一种地固系下空间碎片空间密度确定方法技术

一种地固系下空间碎片空间密度确定方法，涉及航天技术领域，为解决现有的空间密度算法均基于J2000惯性坐标系，而在J2000惯性坐标系下建立的空间密度算法，无法实现地球同步轨道区域空间碎片环境随地理经度分布进行描述的问题，包括以下步骤：步骤一、地球固连坐标系下同步轨道保护区域空间单元划分：步骤二、空间碎片轨道位置离散：步骤三、轨道离散点位置计算：步骤四、识别各空间碎片轨道离散点对应的空间单元；步骤五、计算各空间单元内碎片停留概率：步骤六、计算空间密度。本发明专利技术能够实现不同地理经度位置空间碎片分布情况的差异性分析，可更具针对性的对地球同步轨道区域空间碎片环境进行描述，提高该区域航天器空间碎片环境评估精度。

A Method for Determining Spatial Density of Space Debris under Ground-Solid System

【技术实现步骤摘要】
一种地固系下空间碎片空间密度确定方法
本专利技术涉及航天
，具体为一种地固系下空间碎片空间密度确定方法。
技术介绍
空间碎片系指轨道上的或重返大气层的无功能人造物体，包括其残块和组件。空间密度是描述空间碎片时空分布规律的基本参数之一，也是航天器防护方案设计的理论基础之一地球同步轨道卫星运行周期与地球自转周期一致，因此其对地球的覆盖区域基本稳定，可实现对同一地区的连续工作。地球同步轨道卫星常用于通讯、气象、广播电视、导弹预警、数据中继等方面。与其它轨道区域不同，地球同步轨道区域航天器轨道周期基本一致，且多为轨道倾角接近0°的近圆轨道。地理经度位置是地球同步轨道航天活动的重要轨道参数。空间碎片是航天活动的产物，其分布规律受航天活动的直接影响。探测数据表明，受人类航天活动规律及空间物体轨道摄动因素的影响，与其它轨道区域相比，地球同步轨道区域空间碎片分布规律具有显著特征：绝大多数空间物体轨道倾角不超过15°，运行于近圆轨道且轨道周期基本一致(约为地球自转周期)。地球同步轨道区域空间物体轨道周期的集中分布特性，使得该区域碎片环境在地球固连坐标系下较为稳定。空间碎片对航天器在轨安全运行构成不可忽视的威胁。空间碎片环境工程模型可实现空间碎片环境时空分布规律的评估，是航天器防护方案设计的基础。空间密度是空间碎片环境工程模型的输出量，合理可靠的空间密度算法是保证工程模型精度的基本前提，也是航天器风险评估和防护设计的重要基础数据源。空间密度用于描述空间碎片的时空分布规律，其定义为某空间位置处单位体积内空间碎片的平均数目。空间碎片的空间密度分布是进行航天器空间碎片环境评估的基础。现有相关领域研究中，对J2000惯性坐标系下空间密度算法较为成熟，可实现空间密度随轨道高度、纬度分布的计算。哈尔滨工业大学董丹、张平平等人提出空间密度随轨道高度、纬度分布情况算法。该算法假设空间碎片的空间密度随经度均匀分布。彭科科提出基于轨道根数离散的空间密度算法，该算法假设空间碎片轨道位置稳定，不受摄动因素影响。但现有算法均建立与J2000惯性坐标系，无法对空间物体在地固坐标系下的经度分布情况进行描述。地球同步轨道是航天活动的重点区域之一。与其他的轨道区域不同，地球同步轨道空间物体轨道周期基本一致，且与地球自转周期较为接近，这导致该区域空间碎片环境对地理经度的分布较为稳定。现有空间密度算法均基于J2000惯性坐标系建立，无法实现地球同步轨道区域空间碎片环境随地理经度分布的描述。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对现有的空间密度算法均基于J2000惯性坐标系，而在J2000惯性坐标系下建立的空间密度算法，无法实现地球同步轨道区域空间碎片环境随地理经度分布进行描述的问题。本专利技术采用如下技术方案实现：一种地固系下空间碎片空间密度确定方法，包括以下步骤：步骤一、地球固连坐标系下同步轨道保护区域空间单元划分：在地球固连坐标系下，按照轨道高度、地理经度、纬度将轨道高度介于35786±200km，纬度介于±15°的轨道空间范围离散为一系列空间单元；步骤二、空间碎片轨道位置离散：根据空间碎片轨道根数，按照平近点角将空间碎片轨道离散化；步骤三、轨道离散点位置计算：分别计算每个轨道离散点对应的具体轨道高度、纬度和地理经度；步骤四、识别各空间碎片轨道离散点对应的空间单元；步骤五、计算各空间单元内碎片停留概率：根据步骤三和步骤四中的离散轨道位置及空间单元的划分，统计每个空间单元对应的离散轨道位置数目，通过离散轨道位置数目与总离散点之比得到停留概率；步骤六、计算空间密度：通过停留概率与空间单元体积之比得到空间密度。进一步的，所述离散时的步长满足kM＝10，其中，kM为离散系数。进一步的，所述步骤二基于碎片地理经度稳定假设对空间碎片平近点角M进行离散，记离散份数为NM，第jM个离散点对应平近点角为：进一步的，所述第jM个离散点对应的地心距rjM、纬度φjM和地理经度λjM为：其中，为偏近点角，为平近点角，a为半长轴、e为偏心率、i为轨道倾角、ω为近地点角距、Ω为升交点赤经，λΩ为轨道升交点对应的地理经度。进一步的，所述偏近点角平近点角可通过下式得出：其中，ωe为地球自转角速度，μ为地心引力常数，μ≈398600km3/s2。进一步的，所述离散份数NM基于空间单元划分步长确定。进一步的，所述离散份数NM的确定步骤如下：将步骤一中轨道高度、纬度及经度区间步长记为Δr、Δφ、Δλ，则NM＝max{Nr,Nφ,Nλ}其中，式中：π为圆周率，a为半长轴，e为偏心率，i为轨道倾角，μ为地心引力常数，ωe为地球自转周期，kM为离散系数，kM＝10，TIF为向上取整函数，max为最大值函数。进一步的，所述步骤五中空间单元内碎片停留概率是基于空间碎片轨道离散份数NM、空间单元轨道划分原则以及空间单元内空间碎片轨道离散点数目确定的。进一步的，所述空间单元内碎片停留概率的确定步骤如下：记空间物体轨道周期为T，每个离散点对应的空间碎片停留时间为记空间单元Cellk内空间碎片轨道离散点数目为nk，空间碎片处于该空间单元内的概率为：进一步的，所述步骤六中计算空间密度的确定步骤如下：某空间碎片在空间单元Cellk([rk,rk+Δr],[φk,φk+Δφ],[λk,λk+Δλ])内停留概率为Pk，则空间单元内碎片个数的数学期望为：Ek＝Pk，若有多个空间碎片参与计算，将总碎片数目记为Ndeb，则空间单元Cellk内总碎片个数的数学期望为：空间单元Cellk体积为空间单元Cellk内碎片空间密度为其中，Δr、Δφ、Δλ为轨道高度、纬度及经度区间步长，r为地心距离，Δtone为每个离散点对应的空间碎片停留时间。本专利技术采用上述技术方案，具有如下有益效果：本专利技术基于地球同步轨道航天活动及空间碎片环境分布特征，在现有空间密度算法基础上，提出一种地固系下空间碎片空间密度确定方法，与传统的空间密度算法相比，本专利技术提出的一种地固系下空间碎片空间密度确定方法能够实现不同地理经度位置空间碎片分布情况的差异性分析，可更具针对性的对地球同步轨道区域空间碎片环境进行描述，提高该区域航天器空间碎片环境评估精度。附图说明图1为本专利技术的流程图。图2为地固坐标系下轨道空间单元划分示意图。图3为实施例中评估结果与原有算法对比。图4为实施例中对应轨道空间的碎片真实分布情况。具体实施方式具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式，在本实施方式中，一种地固系下空间碎片空间密度确定方法，包括以下步骤：步骤一、地球固连坐标系下同步轨道保护区域空间单元划分：在地球固连坐标系下，按照轨道高度、地理经度、纬度将轨道高度介于35786±200km，纬度介于±15°的轨道空间范围离散为一系列空间单元；步骤二、空间碎片轨道位置离散：根据空间碎片轨道根数，按照平近点角将其轨道离散化；步骤三、轨道离散点位置计算：分别计算每个轨道离散点对应的具体轨道高度、纬度和地理经度；步骤四、识别各空间碎片轨道离散点对应的空间单元；所述的识别此处含义为，已知某点位置，识别它的分区，比如说已知某处经纬度，识别属于哪个省哪个市。步骤五、计算各空间单元内碎片停留概率：根据步骤三和步骤四中的离散轨道位置及空间单元的划分，统计每个空间单元对应的离散轨道位置数目，离散轨道位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地固系下空间碎片空间密度确定方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、地球固连坐标系下同步轨道保护区域空间单元划分：在地球固连坐标系下，按照轨道高度、地理经度、纬度将轨道高度介于35786±200km，纬度介于±15°的轨道空间范围离散为一系列空间单元；步骤二、空间碎片轨道位置离散：根据空间碎片轨道根数，按照平近点角将空间碎片轨道离散化；步骤三、轨道离散点位置计算：分别计算每个轨道离散点对应的具体轨道高度、纬度和地理经度；步骤四、识别各空间碎片轨道离散点对应的空间单元；步骤五、计算各空间单元内碎片停留概率：根据步骤三和步骤四中的离散轨道位置及空间单元的划分，统计每个空间单元对应的离散轨道位置数目，通过离散轨道位置数目与总离散点之比得到停留概率；步骤六、计算空间密度：通过停留概率与空间单元体积之比得到空间密度。

【技术特征摘要】
1.一种地固系下空间碎片空间密度确定方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、地球固连坐标系下同步轨道保护区域空间单元划分：在地球固连坐标系下，按照轨道高度、地理经度、纬度将轨道高度介于35786±200km，纬度介于±15°的轨道空间范围离散为一系列空间单元；步骤二、空间碎片轨道位置离散：根据空间碎片轨道根数，按照平近点角将空间碎片轨道离散化；步骤三、轨道离散点位置计算：分别计算每个轨道离散点对应的具体轨道高度、纬度和地理经度；步骤四、识别各空间碎片轨道离散点对应的空间单元；步骤五、计算各空间单元内碎片停留概率：根据步骤三和步骤四中的离散轨道位置及空间单元的划分，统计每个空间单元对应的离散轨道位置数目，通过离散轨道位置数目与总离散点之比得到停留概率；步骤六、计算空间密度：通过停留概率与空间单元体积之比得到空间密度。2.根据权利要求1所述的一种地固系下空间碎片空间密度确定方法，其特征在于：所述离散时的步长满足kM＝10，其中，kM为离散系数。3.根据权利要求1所述的一种地固系下空间碎片空间密度确定方法，其特征在于：所述步骤二基于碎片地理经度稳定假设对空间碎片平近点角M进行离散，记离散份数为NM，第jM个离散点对应平近点角为：4.根据权利要求3所述的一种地固系下空间碎片空间密度确定方法，其特征在于：所述第jM个离散点对应的地心距rjM、纬度φjM和地理经度λjM为：其中，为偏近点角，为平近点角，a为半长轴、e为偏心率、i为轨道倾角、ω为近地点角距、Ω为升交点赤经，λΩ为轨道升交点对应的地理经度。5.根据权利要求4所述的一种地固系下空间碎片空间密度确定方法，其特征在于：所述偏近点角平近点角可通过下式得出：其中，ωe为地球自转角速度，μ为地心引力常数，μ≈398600km3/s...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞宝君，王东方，肖伟科，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23