面向空间碎片编目的天基监测系统研究

发布时间：2020-10-30 06:37

　　 随着空间发射活动的持续进行,空间飞行器的数量呈稳定的增长趋势。然而失效卫星、航天器、火箭上面级及其爆炸、碰撞和解体的产物形成了数十万计的空间碎片,加剧了空间环境的拥挤。为避免工作卫星与其碰撞,以及更好地开展主动移除、空间交通管理等相关活动,对空间碎片进行编目并维护其轨道是必要的。编目和维护空间碎片的轨道依靠空间监测网的探测完成。美国有世界上分布最佳、设备性能最优的天地基一体监测网络,当前能维护约23000个空间目标的编目,未来随着新一代太空篱笆、3.5米空间监测望远镜以及天基监测星座部署完成并开始常规探测,其编目目标数量将急剧增加,可探测碎片的尺寸将低至厘米级。空间碎片轨道编目包含新目标的编目入库和已编目目标的轨道更新维护两方面的内容,二者的数据基础很多情况下是每天或每两天的一个观测弧段。在这种稀疏数据条件下,完成新目标的编目入库和已知目标的编目维护,与具有充分多且高精度观测值的卫星精密轨道确定有显著的差异。首先,在空间碎片观测数据稀疏条件下,即编目目标24-48小时1个甚短观测弧段,数据获取频率仅几个赫兹,空间碎片的轨道确定精度呈现相当大的波动。即便观测弧段数目、观测精度、观测时长(观测值个数)和观测者至目标距离等条件相同或处于同一个水平,这一现象仍然存在,说明存在影响轨道确定精度的未知因素。为此,本文引入近圆轨道目标观测弧段的相位参数,即观测弧段相对于第一个定轨弧段在轨道上以360度为模的相位,研究相位分布与轨道确定精度的关系。实验发现,给定长度和观测精度相同的3个弧段,它们的相位分布对定轨误差具有决定性的影响,同时也影响轨道解算协因数矩阵对应的相关系数矩阵的条件数。当3个弧段在相位上均匀分布时,轨道确定误差最小,对应的条件数也较小;当中间弧段的相位与第1或第3弧段的相位接近时,轨道确定误差达最大值,对应的条件数可能有量级上的变化。以低轨碎片2-3天3观测弧段定轨为例,由相位引起的最大与最小轨道确定误差之比达2-3倍,最大与最小条件数之比可达10倍。为描述观测弧段相位分布的优劣,本文提出用弧段相位位置在单位圆上构成的多边形面积作为指标,并利用条件数作为辅助指标,它们均能够通过简单计算而获得。这一发现,在监测资源有限时,为碎片监测规划、稀疏数据条件下编目碎片轨道确定与预报误差分析,提供了理论依据,也可用于确定未来监测网传感器位置优化设计的目标函数。其次,由于地基监测台站分布的限制和地基光学监测作业时间受光照和天气制约,在未来相当长时期的技术条件下,厘米尺寸碎片的监测将主要利用天基光学监测技术。因此,开展以厘米级碎片编目为目的的天基光学监测系统研究具有重要的意义。天基光学监测以卫星为平台,利用望远镜进行摄影测量,获取空间碎片的角度观测值,作为编目库建设的数据基础。本文分别以实现低轨20万碎片和高轨10厘米碎片的编目入库和维护为目标,开展低轨监测卫星星座和零倾角监测卫星仿真设计研究。仿真结果表明,8颗搭载大口径大视场(例如1.5米口径,10°×10°视场)望远镜的卫星构成的Walker星座可维护以厘米尺寸为主的20万低轨碎片的动态编目,其中约12万碎片可持续维护编目。对于高轨碎片,一颗轨道高度在4163公里的零倾角大口径大视场望远镜(1.5米口径,20°×20°视场)可以对94.7%地球同步轨道带小至10厘米目标平均每天至少观测一次。本文还对74个高轨10厘米碎片样本在7天内496个仿真探测弧段进行初轨确定和关联性能评估,应用基于距离搜索的初轨确定方法,初轨成功率为97.4%,其中接近70%的初轨解的半长轴误差小于25公里;应用纯几何的初轨关联算法,关联的正确率为89.7%,66个目标的观测弧段获得了正确关联,表明89%的高轨碎片在7天之内能被编目入库。由此推论,本文设计的零倾角监测卫星可以实现绝大部分高轨碎片的编目入库。最后,针对当前缺乏一种科学的手段评估空间监测网(包括天基和地基设备)随站点分布、设备性能变化等引起监测编目效能变化这一状况,本文展开了空间监测装备系统效能和贡献度评估的研究。效能评估的基础是各种类型、各种工作模式的设备的模拟探测结果。在此基础上,引入了AHP层次分析法确定评价指标,采用整体法和规则推理法进行效能分值和任务执行水平的计算,最后通过对比移除装备前后体系的效能分值或者任务执行水平的变化来确定贡献度。该方法仅在评价指标的权重确定时利用了专家经验,其它步骤均是基于仿真的结果,可靠性高。利用研发的软件系统,模拟一包含天基卫星和地基光学、雷达站点的仿真空间监测网,并进行“目标编目”效能和贡献度评估,整体法和规则推理法计算出的600公里太阳同步晨昏轨道卫星对整体的贡献最大,分别为50%和54%,贡献度虽有差异但很接近,这个结果也印证了天基系统在空间监测方面的优势。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V528
【部分图文】：

图 1.1 美国编目目标的增长情况（1957-2017）拥挤的空间环境，卫星的发射和运行需面对极大的考验和风险。事述提到的灾难性碰撞，卫星被碎片击中不能工作或者部件受损的情。例如，1996 年法国实验卫星 CERISE 被欧空局 Ariane 火箭的上的碎片击中重力梯度臂而失衡 [11]；2013 年俄罗斯大地测量卫星碎片击中失去功用 [12]；2016 年欧空局卫星 Sentinel-1A 的太阳帆击中，使得卫星可供应电量下降了 5% [13]。另外，随着空间目标碰撞预警的次数激增。2014 年，我国 170 颗在轨卫星收到红色碰2015 年达到 87 次 [14]。国际空间站 ISS 为了躲避碰撞，每年都要机动。当前的空间环境非常脆弱[15]，一旦发生链式碰撞[16]，即类的连续碰撞，空间资源将不再可用。 选题的背景和意义碎片是工作卫星安全运行的最大隐患[3]。LEO 空间目标的平均

要的空间监测网监测网是空间目标监测网络的总称，既包括地基设备，也包括天网是观测空间目标的基础，网的分布和设备的性能决定了观测精度，以及能持续观测的目标数量。空间监测网的分布和性空间监测网，其次为欧洲和俄罗斯的空间监测系统。下面介绍测网的概况。国空间监测网属于美国空军太空司令部，最初用于弹道导弹的预警，站点导弹可能进入美国的路线上，某些站点对于空间目标的覆盖并、迁移、升级和改造 [22]，SSN 发展为覆盖全球 30 多个站点善中的天基监测星座 SBSS[23]，其中 10 个站点由指向不同方镜，相控阵雷达或雷达组成，站点的分布见图 1.2。

武汉大学博士学位论文倾角目标 [25]。4 个 GEODSS 站点上的 1 米望远镜计划替换为 3.5 米大口径望远镜 SST [26]，所有的 SST 附近增设 0.5 米量级的区域增强望远镜。SBSS 的后续卫星计划尚不明确，目前用于空间目标监测的仅有的两颗卫星为 SBSS-1 [27]和加拿大的 Sapphire [28-30]，关于它们的部分资料是公开的，详见表 1.1，标注 “N/A” 的表示未知信息。地球同步空间态势感知项目（GSSAP）已将 4 颗卫星送上近 GEO 轨道，它们主要用于深空目标的成像，对于扩大编目库的作用不大。表 1.1  -1 和  pphire 卫星参数卫星 高度（km） 轨道类型 口径（cm） 视场 数据量/天 极限星等SBSS-1 630 太阳同步 30 п п 12000 16.5thSapphire 780 太阳同步 13.7 п п N/A 15th
【参考文献】

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本文编号：2862136