空间碎片环境对高精度航天器指向及定位性能的影响研究

发布时间：2020-08-13 08:54

【摘要】：随着人类航天活动的日益增多,产生了大量的空间碎片,严重污染了空间环境。近年来由于深空探测、地面观测及航天器编队飞行等相关研究的不断开展,对于执行任务的高精度航天器的指向精度与位置精度要求越来越高。空间碎片撞击高精度航天器后对其指向性能和定位性能的影响变得不容忽略。本文根据这种需求,建立了空间碎片撞击航天器的动力学模型,并对空间碎片撞击高精度航天器的过程进行分析,最终通过蒙特卡洛模拟试验获得了空间碎片撞击对航天器指向及定位性能影响的统计规律。本文首先依据航天器姿态运动学与动力学的知识得到了航天器的姿态运动学和动力学模型,并以此为基础建立了空间碎片撞击航天器的动力学模型,设计并给出了航天器指向性能和定位性能的相关评价指标。其次,以哈勃望远镜为例,给出哈勃的轨道根数以及简化几何模型,通过SDEEM软件给出哈勃所处轨道的空间碎片环境数据,运用控制变量法研究空间碎片撞击航天器时,碎片尺寸、撞击方位角和撞击位置对航天器定位性能的影响特性。结果表明碎片尺寸对漂移距离及速度增量大小的影响最大,撞击位置对漂移距离及速度增量方向的影响明显;碎片撞击方位角在-5°到5°范围内时,航天器被撞击后的漂移距离及速度增量最大,碎片撞击方位角在±140°附近时,航天器被撞击后的漂移距离及速度增量最小。再次,基于Z-buffer算法对哈勃望远镜几何模型进行消隐分析,通过随机模拟的方法生成撞击参数与撞击时间,仿真分析空间碎片撞击对哈勃指向性能和定位性能的累积影响。结果表明空间碎片撞击一天造成的哈勃观测轴指向方位角累积误差主要分布在-50角秒到50角秒之间,在0角秒到10角秒的概率最大,指向俯仰角累积误差主要分布在-100角秒到100角秒之间,在-10角秒到0角秒的概率最大。航天器观测轴指向变化率主要处于1*10~(-11)rad/s和1*10~(-7)rad/s之间,在1*10~(-9)rad/s左右的概率最大。漂移距离大小主要分布10~(-5)m到10~(-2)m之间,在10~(-4)m左右的概率最大;速度增量大小主要处于10~(-9)m/s到10~(-6)m/s之间,在10~(-8)m/s左右的概率最大。最后基于射线法对哈勃望远镜几何模型进行消隐分析,通过随机模拟方法生成撞击参数与撞击时间,利用蒙特卡洛数值模拟方法获得空间碎片撞击对哈勃指向及定位性能累积影响的统计规律,通过两个消隐算法所得结果的互相比较,进一步验证了所得统计规律的正确性。本文所取得的研究成果,为进一步提高我国高精度航天器的指向及定位性能提供参考,对高精度航天器姿态稳定与位置稳定控制有一定指导意义,具有一定的工程应用价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V528
【图文】：

背景及研究的目的和意义碎片环境简述 世纪 50 年代末以来，地球轨道上驻留空间对象（RSOS）的就导致了，卫星和空间碎片之间的破坏性碰撞概率是现在航重要的关注点之一[1]。空间碎片通常被认为是地球轨道上的于人类的太空活动而产生的废弃物。空间碎片在轨道中还可标的碰撞可能引起空间碎片级联效应，每次碰撞产生的新次碰撞的碎片目标，这种效应被称为凯斯勒综合症[2]。近年意或意外爆炸和碰撞，空间碎片的数量快速增加，在低地球累尤为明显，并延伸至约 2000 公里的高度[3]。如图 1-1 所月美国空间监测网（SSN）编目的在轨空间物体的数量变化。

导致航天器解体，但此类碎片多被监测预警，航天器可。小于 1 厘米尺寸的碎片撞击有可能影响航天器的各个片撞击空间望远镜的反射镜时会磨蚀镜面而导致镜件的撞击可能会导致部件失效，无法平衡航天器的温的空间小碎片体积太小并且数量太多，无法进行有效规避其撞击，只能采取提高自身防护能力如添加防护对自身的危害[7]。的航天器可能会被空间碎片撞击，1993 年 NASA 对哈替换下来的太阳能帆板上的撞击坑多达 5000～6000 量达 150 个。美国于 1984 年 4 月 6 日发射了可检测近十二面柱体航天器(LDEF)，长达 5.75 年的暴露试验让据,经地面回收后发现其上的撞击坑达 34000 个,大部。如图 1-2 是哈勃望远镜太阳帆上的撞击坑,虽然空间阳能帆板的正常工作，但碎片撞击传递的动量却会影其姿态和指向性能。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文碰撞频率从而减缓空间碎片威胁的结论[23]。AB Jekin 等 MEO 存储处置轨道的全球使用和配置 MEO 星座处置轨是比美国 SSO 保护区域减少 MEO 碎片风险的更有效的结间碎片环境修复方法以及建模分析了未来大尺寸与小尺。图 1-4 为 ADR 控制碎片增长的仿真示意图。

【参考文献】

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本文编号：2791785