在轨航天器轨道规避体系构造

在轨航天器轨道规避体系构造

轨运行受到各种威胁：空间碎片、反卫星武器、其他同一高度的轨运行卫星和其他空间形态（微流星体）等。航天器在复杂的太空环境中执行任务,随着时间的增长和太空环境的恶化,航天器与空间其它物体以及航天器之间发生碰撞的可能性就不断增加。航天器规避机动可以提高航天器的安全性。由于该领域的研究存在广泛的应用价值,激发了世界上广大科研工作者的浓厚兴趣。在国外,Russell在卫星与卫星之间、卫星与空间范围之间、非球形航天器之间的碰撞概率方面做了大量的研究;Salvatore研究了矩形外形的物体碰撞概率,并与球形外形的结果做了比较;Salvatore还讨论航天器非线性相对运动的碰撞概率。国内许多学者也做了大量的研究。以上研究主要基于不同的侧面进行了深入探讨,比如碰撞概率、轨道机动、轨道转移以及规避策略等。Keagan较全面地研究了航天器轨道规避的诸多问题,并建立了初步的规避实施结构;国内在该方面还未见报道。本文针对在轨航天器主动防护问题,综合考虑了未来航天器规避原则和规避过程中可能出现的因素,根据规避对象为空间碎片和航天器时的情况,建立了相应的规避基础框架,并利用事例对其中一个基础框架进行了分析和验证。1避免振动和碰撞逃避系统1.1航天器轨道规避机动航天器在轨运行时,为了避免其它物体的跟踪观测(绕飞、伴飞)、碰撞以及其它航天器的攻击等行为而需要做出的机动,称为航天器规避机动。航天器轨道规避作为一种主动防御技术能有效地提高航天器在轨运行的安全可靠性和生存能力。航天器规避机动的对象主要为:大尺寸的空间碎片、动能反卫星武器、其它卫星等。1.2oscaf设计在轨航天器轨道规避体系(On-orbitSpacecraftCollisionAvoidanceFramework,OSCAF)是从系统的思想入手,结合技术、环境、人员以及经济因素,综合考虑航天器轨道规避的整个过程的体系。在轨航天器规避体系的研究,在减小对航天器的威胁、减少对环境的影响、降低对航天员的伤害、减少经济上的损失等方面都具有重要意义。OSCAF设计分阶段、按步骤的进行。在设计的第1阶段,广泛查阅资料,确定体系的概念、参数以及约束等;在第2阶段,综合考虑技术、环境、人员和经济的因素,确定框架的输入、输出以及假设等,建立评估机制,设计一个OSCAF;第3阶段,利用事件对OSCAF进行验证和评估。主要步骤及阶段如表1所示。OSCAF研究的过程:(1)分析OSCAF系统参数及其需求,包括输入、输出以及假设条件等。(2)确定OSCAF的目标和支持OSCAF系统所需要的信息类型。(3)在单一假设情况下建立OSCAF系统原型。(4)利用假设事件验证和评估OSCAF系统。(5)确定关于轨道规避的措施以及实现途径。(6)通过仿真规避机动来验证OSCAF的措施。2航天器和航天器的碰撞规避系统原型根据不同情况,研究建立了针对航天器与空间碎片和航天器与航天器碰撞规避的2个系统原型,见图1和图2。本节介绍航天器OSCAF体系结构,并对各个模块功能做了详细说明。2.1航天器机动的潜在威胁A:计算交会时刻的特性作为OSCAF入口模块,首先指定航天器碰撞概率阀值。碰撞概率是建立在预报误差的基础上,同时考虑空间交会物体的轨道特征、几何特征、交会时刻双方的距离、交会角度以及交会时刻的相对速度,所以还需确定航天器和空间碎片位置的标准偏差矩阵、几何特性等。A中计算航天器的轨道信息、碰撞概率等。J1:判定危险是否达到门限值根据所采用的预警机制,判定碰撞概率是否达到门限值。如果达到或超过了门限值,则执行B;否则转向K。B:确定航天器机动能力在上一步确定需要规避基础上,确定在发生碰撞之前是否有能力执行机动。需要计算的有距离碰撞所剩余的时间、剩余燃料、能用于规避的燃料、估计规避所需要消耗的燃料等。B之后执行J2。J2:判断航天器机动能否完成在B计算的基础上,判定航天器机动能否完成。若能完成则接着执行J3;否则转向K。J3:判断航天器是否有航天员随着空间操作和空间试验的不断增多,航天器上是否有航天员就成为考虑的重要因素。如果有航天员,则必须考虑航天员安全的问题,执行C;否则执行D。C:确定碰撞对航天员潜在的威胁该模块考虑对航天员的潜在威胁。由于空间碎片尺寸大小的不同,有不同程度的威胁,主要有:空间碎片穿透航天器直接对人员的伤害、由于氧气泄漏导致缺氧对人员的伤害、宇宙射线对人员的伤害等。C后执行D。D:确定对航天器的潜在威胁碰撞对航天器自身的危害主要根据空间碎片的尺寸、相对速度和碰撞角等因素来确定。主要考虑关键部件或结构被损坏的可能性、能否保持对航天器的控制、由于关键设备或部件的损坏导致后续的问题出现、航天器不实施机动所带来的风险等。D后执行J4。J4:判断潜在威胁的大小综合C、D,判定潜在威胁的大小。如果潜在威胁小,则转向K;否则航天器需要机动,执行E。E:确定技术参数E模块是为航天器机动提出可行的方案。主要包括:初步规划规避机动、指令发送和控制的时间、在发生碰撞之前是否有足够的时间来实施机动、航天器所携带燃料的量的问题、航天器在实施机动后是否需要返回原来的轨道继续作业等。E后执行F。F:重新计算碰撞概率根据E中所初步规划的机动,假设执行机动后,重新计算航天器的碰撞概率。J5:是否需要重新计算前期的数据根据F的结果,判断假设机动后的碰撞概率是否降低,是否达到或低于门限值,或者是在所考虑的因素中是否是最优的机动方案。从而判断是否需要重新计算。若不需要重新计算,则继续执行G;否则返回E,对机动进行重新规划。G:考虑对当前任务及未来任务的影响,并协商赔偿方案在G环节中,首先考虑机动对当前任务的影响,如果当前不允许航天器离开任务状态,不能机动,则应该重新规划航天器规避时机;如果当前任务允许航天器机动,则可以按原来初步规划的规避时机机动。其次,考虑对航天器未来任务的影响,主要从经济的角度,考虑航天器的寿命周期、剩余寿命、机动后航天器还具有的效用;机动后伴随的航天器在轨能力的降低以及收入的降低等。G后执行H。H:与碎片造成者协商赔偿在G的基础上,综合考虑机动对航天器当前及未来任务的影响,与空间碎片造成方联系,协商赔偿方案。H后执行J6。J6:判断是否机动在H协商赔偿方案后,判定是否机动。如果机动,则执行L;否则转向K。L:规划制定机动方案在E中初步规划的规避机动基础上,结合当前航天器的状态和距离预测碰撞时间等信息,制定详细的机动方案。方案输出包括:机动次数、每次机动的时间、每次机动所需的速度大小和方向。规划制定详细的机动方案后,执行M。M:实施机动根据L的输出实施机动,下一步执行N。K:不机动由于各种原因,航天器不实施机动。N:评估责任,确定补偿不管航天器是否机动,只要对航天器或环境有影响,都需要进行责任评估和确定补偿办法。O:预测未来可能的碰撞更新数据,预测未来可能出现的碰撞。O后执行A。2.2建立双方未动机动机赔偿方案的联系为了便于说明,航天器与航天器发生碰撞时的OSCAF和航天器与空间碎片发生碰撞时的OSCAF中的相似模块用相同的序号进行编序。由于2种碰撞规避所考虑的因素不完全一样,相同编序模块会有一些差别。下面就航天器对航天器规避体系中的特殊模块予以详细介绍。H:与对方航天器所有者建立联系在航天器与航天器碰撞规避框架的H环节中,不考虑协商赔偿的问题。该环节,首先确定对方航天器所有者,然后再通过各种途径,建立二者之间的联系。这是考虑以后机动方案和协商赔偿事宜的基础。H下来执行J7。J7:判断对方航天器能否机动与对方确认航天器能否机动。如果能机动,执行J8;否则执行I。J8:确定是否双方同时机动因为航天器在机动时,会耗费一定的燃料,从经济和技术上都对当前及未来任务有很大的影响,所以在双方联系沟通的基础上,确认是否同时机动,还是单方机动。机动方式的不同对赔偿方案的协商有着重要的影响。若二者同时机动,则执行I;否则执行J9。J9:判断是否对方单独机动单方航天器机动时必须确认航天器机动方。若对方航天器单独机动,则己方给予对方赔偿,执行I′;若己方航天器单独机动,则对方给予赔偿,执行I。由于机动方的不同,I也有所不同。I:协商赔偿方案在确定机动方式确定的基础上,商定赔偿方案。如果同时机动,则进一步协商降低碰撞概率的机动方案,在机动方案的基础上,对双方航天器当前和未来任务不同程度的影响进行赔偿协商。如果是单方机动,则针对机动航天器方协商赔偿方案。I后执行J10。I′:商定赔偿方案在对方航天器单独机动的情况下,商定赔偿方案。I′后执行J10′。J10:双方是否接受赔偿方案判断双方是否接受赔偿方案。如果接受,接下来执行L;否则返回I重新协商。J10′:双方是否接受赔偿方案判断在对方航天器单独机动时提出的赔偿方案己方是否接受。若接受,接下来转向K;否则返回I′重新协商。3增加碰撞概率的情况航天器轨道规避体系研究为了降低航天器的潜在威胁,增强航天器在轨运行的安全性和稳定性,对缓解空间碎片也有积极作用。由于真实数据获取的瓶颈,为了验证OSCAF在轨道规避中的应用,参考文献中的数据,假设航天器与友国卫星在某时刻可能发生碰撞。交会时刻航天器位置、速度矢量和卫星位置、速度矢量以及二者位置误差信息如表2所示。通过计算,交会时刻航天器与卫星的距离为0.38km,碰撞概率为9.578×10-4,大于参考阀值10-4,这种情况需要通过规避机动以增大交会时刻的距离,降低碰撞概率,避免两航天器发生碰撞。首先进入OSCAF入口模块A,通过预测得到航天器交会时刻的信息,执行J1。经过判断,碰撞概率大于设定的阀值,执行B。在B中确定航天器机动能力,接下来执行J2,判定是否具有机动能力。通过计算判断,航天器具有规避的能力。这时再执行J3,由于航天器不属于载人航天,没有航天员,所以,转向执行D。在D中更为全面地考虑对航天器潜在的影响,再通过J4判断影响的大小。由于潜在影响超过了承受范围,故继续执行E。E中初步规划机动,F再次计算碰撞概率,结合机动所需要的时间及消耗的能量,J5判断是否需要重新规划。这3步是个迭代的过程,直至得到满意的结果。接下来执行G,对航天器未来任务等方面进行评估,由于消耗燃料量的问题,必然对航天器有影响,且超过了能承受的最小值,于是,与友国相关机构联系,将相关数据、信息互通后,商定机动方案。由于对方卫星具有机动能力,且能暂时离开任务状态,故选择双方同时机动。经过商讨结合双方航天器机动方式确定赔偿方案后,执行L。在L中结合当前航天器状态信息和双方商定的机动方式,重新规划机动。L输出详细的机动方案给M执行,然后通过N评估机动对航天器和环境的影响。N完成后执行O,更新航天器机动后的状态信息,预测未来可能发生的碰撞。形成一个闭合的循环结构。通过以上事例分析可以得出,所建立的OSCAF是一个可行的基础体系。4轨道规避体系的构造思路航天器规避机动作为