空間目標(biāo)軌道力學(xué)與誤差分析

前言

軌道力學(xué)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已形成完整有效的理論體系，被廣泛應(yīng)用于航天器的軌道設(shè)計(jì)、軌道控制和軌道確定等方面。在這些應(yīng)用中，軌道計(jì)算被認(rèn)為是一個(gè)確定性問(wèn)題，即給定初始?xì)v元的軌道根數(shù)，通過(guò)解析公式或數(shù)值積分就可以獲得未來(lái)某一時(shí)刻的軌道根數(shù)。在實(shí)際工程中，各種測(cè)量手段所獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)是存在誤差的。帶誤差的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)定軌算法處理后，所獲得的軌道根數(shù)必然存在誤差。這些誤差將導(dǎo)致軌道外推的結(jié)果是一個(gè)沿均值軌道散布的誤差管道。只有當(dāng)誤差小到一定程度，或在工程上認(rèn)為可忽略的時(shí)候，定軌算法獲得的軌道根數(shù)所外推的軌道才被近似認(rèn)為是航天器的真實(shí)軌道。隨著空間目標(biāo)的增多，大量非合作目標(biāo)，如失效的衛(wèi)星、火箭箭體及空間碎片等的出現(xiàn)，使得空間目標(biāo)相互碰撞的概率不斷增加。早期的航天器碰撞預(yù)警主要基于區(qū)域判定方法。此方法只進(jìn)行軌道外推，不計(jì)算誤差管道，利用區(qū)域范圍來(lái)解決誤差影響問(wèn)題。區(qū)域判定法是一種平均方法，它的區(qū)域劃定根據(jù)的是空間目標(biāo)預(yù)報(bào)的平均誤差，在多數(shù)情況下過(guò)于保守，它有可能在并不需要的時(shí)候造成航天器不必要的機(jī)動(dòng)，浪費(fèi)寶貴的機(jī)動(dòng)能力。為了提高決策精度并降低機(jī)動(dòng)頻率，應(yīng)當(dāng)采用基于碰撞概率的防撞規(guī)避機(jī)動(dòng)方法。這種概率方法的基礎(chǔ)就是軌道誤差外推和碰撞概率計(jì)算?？臻g目標(biāo)碰撞預(yù)警與規(guī)避機(jī)動(dòng)已成為航天領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，其重要性將隨著人類航天任務(wù)的增多而不斷增加。解決此類問(wèn)題，需要從誤差的角度，對(duì)空間目標(biāo)在軌運(yùn)行的軌道力學(xué)、定軌方法、誤差特性及應(yīng)用等方面進(jìn)行研究。在空間監(jiān)視的基礎(chǔ)上，航天器對(duì)于可跟蹤觀測(cè)空間目標(biāo)進(jìn)行碰撞預(yù)警與機(jī)動(dòng)規(guī)避主要涉及兩類理論問(wèn)題：一是與空間目標(biāo)軌道理論相關(guān)，包括軌道確定、軌道預(yù)報(bào)、接近分析、機(jī)動(dòng)規(guī)避等；二是與誤差及概率問(wèn)題相關(guān)，對(duì)軌道確定、軌道預(yù)報(bào)中不可避免的不確定性及其引起的概率問(wèn)題進(jìn)行分析，利用概率對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)動(dòng)規(guī)避進(jìn)行評(píng)估。

內(nèi)容概要

本書(shū)總結(jié)了作者近十年的工作，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了初步闡述，希望為想在此領(lǐng)域深入研究的技術(shù)人員提供幫助。全書(shū)共分為九章。第一章概要介紹空間碎片的在軌分布、危害、防護(hù)和減緩，并介紹航天器碰撞預(yù)警和機(jī)動(dòng)規(guī)避涉及的主要問(wèn)題；第二章介紹與空間目標(biāo)軌道緊密相關(guān)的時(shí)問(wèn)和坐標(biāo)系統(tǒng)的基本定義，并給出各系統(tǒng)之問(wèn)的轉(zhuǎn)換關(guān)系；第三章在高精度軌道預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上采用協(xié)方差分析描述函數(shù)法對(duì)初始狀態(tài)誤差進(jìn)行推衍，研究誤差傳播情況；第四章研究基于協(xié)方差分析描述函數(shù)法的軌道改進(jìn)算法，對(duì)稀疏點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)定軌進(jìn)行了分析；第五章以兩行軌道根數(shù)為代表分析軌道預(yù)報(bào)的解析模型，并對(duì)根數(shù)擬合和預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行討論；第六章分析空間目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，介紹空間目標(biāo)相對(duì)距離的特性，討論了Hill方程在軌道預(yù)報(bào)誤差分析中的應(yīng)用；第七章介紹空間目標(biāo)碰撞預(yù)警中的接近分析方法，給出了基于攝動(dòng)分析的機(jī)動(dòng)規(guī)避算法；第八章研究了碰撞概率的計(jì)算方法；第九章利用碰撞概率顯式表達(dá)式對(duì)碰撞概率的影響因素進(jìn)行了分析。

書(shū)籍目錄

第一章　緒論  1.1　空間碎片影響分析    1.1.1  空間碎片的危害    1.1.2　空間碎片防護(hù)措施    1.1.3  空間碎片的減緩  1.2　航天器碰撞預(yù)警與機(jī)動(dòng)規(guī)避    1.2.1  空間目標(biāo)軌道理論與應(yīng)用    1.2.2　基于碰撞概率的預(yù)警方法　參考文獻(xiàn)第二章　時(shí)間系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng)  2.1　時(shí)空基本概念  2.2　時(shí)間系統(tǒng)    2.2.1  時(shí)間系統(tǒng)的定義    2.2.2  時(shí)間系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系  2.3　坐標(biāo)系統(tǒng)。    2.3.1  坐標(biāo)系的定義和變換    2.3.2　坐標(biāo)系的發(fā)展趨勢(shì)　參考文獻(xiàn)第三章　軌道預(yù)報(bào)與誤差傳播  3.1　高精度軌道預(yù)報(bào)模型    3.1.1　地球引力加速度    3.1.2　第三體引力攝動(dòng)    3.1.3　大氣阻尼攝動(dòng)　……第四章　數(shù)據(jù)預(yù)處理與軌道改進(jìn)第五章　兩行軌道根數(shù)的分析與應(yīng)用第六章　空間目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)第七章　碰撞預(yù)警與機(jī)動(dòng)規(guī)避第八章　碰撞概率計(jì)算第九章　碰撞概率影響因素附錄A　地球非球形引力報(bào)動(dòng)攝動(dòng)加速度附錄B　TLE軌道根數(shù)格式說(shuō)明

章節(jié)摘錄

插圖：空間目標(biāo)是指離地球表面100km以外空間（又稱外層空間）的所有人造天體，包括人造地球衛(wèi)星、空間站、宇宙飛船、航天飛機(jī)以及由它們或它們的廢棄物產(chǎn)生的空間碎片。除探月及星際探測(cè)外，人類的航天活動(dòng)主要在地球同步軌道以內(nèi)進(jìn)行，因此目前的空間目標(biāo)中99％以上在距地表200kin～40000km高度范圍內(nèi)?？臻g碎片又稱軌道碎片，在數(shù)量上占空間目標(biāo)的絕大多數(shù)，主要是指宇宙空間中除正常工作的航天器外的所有人造物體，包括在軌運(yùn)行的各種殘骸和碎片，大到廢棄的衛(wèi)星、運(yùn)載火箭末級(jí)，小到固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后的氧化鋁小顆粒或從航天器上剝落下來(lái)的漆片。隨著人類航天活動(dòng)的不斷增加，空間目標(biāo)的數(shù)量急劇上升，空間碎片環(huán)境有惡化的趨勢(shì)。截至2010年1月，美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）編目的可跟蹤空間目標(biāo)總數(shù)已超過(guò)15000個(gè)，其中空間碎片的數(shù)目占總數(shù)的90％以上，而且其數(shù)目還將繼續(xù)增加。與此同時(shí)，還有數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的無(wú)法跟蹤編目的微小空間碎片在空間存在。

編輯推薦

《空間目標(biāo)軌道力學(xué)與誤差分析》是由國(guó)防工業(yè)出版社出版的。

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