碰撞风险评估标准适用性分析-论文.pdf

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1、第55眷第5期天文学报Vo1．55NO．52014年9月ACTAASTR0NOMICASINICASep．，2014碰撞风险评估标准适用性分析木李甲龙，2十熊建宁，3许晓丽，3赵长印，3(1中国科学院紫金LU天文台南京210008)(2中国科学院大学北京100049)(3中国科学院空间目标与碎片观测熏点实验室南京210008)捅晏随着空间碎片数量的不断增加，空间目标碰撞预警技术已经受到人们越来越多的关注．早期普遍使用几何区域(BOX)判定法对空间目标的碰撞风险进行评估，但它是一种比较保守的方法，工程实用性低；90年代后开始广泛地研究和采用碰撞概率判定法，这种方法综合考虑窄问目标交会时刻的多个参

2、数，但是由于其数学模型对轨道误差数据的依赖程度很高，所以在某些情况下会导致预警结果不准确．通过仿真的方法，模拟两条确定交会的标准精密轨道，由程序生成随机误差加入到标准轨道生成有误差的轨道，计算最接近距离和碰撞概率，并分析二者之间的关系．结果表明，当轨道预报精度较差时，碰撞概率判定法可能会失效，需要结合几何区域判定法进行综合判定，以避免碰撞预警过程中的“误判”和“漏判”．关键词天体力学：轨道计算和定轨，方法：数据分析中图分类号：P138；文献标识码：A1引言随着人类航天活动越来越频繁，航天器和空间碎片的数目都在不断增加，这火大增加了航天器与航天器、航天器与空间碎片之间的碰撞几率而导致恶性循环产生

3、更多的碎片．当太空中的碎片密度达到一定值时，甚至可能引起碎片之间的链式碰撞，长此以往，将严重影响人类航天事业的进一步发展．一旦空间碎片跟航天器发生碰撞，可能会改变航天器的性能，导致系统故障，影响航天器的正常运行．目前主要采取3种防护手段保障航天器的正常运行：从根本上着手，减少人类活动对航天坏境的进一步破坏；通过增强航天器自身的防护设计即优选表面材料、改变结构等方法来提高其自身的“免疫力”；对于直径大于10CII1的人空问碎片，则需要进行碰撞风险评估，以判断是否采取轨道规避机动[1】．评估空间目标碰撞风险的方法，主要有几何区域判定法和碰撞概率判定法两种．几何区域判定法是空间目标碰撞风险评估较早使

4、用的一种方法，该方法主要是根据航天器的定位和空间碎片的观测预报都存在一定误差而引入的，是一种基于平均原理的判定方法．在航天器周围定义警戒区域和规避区域，通过判断空间碎片是否落入这些区域米评2014—04-15收到原稿，2014-04-29收到修改稿国家自然科学基金项目(11203085)资助十jlli@pmo．ac．CI15期李甲龙等：碰撞风险评估标准适用性分析估交会的危险程度．当空间碎片进入警戒区时，需要不断更新轨道预报数据，密切监视空间目标的进一步走向；当空间碎片进入规避区域时，则需要对航天器实施机动变轨以规避空间碎片．以美国航天飞机为例，当预报结果表明空间碎片进入以航天器为中心、(~25

5、km)X(土5km)×(士5km)(分别表示Ⅳ方向距离)的区域范围内，地面监测系统就会发出警报，并提供更详细的轨道预报数据，持续跟踪和不断更新．当目标进入以航天器为中心、(士5km)×(士2km)×(4-2km)的区域范围内，则需要考虑对航天器实施机动变轨以规避碰撞【2】．这种方法具有普适性，对于任何轨道类型的航天器和空间碎片都适用，航天器和空间碎片之间的几何相对距离成为判断是否发生碰撞的唯一判据．但相应的缺点是在工程实践上过于保守，容易发生“误判”．以国际空间站为例，只以几何相对距离这一个参量作为判据的话，每年则会出现l0次以上的必要的规避操作，而每次规避都必须终止正在进行的对轨道有严格要求

6、的试验，如微重力实验等等，并且每一次轨道调整都需要消耗很多能源，这样既大大降低了飞行效率又增加了规避成本，是很不经济的，所以在90年代末以后，国际上开始普遍采用碰撞概率判定法．碰撞概率判定法综合考虑了两个交会目标的尺寸大小、交会时刻的位置速度几何关系以及位置误差协方差等因素．根据工程实际需要，一般设定一个红色预警阈值(10_一41和一个黄色预警阈值(10-5)．当计算所得碰撞概率小于黄色预警阈值，表明此次交会是安全的；当碰撞概率大于黄色预警闽值小于红色预警阈值，表明此次交会的碰撞风险很大，需要获取更加详细的数据进行进一步判断；当碰撞概率大于红色预警阈值，表明需要实施轨道机动规避以确保航天器的安

7、全【2】．采用碰撞概率判定法，可以避免很多的误警，同样以国际空间站为例，每年的机动规避次数下降到1—2次．因此碰撞概率判定法是一种更加经济实用的碰撞风险评估方法，但是它在一定程度上还存在缺陷．由于碰撞概率计算建立在大量误差数据的基础上，其数学模型对轨道误差数据的依赖程度很高，所以当某些轨道误差较大，尤其当预报期较长时，采用碰撞概率判定法得到预警结果往往不准确，以致发生“漏判”．为了避免使用这两种单