用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Simulation method for space-based laser to remove space debris

【技术实现步骤摘要】
用于模拟天基激光移除空间碎片的仿真方法
本专利技术涉及航天、激光技术和空间环境
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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{hD,eD,iD,ΩD,ωD,θD}、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{hL,eL,iL,ΩL,ωL,θL}、激光有效作用距离R，激光单脉冲能量E、探测系统灵敏度Vthe、跟踪系统角加速度ωthe、危险交汇距离Dmin。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rDp为：已知碎片的轨道六根数，其远地点高度rDa为：已知激光移除平台的轨道六根数，其近地点高度rLp为：已知激光移除平台的轨道六根数，其远地点高度rLa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：rLp-R＜rDp＜rDa＜rLa+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＝{rx,ry,rz}和速度v＝{vx,vy,vz}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，Dr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-lgEm＝0.4Vmag其中，零星等的辐照度规定为E0＝2.06×10-8W/m2，Em为空间碎片在入瞳处的照度，Vmag为星等值；当Vmag≥Vthe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＜ωthe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(tcpa)<Dmin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rmin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，本专利技术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：本专利技术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为本专利技术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为本专利技术提供的碎片轨道信息初筛示意图；图3为本专利技术提供的移除飞行器探测分系统工作原理示意图；图4为本专利技术提供的移除飞行器跟瞄分系统工作原理示意图；图5为本专利技术提供的目标碎片优先级排序示意图；图6为本专利技术提供的目标碎片优先级排序示意图；图7为本专利技术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专利技术作进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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{hD,eD,iD,ΩD,ωD,θD}、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{hL,eL,iL,ΩL,ωL,θL}、激光有效作用距离R，激光单脉冲能量E、探测系统灵敏度Vthe、跟踪系统角加速度ωthe、危险交汇距离Dmin。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rDp为：已知碎片的轨道六根数，其远地点高度rDa为：已知激光移除平台的轨道六根数，其近地点高度rLp为：已知激光移除平台的轨道六根数，其远地点高度rLa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：rLp-R＜rDp＜rDa＜rLa+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＝{rx,ry,rz}和速度v＝{vx,vy,vz}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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨武霖，陈川，龚自正，田东波，武强，张品亮，曹燕，宋光明，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11