CN110398904A - 用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法，该方法包括确定输入的参数；确定目标碎片；确定探测分系统探测到的所述目标碎片；确定跟瞄分系统跟踪到的所述目标碎片；实施所述目标碎片的优先级排序；实施所述目标碎片的仿真变轨。本发明为天基激光移除空间碎片的方案设计、系统设计提供了更为准确、更加可靠和可信的碎片目标输入，使碎片移除的任务规划更加科学合理。同时通过将计算过程程序化，标准化了输入输出信息，可用于激光移除空间碎片任务规划和仿真模拟软件或直接用于激光移除空间碎片系统控制模块的软件编写，具有广泛的适用性和实用性。

Description

用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法

技术领域

本发明涉及航天、激光技术和空间环境技术领域，尤其涉及一种用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法。

背景技术

天基激光移除空间碎片技术，因其作用距离远、反应迅速、光斑大小可调、效率高等优点，被认为是最能有效应对危险碎片(尺寸在1-10cm)的碎片移除手段。现阶段设计的天基激光移除空间碎片飞行器，由探测、跟瞄、激光器等分系统、系统控制平台和航天器平台组成。其具体工作如下：(1)根据地基或天基提供的先验信息(碎片的预测轨道)，探测分系统对准预定区域对空间碎片进行探测，确定碎片的初始轨道、速度、位置和亮度等信息；(2)对能够被探测系统探测到的碎片，通过跟瞄系统对碎片实时精密定轨和持续精确跟踪；(3)根据碎片的轨道和尺寸信息，确定碎片的移除优先级；(4)启动激光器对碎片实施烧蚀驱动，即按照优先级顺序辐照空间碎片，使碎片获得速度增量改变其运行轨道；(5)通过变轨前后碎片的近地点变化、激光烧蚀驱动碎片过程中激光器工作时间，评估碎片移除的费效比和任务结果。

在碎片移除飞行器的任务流程仿真方面，需要分析和模拟已知多个碎片目标的情况下的移除飞行器的探测、跟踪、排序和变轨过程。当前针对碎片移除的任务流程的仿真，主要针对机械臂或推力离轨技术，尚无天基激光移除空间碎片飞行器的任务流程仿真研究。

上述技术与天基激光移除空间碎片存在任务过程不同、移除平台运动过程不同、目标碎片类型不同、移除过程可控精度不同，无法适用于天基激光移除空间碎片的任务流程仿真。

因此，有必要提供一种用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法解决上述技术问题。

发明内容

本发明针对现有技术任务过程不同、移除平台运动过程不同、目标碎片类型不同、移除过程可控精度不同，无法适用于天基激光移除空间碎片的任务流程仿真的问题，提供了一种用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法，所述仿真方法包括：

确定输入的参数；

确定目标碎片；

确定探测分系统探测到的所述目标碎片；

确定跟瞄分系统跟踪到的所述目标碎片；

实施所述目标碎片的优先级排序；

实施所述目标碎片的仿真变轨。

优选的，所述确定输入的参数包括：碎片的轨道六根数{h_D,e_D,i_D,Ω_D,ω_D,θ_D}、碎片的质量m、碎片的光学反射系数ρ；激光移除平台的轨道六根数{h_L,e_L,i_L,Ω_L,ω_L,θ_L}、激光有效作用距离R，激光单脉冲能量E、探测系统灵敏度V_the、跟踪系统角加速度ω_the、危险交汇距离D_min。

优选的，所述确定目标碎片是利用TLE数据提供碎片的轨道六根数信息和激光移除系统的探测距离限制，计算碎片的近地点、远地点位置，确定出位于激光有效作用范围之内的碎片为目标碎片。

优选的，所述计算碎片的近地点、远地点位置模型函数包括，

已知碎片的轨道六根数，其近地点高度r_Dp为：

已知碎片的轨道六根数，其远地点高度r_Da为：

已知激光移除平台的轨道六根数，其近地点高度r_Lp为：

已知激光移除平台的轨道六根数，其远地点高度r_La为：

其中，μ为地球引力常数，μ＝3.986×10⁵km³/s²；

确定出位于激光有效作用范围之内的碎片，即碎片和激光移除平台的近地点和远地点满足：

r_Lp-R＜r_Dp＜r_Da＜r_La+R

即为目标碎片。

优选的，所述确定探测分系统探测到的所述目标碎片的操作为：

确定太阳、激光移除平台和空间碎片的位置和速度；

确定所述目标碎片的亮度；

确定所述目标碎片在探测分系统上的星等。

优选的，所述确定太阳、激光移除平台和空间碎片的位置和速度包括，

确定太阳轨道的平均椭圆轨道根数随时间的变化关系式为：

其中，T的单位是儒略世纪，d的单位为地球日，有T＝36525d；

轨道六根数转换为地心赤道惯性系下位置r＝{r_x,r_y,r_z}和速度v＝{v_x,v_y,v_z}信息的关系如下；

首先是将轨道六根数转换为近焦点坐标系下的速度和位置信息：

近焦点坐标系中的位置和速度信息转换为地心赤道惯性坐标系下的位置r和速度v信息为：

式中，为转移矩阵。

所述确定目标碎片的亮度模型函数为：

其中，ρ为碎片表面光谱反射率；Es为大气层外太阳光谱照度；910.5W/m2；r为碎片等效截半径，D_r为碎片与平台之间的距离，f(β)为夹角因子，f(β)＝(π-β)cosβ+sinβ，β为太阳、碎片连线与碎片、平台连线的夹角

所述确定所述目标碎片在探测分系统上的星等的模型函数为，

lgE₀-lgE_m＝0.4Vmag

其中，零星等的辐照度规定为E₀＝2.06×10-8W/m²，E_m为空间碎片在入瞳处的照度，V_mag为星等值；

当V_mag≥V_the时，则碎片能够被探测系统成功探测。

优选的，所述确定跟瞄分系统跟踪到的所述目标碎片为当碎片相对于激光移除平台的瞬时加速度满足ω＜ω_the时，表明跟瞄系统能够及时跟踪碎片，

其模型函数为：

优选的，所述实施所述目标碎片的优先级排序为根据碎片的轨道六根数，对所有所述目标碎片进行两两最近交汇的距离的计算，统计每个目标碎片与其他所有目标碎片的危险交汇次数，次数越多则碎片危险等级越高。

优选的，所述每个目标碎片与其他所有碎片的危险交汇次数的计算为：

两者运行过程中达到最接近距离的时刻为

此时刻两物体间的相对位置矢量为：

当D(t_cpa)<D_min时，表明两碎片将发生一次危险交汇。

优选的，所述实施所述目标碎片的仿真变轨包括：

确定目标碎片和天基平台运行状态演化；

确定激光驱动碎片获得速度增量；

确定降轨效果判据。

优选的，所述确定目标碎片和天基平台运行状态演化包括：

在已知初始t₀时刻的位置和速度情况下，可由拉格朗日系数f和g及其一阶导数，根据下述表达式求出任意时刻的位置和速度

利用全局变量χ和斯达姆夫函数C(Z)与S(Z)所表示的拉格朗日系数如下：

其中长半轴的倒数α为：

对于椭圆轨道，α＞0.

所述确定激光驱动碎片获得速度增量为，

当冲量耦合系数为C_m时，质量为m的碎片经单脉冲能量为E的激光烧蚀后于激光作用方向获得的速度增量Δυ为：

碎片速度增量后的瞬时速度为

所述确定降轨效果判据为，

激光多次驱动后直至碎片始终无法进入激光有效作用范围内时，碎片的轨道六根数为此时碎片的近地点r_min为：

分析激光烧蚀驱动前后碎片的近地点位置，即可获得激光驱动后碎片的降轨效果。

与相关技术相比较，本发明提供的用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法具有如下有益效果：

本发明提供一种用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法，为天基激光移除空间碎片的方案设计、系统设计提供了更为准确、更加可靠和可信的碎片目标输入，使碎片移除的任务规划更加科学合理。同时通过将计算过程程序化，标准化了输入输出信息，可用于激光移除空间碎片任务规划和仿真模拟软件或直接用于激光移除空间碎片系统控制模块的软件编写，具有广泛的适用性和实用性。

附图说明

图1为本发明提供的用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法的一种较佳实施例的整体流程示意图；

图2为本发明提供的碎片轨道信息初筛示意图；

图3为本发明提供的移除飞行器探测分系统工作原理示意图；

图4为本发明提供的移除飞行器跟瞄分系统工作原理示意图；

图5为本发明提供的目标碎片优先级排序示意图；

图6为本发明提供的目标碎片优先级排序示意图；

图7为本发明提供的碎片变轨过程仿真流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明提供的用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法的一种较佳实施例的整体流程示意图；图2为本发明提供的碎片轨道信息初筛示意图；图3为本发明提供的移除飞行器探测分系统工作原理示意图；图4为本发明提供的移除飞行器跟瞄分系统工作原理示意图；图5为本发明提供的目标碎片优先级排序示意图；图6为本发明提供的目标碎片优先级排序示意图；图7为本发明提供的碎片变轨过程仿真流程示意图。

如图1所示：一种用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法，所述仿真方法包括：

步骤一，确定输入的参数，

所述确定输入的参数包括：碎片的轨道六根数{h_D,e_D,i_D,Ω_D,ω_D,θ_D}、碎片的质量m、碎片的光学反射系数ρ；激光移除平台的轨道六根数{h_L,e_L,i_L,Ω_L,ω_L,θ_L}、激光有效作用距离R，激光单脉冲能量E、探测系统灵敏度V_the、跟踪系统角加速度ω_the、危险交汇距离D_min。

步骤二，确定目标碎片；

所述确定目标碎片是选取碎片轨道信息初筛，根据TLE数据提供碎片的轨道六根数信息和激光移除系统的探测距离限制，计算碎片的近地点、远地点位置，获得近地点和远地点位于指定区域内的碎片。

已知碎片的轨道六根数，其近地点高度r_Dp为：

已知碎片的轨道六根数，其远地点高度r_Da为：

已知激光移除平台的轨道六根数，其近地点高度r_Lp为：

已知激光移除平台的轨道六根数，其远地点高度r_La为：

其中，μ为地球引力常数，μ＝3.986×10⁵km³/s²。

确定出位于激光有效作用范围之内的碎片，即碎片和激光移除平台的近地点和远地点满足以下关系：

r_Lp-R＜r_Dp＜r_Da＜r_La+R

即为目标碎片。

步骤三，确定探测分系统探测到的所述目标碎片；

其中，探测所述目标碎片为移除飞行器探测分系统工作过程；根据步骤一得出的碎片轨道六根数信息，通过轨道演化模型获得任意时刻下碎片的位置和速度信息；根据激光移除系统的轨道六根数通过轨道演化模型获得对应时刻下激光移除系统的位置和速度信息；根据太阳星历表获得太阳的位置和速度信息；根据太阳和碎片的相对位置及碎片的光学反射系统计算出碎片的亮度；根据碎片和激光移除系统的相对位置和激光移除系统探测系统灵敏度，获得能够让激光移除系统的探测分系统探测到的碎片。

具体的，碎片探测模型是根据太阳与碎片的相对位置关系，计算碎片在太阳辐照下的亮度，根据碎片与天基激光平台的位置关系，计算碎片在探测分系统上的星等；

具体的，计算太阳、激光移除平台和空间碎片的位置和速度包括，

1)确定太阳的轨道六根数信息

对于太阳在地心赤道惯性坐标系中的位置，因导致其变化的主要摄动力源为木星引力，其摄动力的量级只有10-5，即使对于当前几个厘米的激光测距精度，也无需考虑这一轨道变化，尤其是周期变化。在一般情况下，将太阳轨道处理成不变椭圆，其平均椭圆轨道根数随时间的变化关系如下：

其中T的单位是儒略世纪，d的单位为地球日，有

T＝36525^d

2)确定轨道六根数转换到位置和速度

轨道六根数转换为地心赤道惯性系下位置r＝{r_x,r_y,r_z}和速度v＝{v_x,v_y,v_z}信息的关系如下。

首先是将轨道六根数转换为近焦点坐标系下的速度和位置信息：

近焦点坐标系中的位置和速度信息转换为地心赤道惯性坐标系下的位置r和速度v信息为：

式中，为转移矩阵。

(2)确定碎片亮度

空间碎片在入探测分系统处产生的照度为

其中，ρ为碎片表面光谱反射率；E_s为大气层外太阳光谱照度；910.5W/m²。r为碎片等效截半径，D_r为碎片与平台之间的距离，f(β)为夹角因子，f(β)＝(π-β)cosβ+sinβ，β为太阳、碎片连线与碎片、平台连线的夹角。

星等指地球大气层外所接收到的星光照度。零星等的辐照度规定为E₀＝2.06×10^-8W/m²。星等的计算公式为：

lgE₀-lgE_m＝0.4V_mag

其中，E_m为空间碎片在入瞳处的照度，V_mag为星等值。当V_mag≥V_the时，则碎片能够被探测系统成功探测。

步骤四，确定跟瞄分系统跟踪到的所述目标碎片；

其中跟瞄所述目标碎片是移除飞行器跟瞄分系统工作过程；根据碎片和激光移除系统的位置和速度信息，计算碎片相对激光移除系统的瞬时相对角加速度；根据激光移除系统的跟瞄分系统的角加速度阈值，获得步骤二中能够被激光移除系统的跟瞄分系统稳定跟踪和瞄准的碎片。

具体的，已知激光移除平台和空间碎片的相对位置为D_r和相对速度分别为V_r，此时空间碎片相对于激光移除平台的瞬时加速度ω为

当碎片相对于激光移除平台的瞬时加速度满足ω＜ω_the时，表明跟瞄系统能够及时跟踪碎片。

步骤五，实施所述目标碎片的优先级排序；

其中，目标碎片优先级排序；根据碎片的轨道六根数，对所有碎片进行两两(任意两个碎片)最近交汇的距离的计算，示例性的，以50km为最近交汇距离的阈值，最近交汇距离小于50km记为一次危险交汇；统计每个碎片与其他所有碎片的危险交汇次数，次数越多则碎片危险等级越高。

具体的，已知激光移除平台和空间碎片的相对位置为D_r和相对速度分别为Vr，两者运行过程中达到最接近距离的时刻为

此时刻两物体间的相对位置矢量为：

当D(t_cpa)<D_min时，表明两碎片将发生一次危险交汇。

步骤六，实施所述目标碎片的仿真变轨。

其中，选取步骤四中危险等级排名前50的碎片；根据天基激光移除系统的激光器能量、频率和激光有效作用距离和碎片的冲量耦合系数，计算激光驱动后碎片的近地点下降幅度，并记录驱动过程中激光移除系统的工作时长，以近地点下降幅度最大且激光移除系统工作时长最短者为优先移除的碎片。

具体的，在碎片降轨过程中，激光移除平台和碎片都处于在轨运行之中。在已知碎片和激光移除平台某时刻的位置和速度信息后，可求得其任意时刻的位置和速度信息。

(1)碎片和天基平台运行状态演化

在已知初始t₀时刻的位置和速度情况下，可由拉格朗日系数f和g及其一阶导数，根据下述表达式求出任意时刻的位置和速度

利用全局变量χ和斯达姆夫函数C(Z)与S(Z)所表示的拉格朗日系数如下：

其中长半轴的倒数α为：

对于椭圆轨道，α＞0.

(2)激光驱动碎片获得速度增量

当冲量耦合系数为C_m时，质量为m的碎片经单脉冲能量为E的激光烧蚀后于激光作用方向获得的速度增量Δυ为：

碎片速度增量后的瞬时速度为在该位置下由于运动速度的改变引起后续位置和速度的变化，可由6.6(1)求解。

(3)降轨效果判据

激光多次驱动后直至碎片始终无法进入激光有效作用范围内时，碎片的轨道六根数为此时碎片的近地点r_min为：

分析激光烧蚀驱动前后碎片的近地点位置，即可获得激光驱动后碎片的降轨效果。

对输入的碎片信息和激光移除平台，运行上述流程，最终可得到探测系统能够探测、跟瞄系统可跟踪、各碎片与其他碎片的危险交汇次数、激光移除碎片所需的时间、脉冲次数和碎片近地点下降高度等详细信息。统计上述信息，获得移除飞行器的各任务流程的详细工作状态。

本发明，从激光移除平台和空间碎片的实时位置和速度出发，根据太阳辐照下碎片的反射特性、激光移除平台和空间碎片的瞬时相对运动角加速度、危险距离接近和激光驱动空间碎片变轨过程，计算各碎片的亮度、角加速度、接近次数和近地点下降幅度与时间，根据上述结果仿真模拟移除飞行器的任务流程。

首先，需要从输入的碎片轨道六根数中获得各碎片的近地点和远地点高度，确定在给定轨道高度区间范围内的碎片。其次，以太阳、空间碎片和激光移除平台的实时相对位置为基础，根据碎片的反射特性计算其亮度，模拟能够被激光移除平台的探测分系统探测到的碎片。随后，计算空间碎片和激光移除平台的瞬时相对角加速度，模拟能够被激光移除平台的跟瞄分系统稳定跟踪的碎片。再次，根据碎片的轨道六根数信息，计算任意碎片与其他碎片间的危险接近次数。接下来通过激光驱动空间碎片变轨模型，模拟碎片移除的过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法，其特征在于，所述仿真方法包括：

确定输入的参数；

确定目标碎片；

确定探测分系统探测到的所述目标碎片；

确定跟瞄分系统跟踪到的所述目标碎片；

实施所述目标碎片的优先级排序；

实施所述目标碎片的仿真变轨。

2.根据权利要求1所述仿真方法，其特征在于，所述确定输入的参数包括：碎片的轨道六根数{h_D,e_D,i_D,Ω_D,ω_D,θ_D}、碎片的质量m、碎片的光学反射系数ρ；激光移除平台的轨道六根数{h_L,e_L,i_L,Ω_L,ω_L,θ_L}、激光有效作用距离R，激光单脉冲能量E、探测系统灵敏度V_the、跟踪系统角加速度ω_the、危险交汇距离D_min。

3.根据权利要2所述仿真方法，其特征在于，所述确定目标碎片是利用TLE数据提供碎片的轨道六根数信息和激光移除系统的探测距离限制，计算碎片的近地点、远地点位置，确定出位于激光有效作用范围之内的碎片为目标碎片。

4.根据权利要求3所述仿真方法，其特征在于，所述计算碎片的近地点、远地点位置模型函数包括，

已知碎片的轨道六根数，其近地点高度r_Dp为：

已知碎片的轨道六根数，其远地点高度r_Da为：

已知激光移除平台的轨道六根数，其近地点高度r_Lp为：

已知激光移除平台的轨道六根数，其远地点高度r_La为：

其中，μ为地球引力常数，μ＝3.986×10⁵km³/s²；

确定出位于激光有效作用范围之内的碎片，即碎片和激光移除平台的近地点和远地点满足：

r_Lp-R＜r_Dp＜r_Da＜r_La+R

即为目标碎片。

5.根据权利要求2所述仿真方法，其特征在于，所述确定探测分系统探测到的所述目标碎片的操作为：

确定太阳、激光移除平台和空间碎片的位置和速度；

确定所述目标碎片的亮度；

确定所述目标碎片在探测分系统上的星等。

6.根据权利要求5所述仿真方法，其特征在于，

所述确定太阳、激光移除平台和空间碎片的位置和速度包括，

确定太阳轨道的平均椭圆轨道根数随时间的变化关系式为：

其中，T的单位是儒略世纪，d的单位为地球日，有T＝36525d；

轨道六根数转换为地心赤道惯性系下位置r＝{r_x,r_y,r_z}和速度v＝{v_x,v_y,v_z}信息的关系如下；

首先是将轨道六根数转换为近焦点坐标系下的速度和位置信息：

近焦点坐标系中的位置和速度信息转换为地心赤道惯性坐标系下的位置r和速度v信息为：

式中，为转移矩阵：

所述确定目标碎片的亮度模型函数为：

其中，ρ为碎片表面光谱反射率；Es为大气层外太阳光谱照度；910.5W/m2；r为碎片等效截半径，D_r为碎片与平台之间的距离，f(β)为夹角因子，f(β)＝(π-β)cosβ+sinβ，β为太阳、碎片连线与碎片、平台连线的夹角

所述确定所述目标碎片在探测分系统上的星等的模型函数为，

lgE₀-lgE_m＝0.4Vmag

其中，零星等的辐照度规定为E₀＝2.06×10-8W/m²，E_m为空间碎片在入瞳处的照度，V_mag为星等值；

当V_mag≥V_the时，则碎片能够被探测系统成功探测。

7.根据权利要求2所述仿真方法，其特征在于，所述确定跟瞄分系统跟踪到的所述目标碎片为当碎片相对于激光移除平台的瞬时加速度满足ω＜ω_the时，表明跟瞄系统能够及时跟踪碎片，

其模型函数为：

8.根据权利要求2所述仿真方法，其特征在于，所述实施所述目标碎片的优先级排序为根据碎片的轨道六根数，对所有所述目标碎片进行两两最近交汇的距离的计算，统计每个目标碎片与其他所有目标碎片的危险交汇次数，次数越多则碎片危险等级越高。

9.根据权利要求2所述仿真方法，其特征在于，所述每个目标碎片与其他所有碎片的危险交汇次数的计算为：

两者运行过程中达到最接近距离的时刻为

此时刻两物体间的相对位置矢量为：

当D(t_cpa)<D_min时，表明两碎片将发生一次危险交汇。

10.根据权利要求2所述仿真方法，其特征在于，所述实施所述目标碎片的仿真变轨包括：

确定目标碎片和天基平台运行状态演化；

确定激光驱动碎片获得速度增量；

确定降轨效果判据。

11.根据权利要求8所述仿真方法，其特征在于，所述确定目标碎片和天基平台运行状态演化包括：

在已知初始t₀时刻的位置和速度情况下，可由拉格朗日系数f和g及其一阶导数，根据下述表达式求出任意时刻的位置和速度

利用全局变量χ和斯达姆夫函数C(Z)与S(Z)所表示的拉格朗日系数如下：

其中长半轴的倒数α为：

对于椭圆轨道，α＞0.

所述确定激光驱动碎片获得速度增量为，

当冲量耦合系数为Cm时，质量为m的碎片经单脉冲能量为E的激光烧蚀后于激光作用方向获得的速度增量Δυ为：

碎片速度增量后的瞬时速度为

所述确定降轨效果判据为，

激光多次驱动后直至碎片始终无法进入激光有效作用范围内时，碎片的轨道六根数为此时碎片的近地点r_min为：

分析激光烧蚀驱动前后碎片的近地点位置，即可获得激光驱动后碎片的降轨效果。