面向低轨卫星星座的轨道演化分析及碰撞风险研究
学位级别：硕士
导师姓名：王荣兰
授予年度：2022年
学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术]
主 题：轨道预报 低轨卫星星座 碰撞风险 空间碎片环境 碰撞预警
摘 要：低轨大型卫星星座是近年来的研究热点,其在通信和遥感领域中的应用价值逐渐被发觉,相关的星座运营商申请了包含数千至数万颗卫星的星座部署计划。大量的小卫星发射计划将导致一些重要轨道区域的空间物体数量急剧增加,能够持续利用的轨道和频率资源减少,空间物体碰撞概率显著上升。尽管一些卫星在设计过程中加入了自动防碰撞规避功能和任务结束后主动离轨环节,但运行中存在的碰撞风险可能会造成这些功能失效。因此为了更好的模拟和衡量星座引入对空间环境的影响,在对卫星星座轨道能够进行准确预报的基础上,给出合理的风险评估参量及碰撞后参考期限内空间环境参量的变化。本文以目前部署进度较为快速的Starlink星座作为研究对象,针对星座的轨道预报方式进行适当改进,给出单颗卫星的星座总体的碰撞风险评估参数、机动规避策略选取,评估卫星发生碰撞的后果、对空间环境短期和长期影响,给出卫星任务后处置成功率对环境的影响。文本主要研究内容如下:进行了推力反演分析及轨道预报精度改进研究。给出了航天器运行过程中受到的摄动力影响模型和相应的坐标转换方式,为后续建模计算做好基础准备。筛选Starlink星座发射数据,得到稳定性和规律性较强的发射批次反演卫星爬升推进力,分析了推力与释放方式之间的关系,对比平均推力和真实数据演化的推力确保数据可靠有效。基于切向推力摄动模型,选定6小时的预报时长,使用龙格库塔数值法模拟计算在二体模型和引入推力模型后两种情况下的位置速度预报误差、精度改善情况,分析了造成误差的可能原因和改进方向。进行了卫星星座碰撞风险和机动规避分析。给出空间物体的碰撞概率和通量计算方法。选取Starlink星座初期部署的4425颗卫星为整体分析对象,以质能比为参考标准计算出造成灾难性碰撞的物体尺寸阈值。划分单颗卫星全寿命周期的任务阶段,得到轨道变化及相应的时间参量,分别计算出不同轨道参数下各阶段的整体卫星碰撞概率和流经物体通量。根据设定的可接受碰撞水平,分析单颗卫星和优化后的轨道层卫星总体碰撞规避次数和对应的风险降低指数,在选取规避执行方式时,给出机动所需速度增量和相应的推进剂质量分数,给出各参量和星座碰撞风险之间的关系。进行了卫星星座对空间环境风险影响分析。模拟不同碰撞强度下Starlink卫星发生碰撞后产生碎片的数量、速度增量和面质比大小,针对不同轨道高度的碎片陨落时间进行计算,得到轨道参数和碰撞强度对碰撞解体事件造成的影响。生成Starlink星座全部轨道参数得到空间环境的密度变化,使用蒙特卡洛方法模拟了未引入星座和插入真实卫星星座发射数据后的空间编目物体数量演化过程。模拟出不同任务后处置成功率空间物体数量的增长趋势,得到增长比率,分析星座的引入可能对空间环境造成的潜在影响。基于改进后的碰撞预警系统,依据在轨卫星的真实数据,计算得到给定历元时间后3天内的碰撞交会预报结果,选取不同的可接受碰撞水平给出卫星与编目物体间和与星座内卫星间的危险交会信息。星座构型和分布方式可能会出现近距离接触和碰撞概率提升的情况,需要依照具体情况进行选择。针对载人航天器和卫星星座开展碰撞风险评估,衡量星座对载人任务造成的潜在影响。综合轨道预报改进、卫星星座碰撞风险和机动规避分析、卫星星座对空间环境风险影响,总结归纳出低轨大型卫星星座与空间环境之间可能存在的相互作用形式、目前预警技术的不足以及未来研究的改进方向和重点。为了保证空间环境的安全有序,相关负责人员需要了解此类星座任务对空间环境可能产生的持续性影响,在前期计划、操作和测试阶段合理设计,实现卫星任务后处置的最高可靠性。需要严格遵守空间碎片协调委员会提出的准则,共同治理太空环境保障航天器安全运行。
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