隨著空間發(fā)射活動的持續(xù)進行,空間飛行器的數量呈穩(wěn)定的增長趨勢。然而失效衛(wèi)星、航天器、火箭上面級及其爆炸、碰撞和解體的產物形成了數十萬計的空間碎片,加劇了空間環(huán)境的擁擠。為避免工作衛(wèi)星與其碰撞,以及更好地開展主動移除、空間交通管理等相關活動,對空間碎片進行編目并維護其軌道是必要的。編目和維護空間碎片的軌道依靠空間監(jiān)測網的探測完成。美國有世界上分布最佳、設備性能最優(yōu)的天地基一體監(jiān)測網絡,當前能維護約23000個空間目標的編目,未來隨著新一代太空籬笆、3.5米空間監(jiān)測望遠鏡以及天基監(jiān)測星座部署完成并開始常規(guī)探測,其編目目標數量將急劇增加,可探測碎片的尺寸將低至厘米級�？臻g碎片軌道編目包含新目標的編目入庫和已編目目標的軌道更新維護兩方面的內容,二者的數據基礎很多情況下是每天或每兩天的一個觀測弧段。在這種稀疏數據條件下,完成新目標的編目入庫和已知目標的編目維護,與具有充分多且高精度觀測值的衛(wèi)星精密軌道確定有顯著的差異。首先,在空間碎片觀測數據稀疏條件下,即編目目標24-48小時1個甚短觀測弧段,數據獲取頻率僅幾個赫茲,空間碎片的軌道確定精度呈現相當大的波動。即便觀測弧段數目、觀測精度、觀測時長(觀測值個數)和觀測者至目標距離等條件相同或處于同一個水平,這一現象仍然存在,說明存在影響軌道確定精度的未知因素。為此,本文引入近圓軌道目標觀測弧段的相位參數,即觀測弧段相對于第一個定軌弧段在軌道上以360度為模的相位,研究相位分布與軌道確定精度的關系。實驗發(fā)現,給定長度和觀測精度相同的3個弧段,它們的相位分布對定軌誤差具有決定性的影響,同時也影響軌道解算協(xié)因數矩陣對應的相關系數矩陣的條件數。當3個弧段在相位上均勻分布時,軌道確定誤差最小,對應的條件數也較小;當中間弧段的相位與第1或第3弧段的相位接近時,軌道確定誤差達最大值,對應的條件數可能有量級上的變化。以低軌碎片2-3天3觀測弧段定軌為例,由相位引起的最大與最小軌道確定誤差之比達2-3倍,最大與最小條件數之比可達10倍。為描述觀測弧段相位分布的優(yōu)劣,本文提出用弧段相位位置在單位圓上構成的多邊形面積作為指標,并利用條件數作為輔助指標,它們均能夠通過簡單計算而獲得。這一發(fā)現,在監(jiān)測資源有限時,為碎片監(jiān)測規(guī)劃、稀疏數據條件下編目碎片軌道確定與預報誤差分析,提供了理論依據,也可用于確定未來監(jiān)測網傳感器位置優(yōu)化設計的目標函數。其次,由于地基監(jiān)測臺站分布的限制和地基光學監(jiān)測作業(yè)時間受光照和天氣制約,在未來相當長時期的技術條件下,厘米尺寸碎片的監(jiān)測將主要利用天基光學監(jiān)測技術。因此,開展以厘米級碎片編目為目的的天基光學監(jiān)測系統(tǒng)研究具有重要的意義。天基光學監(jiān)測以衛(wèi)星為平臺,利用望遠鏡進行攝影測量,獲取空間碎片的角度觀測值,作為編目庫建設的數據基礎。本文分別以實現低軌20萬碎片和高軌10厘米碎片的編目入庫和維護為目標,開展低軌監(jiān)測衛(wèi)星星座和零傾角監(jiān)測衛(wèi)星仿真設計研究。仿真結果表明,8顆搭載大口徑大視場(例如1.5米口徑,10°×10°視場)望遠鏡的衛(wèi)星構成的Walker星座可維護以厘米尺寸為主的20萬低軌碎片的動態(tài)編目,其中約12萬碎片可持續(xù)維護編目。對于高軌碎片,一顆軌道高度在4163公里的零傾角大口徑大視場望遠鏡(1.5米口徑,20°×20°視場)可以對94.7%地球同步軌道帶小至10厘米目標平均每天至少觀測一次。本文還對74個高軌10厘米碎片樣本在7天內496個仿真探測弧段進行初軌確定和關聯性能評估,應用基于距離搜索的初軌確定方法,初軌成功率為97.4%,其中接近70%的初軌解的半長軸誤差小于25公里;應用純幾何的初軌關聯算法,關聯的正確率為89.7%,66個目標的觀測弧段獲得了正確關聯,表明89%的高軌碎片在7天之內能被編目入庫。由此推論,本文設計的零傾角監(jiān)測衛(wèi)星可以實現絕大部分高軌碎片的編目入庫。最后,針對當前缺乏一種科學的手段評估空間監(jiān)測網(包括天基和地基設備)隨站點分布、設備性能變化等引起監(jiān)測編目效能變化這一狀況,本文展開了空間監(jiān)測裝備系統(tǒng)效能和貢獻度評估的研究。效能評估的基礎是各種類型、各種工作模式的設備的模擬探測結果。在此基礎上,引入了AHP層次分析法確定評價指標,采用整體法和規(guī)則推理法進行效能分值和任務執(zhí)行水平的計算,最后通過對比移除裝備前后體系的效能分值或者任務執(zhí)行水平的變化來確定貢獻度。該方法僅在評價指標的權重確定時利用了專家經驗,其它步驟均是基于仿真的結果,可靠性高。利用研發(fā)的軟件系統(tǒng),模擬一包含天基衛(wèi)星和地基光學、雷達站點的仿真空間監(jiān)測網,并進行“目標編目”效能和貢獻度評估,整體法和規(guī)則推理法計算出的600公里太陽同步晨昏軌道衛(wèi)星對整體的貢獻最大,分別為50%和54%,貢獻度雖有差異但很接近,這個結果也印證了天基系統(tǒng)在空間監(jiān)測方面的優(yōu)勢。
【學位單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V528
【部分圖文】：

圖 1.1 美國編目目標的增長情況（1957-2017）擁擠的空間環(huán)境，衛(wèi)星的發(fā)射和運行需面對極大的考驗和風險。事述提到的災難性碰撞，衛(wèi)星被碎片擊中不能工作或者部件受損的情。例如，1996 年法國實驗衛(wèi)星 CERISE 被歐空局 Ariane 火箭的上的碎片擊中重力梯度臂而失衡 [11]；2013 年俄羅斯大地測量衛(wèi)星碎片擊中失去功用 [12]；2016 年歐空局衛(wèi)星 Sentinel-1A 的太陽帆擊中，使得衛(wèi)星可供應電量下降了 5% [13]。另外，隨著空間目標碰撞預警的次數激增。2014 年，我國 170 顆在軌衛(wèi)星收到紅色碰2015 年達到 87 次 [14]。國際空間站 ISS 為了躲避碰撞，每年都要機動。當前的空間環(huán)境非常脆弱[15]，一旦發(fā)生鏈式碰撞[16]，即類的連續(xù)碰撞，空間資源將不再可用。 選題的背景和意義碎片是工作衛(wèi)星安全運行的最大隱患[3]。LEO 空間目標的平均

要的空間監(jiān)測網監(jiān)測網是空間目標監(jiān)測網絡的總稱，既包括地基設備，也包括天網是觀測空間目標的基礎，網的分布和設備的性能決定了觀測精度，以及能持續(xù)觀測的目標數量�？臻g監(jiān)測網的分布和性空間監(jiān)測網，其次為歐洲和俄羅斯的空間監(jiān)測系統(tǒng)。下面介紹測網的概況。國空間監(jiān)測網屬于美國空軍太空司令部，最初用于彈道導彈的預警，站點導彈可能進入美國的路線上，某些站點對于空間目標的覆蓋并、遷移、升級和改造 [22]，SSN 發(fā)展為覆蓋全球 30 多個站點善中的天基監(jiān)測星座 SBSS[23]，其中 10 個站點由指向不同方鏡，相控陣雷達或雷達組成，站點的分布見圖 1.2。

武漢大學博士學位論文傾角目標 [25]。4 個 GEODSS 站點上的 1 米望遠鏡計劃替換為 3.5 米大口徑望遠鏡 SST [26]，所有的 SST 附近增設 0.5 米量級的區(qū)域增強望遠鏡。SBSS 的后續(xù)衛(wèi)星計劃尚不明確，目前用于空間目標監(jiān)測的僅有的兩顆衛(wèi)星為 SBSS-1 [27]和加拿大的 Sapphire [28-30]，關于它們的部分資料是公開的，詳見表 1.1，標注 “N/A” 的表示未知信息。地球同步空間態(tài)勢感知項目（GSSAP）已將 4 顆衛(wèi)星送上近 GEO 軌道，它們主要用于深空目標的成像，對于擴大編目庫的作用不大。表 1.1  -1 和  pphire 衛(wèi)星參數衛(wèi)星 高度（km） 軌道類型 口徑（cm） 視場 數據量/天 極限星等SBSS-1 630 太陽同步 30 п п 12000 16.5thSapphire 780 太陽同步 13.7 п п N/A 15th
【參考文獻】

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本文編號：2862136