面向在轨航天器安全的空间碎片精准预警理论方法研究

With fast increasing space activities, the space is getting more and more crowded by space debris, which will cause vital damages to space assets. Nowadays, tens of Chinese satellites are running on orbits. In the future 5 to 10 years, this number may change to more than 100. All these satellites are very important to our life. Once a satellite is damaged, the economy, social affairs and even the safety of our country will be affected greatly. The space activities of our country are now in an interim from step one to space library. Great threats have been put forward to both our satellite and manned spacecraft by space debris. With the increase of future space activities, the threats will be more and more serious. Till now, big gap on space debris collision warning technique still exists between ours and the developed countries’. In this proposal, the main emphasis has been put onto the accurate collision warning problem, to fulfill the great requirement from our country’s space activity. The implementation of this proposal will bring fatal significance to the safety of our space activity, and to the requirement of our country’s strategic safety. Main research contents include: analysis of relativity between collision warning decision-making parameter and accuracy of orbital data; accurate space debris collision warning based on 3d information; study on parallel algorithm of accurate collision warning for a great number of space objects; robust risk assessment based on visualized analysis of conjunction event.

随着人类航天活动日益频繁，滞留在太空中的空间碎片急剧增加。高速运动的碎片会给航天器带来致命损伤。目前，我国在轨运行的卫星已有数十颗，在未来五到十年内可能超过百颗。这些卫星与国民经济关系密切，一旦受损，经济、社会影响巨大，甚至危及国家安全。我国载人航天计划正在由第一阶段向交会对接和长期运行的空间实验室过渡。空间碎片对我国的应用卫星和载人航天计划都已构成严重威胁，随着今后空间活动的增多，威胁将更加严重。我国的空间碎片预警工作与国外相比还存在较大差距，本课题直接从国家航天活动的需求出发，研究面向在轨航天器安全的空间碎片精准预警问题，对保护航天活动安全，服务国家战略安全需求都有重要的意义。主要研究内容包括：碰撞预警决策参数指标与定轨精度的相关性分析；基于空间目标三维信息的空间碎片精准预警计算方法研究；针对海量目标精准预警的并行计算方法研究；基于交会事件可视化分析的碰撞风险鲁棒预测方法研究。

人类正处在一个航天时代，卫星被广泛应用于通信、导航和对地观测等领域，在各国的政治、经济、文化等事务中扮演着重要的角色。然而，航天活动在带来诸多好处的同时也造成了空间碎片的不断增加。它们小到显微镜才能看到，大到几米的尺寸，数量巨大，主要分布在常用的航天器轨道区（LEO和GEO）。高速运动的碎片会给航天器带来致命的损伤，厘米级的碎片就足以使航天器失效。我国是航天大国，任何一颗卫星的损坏都会对国民经济生活与社会安全造成重大影响。空间碎片对我国的应用卫星和载人航天计划都已构成严重威胁，随着今后航天活动的增多，空间碎片的威胁将更加严重。对于尺寸小于1cm的空间碎片，可以给航天器增加防护罩加以防护；而对于更大的碎片则只能采取监测预警方式，预报碎片与航天器相撞的可能性，改变航天器的轨道避免碰撞。实施轨道机动不仅要求很高的航天测控能力，成本也极其昂贵，而且每实施一次机动都会对航天器携带的燃料造成消耗，降低航天器寿命，同时，实施规避机动后还存在导致新的危险交会的可能。因而，空间碎片碰撞预警必须准确以避免不必要的机动，减小损失。. 本项目面向在轨航天器安全，围绕空间碎片精准预警理论方法展开研究，进展良好，计划研究内容均已开展，取得了预期的效果。主要包括：. （1）碰撞预警决策参数指标与轨道精度的相关性分析：分析了碰撞预警决策参数指标与轨道数据精度要求，研究了预警阈值选取方法，指出不同目标应单独选取阈值。. （2）基于空间目标三维信息的空间碎片精准预警计算方法研究：给出了碰撞概率的显示表达式，将碰撞概率表示为交会几何参数的函数，讨论了交会几何对预警计算的影响；分析了航天器与碎片的几何形状因素对预警计算结果的影响，给出了目标在交会平面内投影的提取与面积计算方法。. （3）针对海量目标精准预警的并行计算方法研究：研究了大规模空间碎片预警并行计算方法，根据计算特点，给出了利用预警历史结果进行优化的动态任务分配方法。. （4）基于交会事件可视化分析的碰撞风险鲁棒预测方法研究：在综合运用多重判据对危险交会筛选后，利用可视化技术仿真交会风险历史演化，研制了空间碎片碰撞风险辅助分析软件以辅助决策。