一种空间碎片环境长期演化模型的建模方法

技术领域

本发明涉及空间目标环境建模领域，尤其涉及空间碎片环境长期演化模型的建模方法，通过模拟空间碎片的主要增加和减少机制，用来描述并预测未来两百年内空间碎片环境的演化趋势。

背景技术

随着航天技术的发展，人类的航天活动也日益频繁，留在太空的空间碎片也日益增多。有科学家指出当近地轨道上的物体密度达到足够高时将会引发碰撞雪崩效应。为此国际上多个国家开展了对空间碎片环境长期演化建模的研究，这些研究通常都是通过蒙特卡洛方法，模拟未来航天器的发射、在轨目标的解体及采取的相关减缓清除措施，从而预测未来一两百年的空间环境演化趋势。因而，通过空间碎片长期演化模型可以分析不同的发射水平、不同的减缓清除策略对未来空间环境的影响。目前国内尚未建立相关空间碎片长期演化模型，同时国外的模型都不对外公开使用。为此，我们要对未来空间环境的演化有更清楚的认识就需要建立我们自己的空间碎片长期演化模型，对未来我国进行主动碎片清除提供策略分析和模型支撑。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种空间碎片环境长期演化模型的建模方法，在我国，空间碎片环境建模领域尚无任何长期演化模型，本发明填补了该项空白。

(二)技术方案

本公开提供了一种空间碎片环境长期演化模型的建模方法，包括：步骤S1：对t_s时刻的空间碎片群进行轨道预报，得到t_s+1时刻的空间碎片群；步骤S2：检查t_s时刻到t_s+1时刻有无新物体发射，将新物体发射从其发射时刻预报至t_s+1时刻，并对t_s+1时刻的空间碎片群进行更新；步骤S3：对t_s+1时刻的空间碎片群进行碰撞解体分析，根据碰撞解体分析结果对空间碎片群进行更新；步骤S4：对t_s+1时刻的空间碎片群进行轨道弃置分析，根据轨道弃置分析结果对空间碎片群进行更新；步骤S5：将空间碎片群从t_s+1时刻预报至t_s+2时刻，重复执行步骤S1至S4，当演化至t_s+1年时，进行主动碎片清除，更新空间碎片群；以及步骤S6：重复执行步骤S1至S5，直至演化到200年结束，获得空间碎片环境长期演化结果。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S1是利用半分析法对空间碎片群中的目标进行预报，预报过程中不断更新目标的轨道根数；

在本发明的一个实施例中，所述步骤S2是根据发射子模型来检查t_s时刻到t_s+1时刻之间有无新物体发射，并将新物体发射从其发射时刻预报至t_s+1时刻，更新t_s+1时刻的空间碎片群。

在本发明的一个实施例中，所述的发射子模型是对过去数年的发射情况进行统计分析，利用蒙特卡罗方法进行模拟得到的模型。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S3包括：子步骤S3a：建立笛卡尔坐标系，将近地空间环境划分为一定大小的立方体；子步骤S3b：检查t_s+1时刻空间碎片群中有无两个及两个以上目标处于同一个立方体内；若有，继续执行子步骤S3c，否则，执行步骤S4；子步骤S3c：计算各个立方体内的每两个目标的碰撞概率；子步骤S3d：根据碰撞概率判断是否有碰撞发生；若有，继续执行子步骤S3e，否则，执行步骤S4；以及子步骤S3e：调用碰撞解体模型模拟生成解体碎片，给出解体碎片的物理特征与轨道信息，对空间碎片群进行更新。

在本发明的一个实施例中，所述子步骤S3c依据空气动力学及泊松分布计算碰撞概率。

在本发明的一个实施例中，所述子步骤S3d利用蒙特卡洛方法判断碰撞是否发生。

在本发明的一个实施例中，所述子步骤S3e采用NASA标准解体模型。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S4包括：子步骤S4a：判断空间碎片群中是否存在新发射目标，若存在，则执行子步骤S4b；否则，执行步骤S5；子步骤S4b：检查截至预报时刻有无新发射目标任务期结束；若有，则执行子步骤S4c；否则，则执行步骤S5；子步骤S4c：判断是否存在后续在轨寿命大于25年的新发射目标；若存在，则执行子步骤S4d，否则，执行步骤S5；以及子步骤S4d：将后续在轨寿命大于25年的新发射目标按照轨道弃置率进行弃置，未被弃置成功的新发射目标进行轨道预报，得到更新后的空间碎片群，改变被弃置目标的轨道近地点，使其满足在25年内陨落的规则，并按改变后的轨道进行预报。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S5的主动碎片清除包括：计算1年演化时间中每个目标的碰撞概率累计值；以及将每个目标的碰撞概率累计值与目标本身的质量相乘得到风险指数，将风险指数从大到小的排序，并从空间碎片群中去除风险指数最高的若干目标。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的一种空间碎片环境长期演化模型的建模方法具有以下有益效果：

本发明将相互独立的各个子模块，包括：轨道预报、碰撞概率评估、碰撞解体模型、发射子模型、任务后轨道弃置以及主动碎片清除有机结合在一起，形成一个能够模拟真实发展情况的、有效预测未来发展的演化模型。该演化模型能够描述在不同的发射水平下、不同的碎片减缓清除措施下，未来两百年内任意时刻的空间碎片环境的演化情况，因而能够对未来我国进行主动碎片清除提供策略分析和模型支撑。

附图说明

图1为本发明实施例建模方法的示例图。

图2为图1所示方法的步骤S2的流程图。

图3为图1所示方法的步骤S3的流程图。

图4为图1所示方法的步骤S4的流程图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本发明的空间碎片环境长期演化模型SOLEM(Space Objects Long-termEvolution Model)，以当前空间碎片环境数据作为输入，利用半分析法进行轨道预报，预报过程中不断更新轨道根数，并考虑未来航天器的发射、任务后轨道弃置和主动碎片清除措施，以及在轨道演化过程中可能出现的危险交会和碰撞解体事件(碰撞概率评估算法及碰撞解体分析)，给出未来任意时刻空间碎片的数量增长及密度分布等信息，从而判断分析未来空间环境的稳定性。该SOLEM模型的多个参数可由用户设定，从而让用户对不同的碎片减缓和清除策略进行效能分析。

本发明空间碎片环境长期演化模主要考虑以下因素：

(1)天体力学。根据空间碎片的轨道信息，需要利用天体力学方法对其进行轨道预报，考虑各级摄动对空间碎片轨道运行的影响。

(2)气体动力学。考虑空间目标之间的碰撞，可将其视为空气分子间的碰撞，依据气体动力学来评估空间目标之间的碰撞概率。

(3)蒙特卡洛方法和概率统计理论。判断两个空间目标碰撞是否发生，解体碎片来自哪个母体，解体模型，以及两百年内碰撞事件发生的概率等，都是基于蒙特卡洛方法和概率统计理论。

(4)国际相关法规。需要依据“低轨航天器任务后轨道寿命需小于25年”的规则对任务期结束后在轨寿命超过25年的空间目标进行轨道弃置。

本发明实施例提出了一种空间碎片环境长期演化模型的建模方法，参见图1，包括以下步骤：

步骤S1：对t_s时刻的空间碎片群进行轨道预报，得到t_s+1时刻的空间碎片群。

步骤S1是对空间碎片群中的目标，考虑地心引力、地球非球形引力、第三体引力、大气阻力、太阳光压等摄动力，利用简化的半分析法对空间碎片群中的目标进行预报，预报过程中不断更新目标的轨道根数。此处的半分析法是基于数值积分方法逐步递推计算各历元的轨道根数，其中的摄动力采用解析解进行计算，大气密度模型例如采用NRLMSISE00，预报步长(即预报时刻t_s+1与当前时刻t_s的间隔)dt＝5天。

步骤S2：检查t_s时刻到t_s+1时刻有无新物体发射，将新物体发射从其发射时刻预报至t_s+1时刻，并对t_s+1时刻的空间碎片群进行更新。

参见图2，步骤S2具体包括：

子步骤S2a：从当前时刻t_s开始，检查t_s时刻到t_s+1时刻的时间段内有无新空间目标发射；若有，执行子步骤S2b；否则，执行步骤S3。

子步骤S2b：利用发射子模型将新空间目标从其发射时刻预报至t_s+1时刻，更新t_s+1时刻的空间碎片群。发射子模型是对过去数年的发射情况进行统计分析，利用蒙特卡罗方法进行模拟得到的模型。其中，所述发射情况例如可以包括：发射目标数量、类型、时间、质量、尺寸、轨道分布等。

步骤S3：对t_s+1时刻的空间碎片群进行碰撞分析，根据碰撞分析结果对空间碎片群进行更新。

参见图3，步骤S3具体包括：

子步骤S3a：建立笛卡尔坐标系，将近地空间环境划分为边长为h的立方体。

子步骤S3b：检查t_s+1时刻空间碎片群中有无两个及两个以上目标处于同一个立方体内；若有，继续执行子步骤S3c，否则，执行步骤S4。

子步骤S3c：计算各个立方体内的每两个目标的碰撞概率p_ij；

子步骤S3d：根据碰撞概率判断是否有碰撞发生；若有，继续执行子步骤S3e，否则，执行步骤S4。

子步骤S3e：调用碰撞解体模型模拟生成解体碎片，给出解体碎片的物理特征与轨道信息，根据解体碎片及其物理特征与轨道信息对空间碎片群进行更新。

其中，子步骤S3a、S3b、S3c和S3d构成CUBE算法，子步骤S3c依据空气动力学及泊松分布计算碰撞概率，具体来说，对于整个空间环境演化系统，需对其进行时间及空间采样，根据气体动力学，在立方体体元dU内，在dt时间内，目标i和j的平均碰撞数为：

c＝S_iS_jV_impA_cdUdt>

其中，S_i、S_j分别是目标i和j在体元dU内的分布概率密度，V_imp是目标i和j的相对碰撞速度，A_c为目标i和j碰撞截面。碰撞过程服从泊松统计，故目标i和j碰撞概率为：

p_ij＝1-exp(-c)>

立方体体元dU的边长h为10km，时间采样间隔dt为5天。通过上述方式计算每个立方体体元内每两个目标之间的碰撞概率p_ij。

子步骤S3d利用蒙特卡洛方法判断碰撞是否发生。

子步骤S3e的碰撞解体模型采用NASA标准解体模型，根据两个碰撞目标的质量、尺寸、轨道、撞击速度及碰撞截面等信息，根据质量守恒、动量守恒等条件生成碰撞后解体碎片的质量分布、速度增量分布、尺寸和面质比分布，并利用蒙特卡洛方法按解体碎片的质量比例确定解体碎片的母体，从而给出解体碎片的质量、尺寸、面质比、位置、速度等物理特征和轨道信息。

步骤S4：对t_s+1时刻的空间碎片群进行轨道弃置分析，根据轨道弃置分析结果对空间碎片群进行更新。

参见图4，步骤S4具体包括：

子步骤S4a：判断空间碎片群中是否存在新发射目标，若存在，则执行子步骤S4b；若不存在，即空间碎片群的目标均为已在轨目标，则不进行轨道弃置分析，执行步骤S5。

子步骤S4b：检查t_s+1时刻有无新发射目标任务期结束；若有，则执行子步骤S4c；否则，则执行步骤S5。

子步骤S4c：判断是否存在后续在轨寿命大于25年的新发射目标；若存在，则执行子步骤S4d，否则，执行步骤S5。

子步骤S4d：将后续在轨寿命大于25年的新发射目标按照轨道弃置率进行弃置，弃置到坟墓轨道，未被弃置成功的新发射目标进行轨道预报，改变被弃置目标的轨道近地点，使其满足在25年内陨落的规则，并按改变后的轨道进行预报，从而得到更新后的空间碎片群。

其中可以采用步骤S1的轨道预报方式对未被弃置的新发射目标进行轨道预报。

步骤S5：将空间碎片群从t_s+1时刻预报至t_s+2时刻，重复步骤S1至S4，当演化至t_s+1年时刻时，进行主动碎片清除，更新空间碎片群。

所述主动碎片清除包括：

首先，计算1年演化时间中每个目标i遭受其他目标碰撞的概率累计值P_i。

其中，由子步骤S3c的公式(1)、(2)得到每个预报步长(5天)内目标i的碲撞概率，将1年演化时间内目标i的碰撞概率累积得到概率累计值P_i＝∑p_i。

然后，将每个目标i的概率累计值P_i与目标本身的质量M_i相乘得到风险指数R_i，将风险指数R_i从大到小的排序，并从空间碎片群中去除风险指数最高的若干目标，空间碎片群得到更新。其中，风险指数最高的若干目标可以人工设定，例如风险指数最高的10个目标。

步骤S6：重复执行上述步骤S1至S5，直至演化到200年结束，得到200年的空间碎片群及其轨道信息，从而获得空间碎片环境长期演化结果。进一步地，根据空间碎片环境长期演化结果给出200年中各类空间碎片的数量增长情况、空间碎片密度分布情况、灾难性与非灾难性碰撞事件发生的次数随时间以及随高度的分布情况等信息。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开的一种空间碎片环境长期演化模型的建模方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换；本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。