空間碎片環(huán)境與空間交通安全

目錄
前言
第1章　空間系統(tǒng)復雜性概述　1　
1.1　空間環(huán)境復雜性分析　2　
1.2　航天器系統(tǒng)復雜性分析　3　
1.2.1　傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)　5　
1.2.2　新興低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座　6　
1.3　空間競爭因素復雜性分析　8　
1.3.1　空間軌道和頻譜資源爭奪更加激烈　9　
1.3.2　空間軍事化和武器化進程不斷深化　9　
1.3.3　外空國際規(guī)則進入長期博弈期　10　
參考文獻　10　
第2章　空間碎片環(huán)境建模研究綜述　12　
2.1　空間碎片環(huán)境演化模型　12　
2.1.1　以單個空間碎片的運動狀態(tài)為變量的演化模型　12　
2.1.2　以宏觀狀態(tài)量為變量的整體演化模型　19　
2.2　空間碎片環(huán)境長期演化建模的關(guān)鍵問題　21　
2.2.1　空間碎片環(huán)境長期演化的力學模型　21　
2.2.2　空間碎片狀態(tài)推演積分方法　22　
2.2.3　空間碎片環(huán)境演化過程中目標碰撞概率的計算方法　23　
2.2.4　空間目標爆炸或碰撞解體的模擬方法　24　
2.2.5　空間碎片環(huán)境演化的高效數(shù)值計算方法　25　
2.2.6　空間碎片環(huán)境長期演化結(jié)果的精度分析　25　
2.3　空間碎片環(huán)境帶來的安全問題研究　26　
2.3.1　空間碎片環(huán)境對空間資源可持續(xù)開發(fā)利用帶來的風險　26　
2.3.2　空間碎片環(huán)境對航天器的碰撞風險　27　
參考文獻　28　
第3章　空間碎片環(huán)境的長期演化計算模型　35　
3.1　空間碎片環(huán)境演化的攝動力計算模型　36　
3.1.1　地球非球形攝動力對空間碎片環(huán)境演化的影響　37　
3.1.2　大氣阻力對空間碎片產(chǎn)生的攝動力加速度　43　
3.1.3　太陽/月球三體引力對空間碎片產(chǎn)生的攝動力加速度　44　
3.1.4　太陽光壓攝動力加速度　45　
3.2　空間碎片演化過程的碰撞事件建?！?5　
3.2.1　空間碎片環(huán)境演化的碰撞概率計算模型　45　
3.2.2　目標解體產(chǎn)生空間碎片的模擬方法　54　
3.3　空間碎片演化過程的航天發(fā)射活動　61　
3.4　基于春分點根數(shù)的空間碎片運動狀態(tài)長期平均積分模型　61　
3.4.1　利用春分點根數(shù)描述的參數(shù)運動方程　62　
3.4.2　參數(shù)運動方程的一階平均解　64　
3.4.3　長期平均積分模型的計算結(jié)果分析　73　
3.5　大規(guī)模空間碎片演化的并行計算框架　79　
3.5.1　空間碎片狀態(tài)更新的并行計算框架　79　
3.5.2　碰撞概率的并行計算框架　83　
3.6　長期演化計算模型的軟件實現(xiàn)方案　84　
3.6.1　基于MPI標準的高效并行演化計算軟件　84　
3.6.2　演化結(jié)果處理與顯示軟件　86　
參考文獻　87　
第4章　空間碎片環(huán)境的分層離散化演化模型　90　
4.1　基于平均空間密度的空間碎片分布狀態(tài)描述方法　90　
4.2　空間碎片分布空間的分層離散化　94　
4.2.1　編目目標在空間中的分布特點　94　
4.2.2　空間碎片分布空間的離散化　98　
4.3　分層離散化模型的約束控制方程　100　
4.3.1　大氣阻力作用下軌道高度的平均衰減速度　101　
4.3.2　目標相互碰撞作用的平均等效方法　104　
4.3.3　約束控制方程的微分形式　107　
4.4　分層離散化模型的解　108　
4.4.1　簡化分層離散化模型的解析解　108　
4.4.2　分層離散化模型的數(shù)值解　110　
參考文獻　111
第5章　空間碎片環(huán)境的長期演化結(jié)果與主要影響因素分析　112　
5.1　理想演化條件下兩種模型的長期演化結(jié)果與對比分析　112　
5.1.1　僅有攝動力作用下的長期演化結(jié)果　113　
5.1.2　理想演化條件下的長期演化結(jié)果　118　
5.2　航天器爆炸解體對空間碎片環(huán)境演化的長期影響　125　
5.3　航天發(fā)射活動對空間碎片環(huán)境演化的長期影響　129　
5.4　空間碎片清除策略對空間碎片環(huán)境演化的長期影響　132　
5.5　小結(jié)　135
參考文獻　136　
第6章　解體空間碎片云長期演化的分布特點及其碰撞風險分析　137　
6.1　解體空間碎片云演化的三個階段　137　
6.2　解體空間碎片云的長期演化分布特點　140　
6.3　解體空間碎片云的碰撞風險分析　142　
6.4　小結(jié)　144
參考文獻　144　
第7章　大型在軌運行航天器系統(tǒng)受空間碎片碰撞風險評估　145　
7.1　航天器運行空間內(nèi)空間碎片分布狀態(tài)的描述方法　145　
7.2　基于邊界穿越條件的碰撞概率計算方法　146　
7.2.1　基于邊界穿越條件的空間密度計算方法　147　
7.2.2　利用穿越真近點角確定碰撞速度　150　
7.2.3　航天器碰撞風險計算流程和分析方法的應用條件　153　
7.3　天宮二號在軌運行期間的碰撞風險分析　154　
7.4　小結(jié)　159
參考文獻　159　
第8章　超級星座對空間碎片環(huán)境的影響分析　160　
8.1　超級小衛(wèi)星星座的部署和長期演化條件　161　
8.2　包含超級小衛(wèi)星星座時空間碎片環(huán)境的長期演化結(jié)果　163　
8.3　小衛(wèi)星采取離軌清除策略時空間碎片環(huán)境的長期演化結(jié)果　165　
8.4　小結(jié)　168
參考文獻　168　
第9章　中軌道衛(wèi)星軌道長期預報模型　170　
9.1　攝動力模型的建立　170　
9.1.1　地球非球形攝動力作用特點分析　171　
9.1.2　太陽/月球三體引力對航天器產(chǎn)生的攝動力加速度　172　
9.1.3　太陽光壓對航天器產(chǎn)生的攝動力加速度　172　
9.2　長期預報模型的建立　173　
9.2.1　利用春分點根數(shù)描述的參數(shù)運動方程　　174　
9.2.2　參數(shù)運動方程的一階平均解　176　
9.3　中軌道衛(wèi)星長期預報模型精度驗證　184
參考文獻　189　
第10章　中軌道導航衛(wèi)星廢棄軌道長期演化安全性分析　191　
10.1　中軌道導航星座軌道長期演化分析　191　
10.1.1　GPS　191　
10.1.2　GLONASS　193　
10.1.3　Galileo　194　
10.1.4　BDS　196　
10.2　初始軌道根數(shù)對中軌道導航衛(wèi)星長期演化的影響　198　
10.2.1　初始偏心率的影響　198　
10.2.2　升交點赤經(jīng)和近地點幅角的綜合影響　199　
10.3　小結(jié)　201
參考文獻　201　
第11章　中軌道導航衛(wèi)星廢棄軌道優(yōu)化設計　202　
11.1　廢棄軌道優(yōu)化模型　202　
11.2　軌道機動模型　204　
11.3　廢棄軌道帶區(qū)間的選取　206　
11.4　廢棄軌道優(yōu)化分析　208　
11.4.1　抬升處置優(yōu)化分析　209　
11.4.2　下推處置優(yōu)化分析　211　
11.5　小結(jié)　213
參考文獻　213　
第12章　空間交通管理概念與政策　214　
12.1　空間交通管理的歷史與現(xiàn)狀　214　
12.2　空間交通管理的概念　215　
12.2.1　國際宇航科學院對空間交通管理概念的界定　215　
12.2.2　歐盟對空間交通管理概念的界定　215　
12.2.3　美國對空間交通管理概念的界定　216　
12.3　空間交通管理的核心——數(shù)據(jù)和法律　216　
12.3.1　數(shù)據(jù)　216　
12.3.2　法律　217　
12.4　美國空間交通管理政策提出的背景　218　
12.4.1　太空正變得越來越擁擠且越來越具競爭性　218　
12.4.2　太空商業(yè)活動數(shù)量和多樣性顯著增加　219　
12.4.3　國際社會缺乏有效的空間交通管理規(guī)則框架　219　
12.5　美國空間交通管理政策分析　222　
12.5.1　內(nèi)容解讀　222　
12.5.2　主要特點　226　
12.5.3　總體評價　229　
12.6　空間交通管理國際法律制度的構(gòu)建要素　230　
12.6.1　現(xiàn)有外空國際規(guī)則的問題　231　
12.6.2　空間技術(shù)的影響　231　
12.6.3　各國的共識　231　
參考文獻　232　
第13章　空間交通安全規(guī)則與管理策略　233　
13.1　軌道資源分析　233　
13.2　典型軌道分配規(guī)則研究　240　
13.2.1　在軌SSO航天器統(tǒng)計分析　240　
13.2.2　SSO航天器攝動分析　242　
13.2.3　SSO航天器安全管理規(guī)則　244　
13.2.4　SSO航天器安全管理策略　246　
13.3　航天器運行規(guī)則研究　247　
13.3.1　碰撞危險評估　247　
13.3.2　碰撞規(guī)避機動　248　
13.3.3　數(shù)據(jù)精度影響　249　
13.3.4　規(guī)則1和規(guī)則2　250　
13.3.5　規(guī)則3和規(guī)則4　251　
13.4　航天器入軌和離軌管理策略研究　251　
13.4.1　中軌道GNSS廢棄衛(wèi)星處置現(xiàn)狀　252　
13.4.2　中軌道衛(wèi)星廢棄軌道設計現(xiàn)狀　257　
13.4.3　中軌道衛(wèi)星廢棄軌道優(yōu)化設計　260　
13.4.4　北斗中軌道衛(wèi)星離軌策略　263　
參考文獻　278　
彩圖