[發明專利]一種空間碎片軌道快速演化方法

在審

• 申請號: 202011164513.8
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112307615A
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 孫沖;陳建林;張震;袁源
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李紅霖

本發明公開了一種空間碎片軌道快速演化方法，屬于航天器軌道預報領域。通過泰勒多項式將多個碎片的狀態描述為一個標稱狀態和相應狀態偏差分布形式，使用多項式積分代替大量的碎片重復性的軌道積分運算。大量的碎片演化將變成速度極快的數值帶入過程，將大大降低整體的計算效率，可以達到幾個數量級的加速效果。采用高階泰勒展開，本發明所提出的技術方案的運算精度理論上可以達到與傳統蒙特卡洛打靶方法一樣的精度。通過權衡計算精度和計算效率，五階近似方法的誤差小于0.01米，有效避免了因為加速運算而犧牲較大精度。即本發明方法能夠快速演化大量的空間碎片軌道，極大的加快大量碎片的軌道演化速度，并且可以保證整個演化過程中的軌道精度。

技術領域

本發明屬于航天器軌道預報領域，涉及一種空間碎片軌道快速演化方法。

背景技術

隨著航天技術的不斷發展，人造衛星和空間碎片等數量顯著增加?？臻g物體的在軌碰撞和自我解體風險已經嚴重影響到正常的航天活動。如果因意外產生爆炸或碰撞，將產生更多的空間碎片，從而進一步加劇空間環境的惡化。因此，近年來航天領域的專家均認為：僅減緩空間碎片的形成還遠遠不夠，即使未來的空間活動不再產生新的空間碎片，空間現存的碎片和衛星仍將面臨巨大的碰撞威脅。因此需要對現有的空間碎皮進行清除，而準確地預報空間碎片的運動軌道是清除空間碎片、減少空間碰撞事故的前提條件。

Z.A.Anastassi和T.E.Simos在文獻《An optimized Runge–Kutta method forthe solution of orbital problems》中針對衛星軌道演化問題使用了龍格庫塔積分方法對軌道運動方程進行了演化，從而預測軌道未來的運動趨勢，但隨著軌道演化時間的增長，運算時間將明顯增加；為了減少大量軌道演化過程中所消耗的時間成本，張斌斌等人在《空間物體解體碎片云的長期演化建模與分析》中采用了將大量碎片按照碎片云的分布情況運用龍格庫塔法求解，雖然減少了運算時間，但運算精度卻大幅度降低。

為了預報準確的空間碎片軌道，降低碰撞風險，在空間碎片的軌道演化過程中需要保證軌道演化的精度。目前主流的空間碎片軌道計算方法是通過積分其非線性動力學方程組進行求解。然而，空間碰撞和空間解體事故在發生時，往往產生大量的碎片。同時，現存的空間碎片數量又非常龐大。因此，空間碎片軌道的長期演化需要消耗大量的計算成本。再者，空間碎片的運動除了受到地球引力外，還會受到復雜的月球引力、太陽引力、太陽光壓及稀薄大氣等諸多攝動影響，更加加劇了計算的復雜度。

綜上所述，亟需發展一種新的空間碎片運動軌道的快速演算方法。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術中，空間碎片運動軌道計算方法的運算時間較長和運算精度較低的缺點，提供一種空間碎片軌道快速演化方法。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種空間碎片軌道快速演化方法，包括如下步驟：

步驟1，對空間解體模型進行空間解體模擬，得到一系列不同大小的碎片，以及碎片的面質比、質量和速度增量；

步驟2，對所有碎片的速度增量采用多項式進行建模，形成初始軌道狀態集合；

步驟3，對步驟2的初始軌道狀態集合進行泰勒多項式近似，設置演化時間，在多項式框架下積分動力學模型，得到以位置增量和速度增量為變量的多項式；

步驟4，以各碎片的初始速度增量及步驟3得到的多項式為基礎，得到各碎片在最終時刻的狀態，完成碎片的多項式軌道演化和所有碎片的統計信息演化。

優選地，步驟1所述空間解體模擬后得到的碎片的數量N(L_c)按照公式(1)計算：

N(L_c)＝S6L_c^-1.6 (1)