在軌航天器軌道規(guī)避體系構造

在軌航天器軌道規(guī)避體系構造

軌運行受到各種威脅：空間碎片、反衛(wèi)星武器、其他同一高度的軌運行衛(wèi)星和其他空間形態(tài)（微流星體）等。航天器在復雜的太空環(huán)境中執(zhí)行任務,隨著時間的增長和太空環(huán)境的惡化,航天器與空間其它物體以及航天器之間發(fā)生碰撞的可能性就不斷增加。航天器規(guī)避機動可以提高航天器的安全性。由于該領域的研究存在廣泛的應用價值,激發(fā)了世界上廣大科研工作者的濃厚興趣。在國外,Russell在衛(wèi)星與衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與空間范圍之間、非球形航天器之間的碰撞概率方面做了大量的研究;Salvatore研究了矩形外形的物體碰撞概率,并與球形外形的結果做了比較;Salvatore還討論航天器非線性相對運動的碰撞概率。國內許多學者也做了大量的研究。以上研究主要基于不同的側面進行了深入探討,比如碰撞概率、軌道機動、軌道轉移以及規(guī)避策略等。Keagan較全面地研究了航天器軌道規(guī)避的諸多問題,并建立了初步的規(guī)避實施結構;國內在該方面還未見報道。本文針對在軌航天器主動防護問題,綜合考慮了未來航天器規(guī)避原則和規(guī)避過程中可能出現的因素,根據規(guī)避對象為空間碎片和航天器時的情況,建立了相應的規(guī)避基礎框架,并利用事例對其中一個基礎框架進行了分析和驗證。1避免振動和碰撞逃避系統(tǒng)1.1航天器軌道規(guī)避機動航天器在軌運行時,為了避免其它物體的跟蹤觀測(繞飛、伴飛)、碰撞以及其它航天器的攻擊等行為而需要做出的機動,稱為航天器規(guī)避機動。航天器軌道規(guī)避作為一種主動防御技術能有效地提高航天器在軌運行的安全可靠性和生存能力。航天器規(guī)避機動的對象主要為:大尺寸的空間碎片、動能反衛(wèi)星武器、其它衛(wèi)星等。1.2oscaf設計在軌航天器軌道規(guī)避體系(On-orbitSpacecraftCollisionAvoidanceFramework,OSCAF)是從系統(tǒng)的思想入手,結合技術、環(huán)境、人員以及經濟因素,綜合考慮航天器軌道規(guī)避的整個過程的體系。在軌航天器規(guī)避體系的研究,在減小對航天器的威脅、減少對環(huán)境的影響、降低對航天員的傷害、減少經濟上的損失等方面都具有重要意義。OSCAF設計分階段、按步驟的進行。在設計的第1階段,廣泛查閱資料,確定體系的概念、參數以及約束等;在第2階段,綜合考慮技術、環(huán)境、人員和經濟的因素,確定框架的輸入、輸出以及假設等,建立評估機制,設計一個OSCAF;第3階段,利用事件對OSCAF進行驗證和評估。主要步驟及階段如表1所示。OSCAF研究的過程:(1)分析OSCAF系統(tǒng)參數及其需求,包括輸入、輸出以及假設條件等。(2)確定OSCAF的目標和支持OSCAF系統(tǒng)所需要的信息類型。(3)在單一假設情況下建立OSCAF系統(tǒng)原型。(4)利用假設事件驗證和評估OSCAF系統(tǒng)。(5)確定關于軌道規(guī)避的措施以及實現途徑。(6)通過仿真規(guī)避機動來驗證OSCAF的措施。2航天器和航天器的碰撞規(guī)避系統(tǒng)原型根據不同情況,研究建立了針對航天器與空間碎片和航天器與航天器碰撞規(guī)避的2個系統(tǒng)原型,見圖1和圖2。本節(jié)介紹航天器OSCAF體系結構,并對各個模塊功能做了詳細說明。2.1航天器機動的潛在威脅A:計算交會時刻的特性作為OSCAF入口模塊,首先指定航天器碰撞概率閥值。碰撞概率是建立在預報誤差的基礎上,同時考慮空間交會物體的軌道特征、幾何特征、交會時刻雙方的距離、交會角度以及交會時刻的相對速度,所以還需確定航天器和空間碎片位置的標準偏差矩陣、幾何特性等。A中計算航天器的軌道信息、碰撞概率等。J1:判定危險是否達到門限值根據所采用的預警機制,判定碰撞概率是否達到門限值。如果達到或超過了門限值,則執(zhí)行B;否則轉向K。B:確定航天器機動能力在上一步確定需要規(guī)避基礎上,確定在發(fā)生碰撞之前是否有能力執(zhí)行機動。需要計算的有距離碰撞所剩余的時間、剩余燃料、能用于規(guī)避的燃料、估計規(guī)避所需要消耗的燃料等。B之后執(zhí)行J2。J2:判斷航天器機動能否完成在B計算的基礎上,判定航天器機動能否完成。若能完成則接著執(zhí)行J3;否則轉向K。J3:判斷航天器是否有航天員隨著空間操作和空間試驗的不斷增多,航天器上是否有航天員就成為考慮的重要因素。如果有航天員,則必須考慮航天員安全的問題,執(zhí)行C;否則執(zhí)行D。C:確定碰撞對航天員潛在的威脅該模塊考慮對航天員的潛在威脅。由于空間碎片尺寸大小的不同,有不同程度的威脅,主要有:空間碎片穿透航天器直接對人員的傷害、由于氧氣泄漏導致缺氧對人員的傷害、宇宙射線對人員的傷害等。C后執(zhí)行D。D:確定對航天器的潛在威脅碰撞對航天器自身的危害主要根據空間碎片的尺寸、相對速度和碰撞角等因素來確定。主要考慮關鍵部件或結構被損壞的可能性、能否保持對航天器的控制、由于關鍵設備或部件的損壞導致后續(xù)的問題出現、航天器不實施機動所帶來的風險等。D后執(zhí)行J4。J4:判斷潛在威脅的大小綜合C、D,判定潛在威脅的大小。如果潛在威脅小,則轉向K;否則航天器需要機動,執(zhí)行E。E:確定技術參數E模塊是為航天器機動提出可行的方案。主要包括:初步規(guī)劃規(guī)避機動、指令發(fā)送和控制的時間、在發(fā)生碰撞之前是否有足夠的時間來實施機動、航天器所攜帶燃料的量的問題、航天器在實施機動后是否需要返回原來的軌道繼續(xù)作業(yè)等。E后執(zhí)行F。F:重新計算碰撞概率根據E中所初步規(guī)劃的機動,假設執(zhí)行機動后,重新計算航天器的碰撞概率。J5:是否需要重新計算前期的數據根據F的結果,判斷假設機動后的碰撞概率是否降低,是否達到或低于門限值,或者是在所考慮的因素中是否是最優(yōu)的機動方案。從而判斷是否需要重新計算。若不需要重新計算,則繼續(xù)執(zhí)行G;否則返回E,對機動進行重新規(guī)劃。G:考慮對當前任務及未來任務的影響,并協(xié)商賠償方案在G環(huán)節(jié)中,首先考慮機動對當前任務的影響,如果當前不允許航天器離開任務狀態(tài),不能機動,則應該重新規(guī)劃航天器規(guī)避時機;如果當前任務允許航天器機動,則可以按原來初步規(guī)劃的規(guī)避時機機動。其次,考慮對航天器未來任務的影響,主要從經濟的角度,考慮航天器的壽命周期、剩余壽命、機動后航天器還具有的效用;機動后伴隨的航天器在軌能力的降低以及收入的降低等。G后執(zhí)行H。H:與碎片造成者協(xié)商賠償在G的基礎上,綜合考慮機動對航天器當前及未來任務的影響,與空間碎片造成方聯系,協(xié)商賠償方案。H后執(zhí)行J6。J6:判斷是否機動在H協(xié)商賠償方案后,判定是否機動。如果機動,則執(zhí)行L;否則轉向K。L:規(guī)劃制定機動方案在E中初步規(guī)劃的規(guī)避機動基礎上,結合當前航天器的狀態(tài)和距離預測碰撞時間等信息,制定詳細的機動方案。方案輸出包括:機動次數、每次機動的時間、每次機動所需的速度大小和方向。規(guī)劃制定詳細的機動方案后,執(zhí)行M。M:實施機動根據L的輸出實施機動,下一步執(zhí)行N。K:不機動由于各種原因,航天器不實施機動。N:評估責任,確定補償不管航天器是否機動,只要對航天器或環(huán)境有影響,都需要進行責任評估和確定補償辦法。O:預測未來可能的碰撞更新數據,預測未來可能出現的碰撞。O后執(zhí)行A。2.2建立雙方未動機動機賠償方案的聯系為了便于說明,航天器與航天器發(fā)生碰撞時的OSCAF和航天器與空間碎片發(fā)生碰撞時的OSCAF中的相似模塊用相同的序號進行編序。由于2種碰撞規(guī)避所考慮的因素不完全一樣,相同編序模塊會有一些差別。下面就航天器對航天器規(guī)避體系中的特殊模塊予以詳細介紹。H:與對方航天器所有者建立聯系在航天器與航天器碰撞規(guī)避框架的H環(huán)節(jié)中,不考慮協(xié)商賠償的問題。該環(huán)節(jié),首先確定對方航天器所有者,然后再通過各種途徑,建立二者之間的聯系。這是考慮以后機動方案和協(xié)商賠償事宜的基礎。H下來執(zhí)行J7。J7:判斷對方航天器能否機動與對方確認航天器能否機動。如果能機動,執(zhí)行J8;否則執(zhí)行I。J8:確定是否雙方同時機動因為航天器在機動時,會耗費一定的燃料,從經濟和技術上都對當前及未來任務有很大的影響,所以在雙方聯系溝通的基礎上,確認是否同時機動,還是單方機動。機動方式的不同對賠償方案的協(xié)商有著重要的影響。若二者同時機動,則執(zhí)行I;否則執(zhí)行J9。J9:判斷是否對方單獨機動單方航天器機動時必須確認航天器機動方。若對方航天器單獨機動,則己方給予對方賠償,執(zhí)行I′;若己方航天器單獨機動,則對方給予賠償,執(zhí)行I。由于機動方的不同,I也有所不同。I:協(xié)商賠償方案在確定機動方式確定的基礎上,商定賠償方案。如果同時機動,則進一步協(xié)商降低碰撞概率的機動方案,在機動方案的基礎上,對雙方航天器當前和未來任務不同程度的影響進行賠償協(xié)商。如果是單方機動,則針對機動航天器方協(xié)商賠償方案。I后執(zhí)行J10。I′:商定賠償方案在對方航天器單獨機動的情況下,商定賠償方案。I′后執(zhí)行J10′。J10:雙方是否接受賠償方案判斷雙方是否接受賠償方案。如果接受,接下來執(zhí)行L;否則返回I重新協(xié)商。J10′:雙方是否接受賠償方案判斷在對方航天器單獨機動時提出的賠償方案己方是否接受。若接受,接下來轉向K;否則返回I′重新協(xié)商。3增加碰撞概率的情況航天器軌道規(guī)避體系研究為了降低航天器的潛在威脅,增強航天器在軌運行的安全性和穩(wěn)定性,對緩解空間碎片也有積極作用。由于真實數據獲取的瓶頸,為了驗證OSCAF在軌道規(guī)避中的應用,參考文獻中的數據,假設航天器與友國衛(wèi)星在某時刻可能發(fā)生碰撞。交會時刻航天器位置、速度矢量和衛(wèi)星位置、速度矢量以及二者位置誤差信息如表2所示。通過計算,交會時刻航天器與衛(wèi)星的距離為0.38km,碰撞概率為9.578×10-4,大于參考閥值10-4,這種情況需要通過規(guī)避機動以增大交會時刻的距離,降低碰撞概率,避免兩航天器發(fā)生碰撞。首先進入OSCAF入口模塊A,通過預測得到航天器交會時刻的信息,執(zhí)行J1。經過判斷,碰撞概率大于設定的閥值,執(zhí)行B。在B中確定航天器機動能力,接下來執(zhí)行J2,判定是否具有機動能力。通過計算判斷,航天器具有規(guī)避的能力。這時再執(zhí)行J3,由于航天器不屬于載人航天,沒有航天員,所以,轉向執(zhí)行D。在D中更為全面地考慮對航天器潛在的影響,再通過J4判斷影響的大小。由于潛在影響超過了承受范圍,故繼續(xù)執(zhí)行E。E中初步規(guī)劃機動,F再次計算碰撞概率,結合機動所需要的時間及消耗的能量,J5判斷是否需要重新規(guī)劃。這3步是個迭代的過程,直至得到滿意的結果。接下來執(zhí)行G,對航天器未來任務等方面進行評估,由于消耗燃料量的問題,必然對航天器有影響,且超過了能承受的最小值,于是,與友國相關機構聯系,將相關數據、信息互通后,商定機動方案。由于對方衛(wèi)星具有機動能力,且能暫時離開任務狀態(tài),故選擇雙方同時機動。經過商討結合雙方航天器機動方式確定賠償方案后,執(zhí)行L。在L中結合當前航天器狀態(tài)信息和雙方商定的機動方式,重新規(guī)劃機動。L輸出詳細的機動方案給M執(zhí)行,然后通過N評估機動對航天器和環(huán)境的影響。N完成后執(zhí)行O,更新航天器機動后的狀態(tài)信息,預測未來可能發(fā)生的碰撞。形成一個閉合的循環(huán)結構。通過以上事例分析可以得出,所建立的OSCAF是一個可行的基礎體系。4軌道規(guī)避體系的構造思路航天器規(guī)避機動作為