法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-09-27
授权
发明专利权授予
技术领域
本发明涉及航天测量与控制领域，尤其涉及一种针对运载火箭发射前与空间目标交会评估的计算方法。
背景技术
随着人类航天事业的加速发展和航天活动的日益剧烈，在轨空间目标(航天器、火箭箭体和空间碎片等)的数量不断增加，空间碎片环境有进一步恶化的趋势。截止2020年12月，美国联盟太空作战中心所属SPACE-TRACK网站公布的可跟踪在轨空间目标总数接近21000个。据统计，有超过10万个直径大于1cm的空间目标在轨运行，直径小于1cm的的微小碎片则数以百万计。空间目标数量的急剧增加使其与进入空间的目标和已经在轨运行的目标之间发生碰撞的风险明显增加，对航天器的正常运行、运载火箭的发射和近地空间的可持续发展构成了严重的、持续的且广泛的威胁。航天史上已经发生多次空间目标之间发生碰撞的实例。例如，1996年7月24日欧空局Ariane火箭碎片撞断了法国Cerise卫星的重力梯度杆；2009年2月11日美国铱33号卫星和俄罗斯宇宙2251卫星发生相撞等。经计算可知，空间目标之间的碰撞速度一般可达每秒10千米，10克重量的空间目标与航天器碰撞产生的动能相当于小轿车以100千米每小时的速度撞击产生的动能，因此可以确定，厘米级以上的空间目标碰撞带来的危害是巨大的、不可承受的。
空间目标发生在轨碰撞，对太空环境造成的影响和破坏是长期性的。为了保持太空环境的长期可持续发展利用，世界各航天大国已经在空间目标碰撞评估及预测方面展开了行动。同时，为了在避免在发射过程中出现碰撞的风险，联合国和平利用外层空间委员会在《外层空间活动长期可持续准则》中建议：应该对拟发射的空间物体进行发射前的交会评估，以避免在发射期间与空间目标有可能发生碰撞的风险。
运载火箭发射前与空间目标的交会评估分析工作，就是针对给定的运载火箭发射窗口，利用其发射前的理论飞行轨迹，计算其与在轨空间目标之间的交会距离小于给定的安全阈值的情况。目前，大多数学者都是针对在轨运行航天器与空间目标之间的碰撞风险开展分析研究，而针对运载火箭发射前开展交会评估的研究较少。两者的不同之处在于，由于运载火箭的发射窗口一般都在半小时以上，按照1秒的时间间隔，则其对应的飞行轨迹就在1800条以上，开展运载火箭发射前的交会评估工作，就需要计算至少1800条飞行轨迹与所有空间目标的交会情况；而在轨运行航天器的飞行轨迹是相对固定的，因此其碰撞风险评估的计算量与前者相比要小得多，但两者的计算精度要求是相同的。此外，发射前的交会评估工作一般要求在1小时内完成。若仍采用传统的航天器碰撞评估方法开展运载火箭发射前的交会评估，是难以满足高时效和高精度要求的。
鉴于上述原因，本发明针对运载火箭理论飞行轨迹特点和空间目标在在轨运行规律，提出了一种针对运载火箭发射前与空间目标交会评估的计算方法，能够有效解决运载火箭发射前与空间目标交会评估对高时效性和高精度的需求。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种针对运载火箭发射前与空间目标交会评估的计算方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明包括以下步骤：
S1：在给定的发射窗口时段内，计算运载火箭在时间段内惯性坐标系下的空间位置；
S2：将运载火箭在WGS84坐标系下的空间位置转换为J2000惯性坐标下的空间位置；
S3：根据步骤S1中时段内空间目标J2000惯性坐标下的位置，挑选出与运载火箭位置时刻对应的空间目标位置；
S4：根据步骤S2中计算的运载火箭位置和步骤S3中筛选空间目标位置计算两个目标之间的相对距离；
S5：根据步骤S4中的相对距离序列，采用拉格朗日插值算法计算空间目标与运载火箭的碰撞风险；
S6：根据步骤S2-S5的方法计算空间目标与运载火箭的危险发射时刻；
S7：根据步骤S2-S6的方法评估时刻交会情况，统计得到发射窗口时段内的安全发射时段和危险发射时段。
本发明的有益效果在于：
本发明是一种针对运载火箭发射前与空间目标交会评估的计算方法，与现有技术相比，本发明针对运载火箭理论飞行轨迹特点和空间目标在在轨运行规律，本发明提出了一种利用运载火箭理论飞行轨迹在其发射前与空间目标开展交会评估的计算方法，该方法有效的解决了运载火箭发射前与空间目标交会评估对高时效性和高精度的需求。
附图说明
图1是本发明的运载火箭飞行高度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明的技术方案是：在给定的发射窗口时段内，筛选出符合条件的安全发射窗口时刻的计算方法，筛选条件为：运载火箭与所有空间目标之间的交会距离小于给定的安全阈值，包括如下步骤：
步骤一：在给定的发射窗口时段[t
步骤二：在t
步骤三：根据步骤一中[t
步骤四：根据步骤三中计算的运载火箭位置[x
步骤五：根据步骤四种的相对距离d
步骤六：根据步骤三至步骤五的方法，计算所有m个空间目标与运载火箭之间相对距离最小值d
步骤七：根据步骤二至步骤六的方法，评估所有t
实施例：
设定2020年12月26日某一运载火箭从拜克努尔发射场发射，火箭飞行最大高度为660千米，飞行时长为607秒，发射窗口为北京时间12时至12时30分，预设运载火箭与空间目标之间的交会距离安全阈值为20千米，空间目标编目数据选用2020年12月26日美国联盟太空作战中心所属SPACE-TRACK网站公布的TLE根数，共计20578个，运载火箭的飞行高度随时间的变化如图1所示；
采用本发明的计算方法，针对运载火箭在发射前与空间目标开展交会评估，在发射窗口2020年12月26日12时至12时30分时段内，交会评估结果如表1所示：
表1交会评估安全发射窗口时段
表2运载火箭与空间目标具体交会情况
选用的计算机配置为：Inter i5 CPU@3.7GHz,4.0G内存，Windows764位操作系统。在此条件下，计算结果如表1和表2所示，完成计算所需的时间为31分48秒，耗时远小于1小时的时间要求。从表1和表2可以看出，使用本发明的计算方法，对于一个30分钟时长的发射窗口，采用1秒的窗口间隔步长，开展运载火箭发射前与20000余个空间目标之间的交会评估分析，仅需31分48秒即可筛选出满足给定条件的安全发射窗口时段，同时交会距离计算精度达到米量级。这说明，采用该方法的计算结果能够同时满足高时效性和高精度的要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
机译： 基于轻，中，重类空间火箭族的运载火箭在世界海洋水域发射的宇宙空间运输系统
机译： 出现了一种针对目标的电动机械设备，该目标相对于试图击中他的目标而移动，这种目标针对的是通信技术的从业者。
机译： 射手训练系统，发射器对准目标，传感器单元带武器的第二发射器，第二发射器的测量数据接收器传递到评估单元进行评估
