空间环境对碎片碰撞预警和轨道演化的影响分析

Conjunction assessment and collision avoidance become progressively significant with the continuous increase of on-orbit space debris. Space environment factors could significantly effect density and dynamical characteristic of upper atmosphere, therefore effect the prediction of orbital state and covariance, which are important in conjunction assessment and orbit evolution of space debris. This project considers the effects of space environment on collision assessment and orbit evolution of space debris, the space environment/orbit prediction/collision assessment problem will be researched. The orbital anomaly of space object will be detected based on historical orbital data sequence, the relation between space environment events and orbital anomaly of space object could be analyzed. Effects of space environment on prediction of orbital state and covariance will be studied, the effects of space environment change on evolution characteristic of space debris will also be investigated. The effects of orbital prediction covariance and other factors on conjunction assessment will be analyzed based on explicit expression and sensitivity analysis of collision probability. The effectivity problem of collision alarm will be researched from aspects of false alarm and miss alarm. The implement of this project will promote interaction and fusion between space environment and orbital dynamics and error analysis, and improve space object collision assessment application system.

在轨空间碎片的数量不断增加导致航天器的碰撞风险不断上升。空间环境因素会对高层大气密度和动力学特性产生显著影响，并直接影响轨道状态和协方差的预报，这对空间碎片碰撞预警和轨道演化特性造成影响。本项目考虑空间环境对空间碎片碰撞预警和轨道演化的影响作用，对空间环境-轨道预报-碰撞预警相关问题进行研究。通过空间碎片的历史轨道数据序列来对其轨道异常进行检测，并分析轨道异常与空间环境事件的相关性。研究空间环境对空间碎片轨道状态和协方差预报的影响作用，并研究空间环境变化对空间碎片轨道演化规律的影响。基于碰撞概率显式表达式和灵敏度分析研究轨道预报误差对空间碎片碰撞预警的影响作用，从虚警率和漏警率出发研究空间碎片碰撞预警的有效性问题。本项目的实施可促进空间环境和轨道观测、动力学与误差分析的交叉融合，可为提高我国空间碎片碰撞预警能力和有效性提供技术支撑，进一步完善我国的空间碎片碰撞预警应用系统。

本项目围绕轨道演化和碰撞预警主要开展了四个方面的研究工作。首先在圆轨道情形下推导了用接近距离的RSW分量和接近几何关系表示的碰撞概率显式表达式，并分析了圆轨道和一般轨道情形下显式表达式适用的偏心率范围。其次通过分析轨道预报误差的特性，提出了轨道预报误差可以拟合成泊松级数的观点，并给出了系数矩阵的计算方法，该观点亦符合空间环境对轨道预报误差长期和周期作用的耦合效果。再次根据碰撞概率的显式表达式，分析了碰撞概率对接近距离的RSW分量、轨道误差协方差和目标大小等参数的灵敏度，理清了诸影响因素的变化对碰撞概率变化的作用。最后基于碰撞概率的显式表达式，定义了碰撞概率的安全区域和危险区域，给出了漏警率和虚警率的定义和计算公式，并在合理的假设条件下进行了简化，得到了漏警率和虚警率变化的基本规律。. 以上四方面的研究工作落实了预定的研究计划和研究内容，初步解决了两个关键的科学问题。第一：泊松级数拟合的方法有效的解决了空间环境对空间目标轨道预报误差影响的问题，把各种影响因素都综合到了由多项式项和三角函数项组成的泊松级数中，同时描述了预报误差长期和周期的特性。第二：解决了各种影响因素（交会几何参数、位置误差协方差和目标大小等）对碰撞概率的作用和碰撞预警有效性的问题。. 本项目达成了预定的研究目标，基本理清了空间环境、轨道预报误差对空间碎片碰撞预警的影响。所取得的研究成果可以运用到航天任务分析、航天器发射、航天器安全运行和航天器日常管理中，具有较高的工程应用价值。