很强的应用性与基础性。国际上现有的空间碎片环境模型存在一些不足，如针对我国航天应用的适用性不佳；建模方法、细节未公开；无法分析突发性解体事件对空间碎片环境的影响等。除了现有碎片环境模型软件在应用上的不足之外，现有的空间碎片环境建模方法也存在一些不足：在碎片来源方面，直接利用先验模型对当前观测数据考虑不足，而直接利用TLE数据则存在信息缺失题目；在碎片演化方面，初值误差和轨道动力学模型的误差种类、机理很多，难以直接确定误差模式。针对以上不足，结合现有的空间碎片环境建模理论，自主开发空间碎片环境建模程序是非常必要的，而且有必要对环境建模方法中碎片生成和碎片演化两个主要环节进行研究。本文的研究对象为空间碎片环境建模与应用。首先对现有空间碎片环境模型程序开发与应用进行了研究，针对现有分析软件的不足，本文使用前人建立的空间碎片环境模型工具包，搭建并完善了一套空间碎片环境模型程序。应用该程序对典型的解体事件进行了碎片生成、碎片演化、碎片统计分析，讨论了一次解体事件对空间碎片环境带来的影响。接下来对解体型碎片生成模型进行了研究，通过将成熟的先验模型与当前观测数据相结合的思路，建立了一种后验解体型碎片生成模型。这种模型相对于先验模型而言，由于考虑了当前轨道观测信息，所以更加准确。相对于直接应用TLE数据进行演化分析来说，本文模型通过建立分布函数以及碎片再生成的方式，弥补了碎片集合的缺失。应用本文提出的解体模型进行了STEP II航天器的解体分析，通过与观测数据的对比，说明了模型的有效性，该模型可应用到历史解体事件的仿真计算，并为空间碎片环境模型建立提供技术支持。最后对空间碎片演化模型进行研究，提出了基于恒定增益卡尔曼滤波算法的空间碎片演化方法。通过预演化的手段，对演化初值和轨道动力学模型中存在的误差模式做出最优估计，进而使用滤波方法，滤除存在的误差，并进一步获得更准确的演化结果。应用本文提出的空间碎片演化方法，对空间碎片再入大气层的时间进行了计算，通过与观测结果的对比，说明了方法的有效性。

空间碎片环境建模及其应用研究

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