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(fù)雜性概述　1　
1.1　空間環(huán)境復(fù)雜性分析　2　
1.2　航天器系統(tǒng)復(fù)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(jìng)爭(zhēng)因素復(fù)雜性分析　8　
1.3.1　空間軌道和頻譜資源爭(zhēng)奪更加激烈　9　
1.3.2　空間軍事化和武器化進(jìn)程不斷深化　9　
1.3.3　外空國(guó)際規(guī)則進(jìn)入長(zhǎng)期博弈期　10　
參考文獻(xiàn)　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(gè)空間碎片的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)期演化建模的關(guān)鍵問(wèn)題　21　
2.2.1　空間碎片環(huán)境長(zhǎng)期演化的力學(xué)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(guò)程中目標(biāo)碰撞概率的計(jì)算方法　23　
2.2.4　空間目標(biāo)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(jì)算方法　25　
2.2.6　空間碎片環(huán)境長(zhǎng)期演化結(jié)果的精度分析　25　
2.3　空間碎片環(huán)境帶來(lái)的安全問(wèn)題研究　26　
2.3.1　空間碎片環(huán)境對(duì)空間資源可持續(xù)開發(fā)利用帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)　26　
2.3.2　空間碎片環(huán)境對(duì)航天器的碰撞風(fēng)險(xiǎn)　27　
參考文獻(xiàn)　28　
第3章　空間碎片環(huán)境的長(zhǎng)期演化計(jì)算模型　35　
3.1　空間碎片環(huán)境演化的攝動(dòng)力計(jì)算模型　36　
3.1.1　地球非球形攝動(dòng)力對(duì)空間碎片環(huán)境演化的影響　37　
3.1.2　大氣阻力對(duì)空間碎片產(chǎn)生的攝動(dòng)力加速度　43　
3.1.3　太陽(yáng)/月球三體引力對(duì)空間碎片產(chǎn)生的攝動(dòng)力加速度　44　
3.1.4　太陽(yáng)光壓攝動(dòng)力加速度　45　
3.2　空間碎片演化過(guò)程的碰撞事件建模　45　
3.2.1　空間碎片環(huán)境演化的碰撞概率計(jì)算模型　45　
3.2.2　目標(biāo)解體產(chǎn)生空間碎片的模擬方法　54　
3.3　空間碎片演化過(guò)程的航天發(fā)射活動(dòng)　61　
3.4　基于春分點(diǎn)根數(shù)的空間碎片運(yùn)動(dòng)狀態(tài)長(zhǎng)期平均積分模型　61　
3.4.1　利用春分點(diǎn)根數(shù)描述的參數(shù)運(yùn)動(dòng)方程　62　
3.4.2　參數(shù)運(yùn)動(dòng)方程的一階平均解　64　
3.4.3　長(zhǎng)期平均積分模型的計(jì)算結(jié)果分析　73　
3.5　大規(guī)?？臻g碎片演化的并行計(jì)算框架　79　
3.5.1　空間碎片狀態(tài)更新的并行計(jì)算框架　79　
3.5.2　碰撞概率的并行計(jì)算框架　83　
3.6　長(zhǎng)期演化計(jì)算模型的軟件實(shí)現(xiàn)方案　84　
3.6.1　基于MPI標(biāo)準(zhǔn)的高效并行演化計(jì)算軟件　84　
3.6.2　演化結(jié)果處理與顯示軟件　86　
參考文獻(xiàn)　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(biāo)在空間中的分布特點(diǎn)　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(biāo)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(jiǎn)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(xiàn)　111
第5章　空間碎片環(huán)境的長(zhǎng)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(zhǎng)期演化結(jié)果與對(duì)比分析　112　
5.1.1　僅有攝動(dòng)力作用下的長(zhǎng)期演化結(jié)果　113　
5.1.2　理想演化條件下的長(zhǎng)期演化結(jié)果　118　
5.2　航天器爆炸解體對(duì)空間碎片環(huán)境演化的長(zhǎng)期影響　125　
5.3　航天發(fā)射活動(dòng)對(duì)空間碎片環(huán)境演化的長(zhǎng)期影響　129　
5.4　空間碎片清除策略對(duì)空間碎片環(huán)境演化的長(zhǎng)期影響　132　
5.5　小結(jié)　135
參考文獻(xiàn)　136　
第6章　解體空間碎片云長(zhǎng)期演化的分布特點(diǎn)及其碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析　137　
6.1　解體空間碎片云演化的三個(gè)階段　137　
6.2　解體空間碎片云的長(zhǎng)期演化分布特點(diǎn)　140　
6.3　解體空間碎片云的碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析　142　
6.4　小結(jié)　144
參考文獻(xiàn)　144　
第7章　大型在軌運(yùn)行航天器系統(tǒng)受空間碎片碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估　145　
7.1　航天器運(yùn)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(jì)算方法　146　
7.2.1　基于邊界穿越條件的空間密度計(jì)算方法　147　
7.2.2　利用穿越真近點(diǎn)角確定碰撞速度　150　
7.2.3　航天器碰撞風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算流程和分析方法的應(yīng)用條件　153　
7.3　天宮二號(hào)在軌運(yùn)行期間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析　154　
7.4　小結(jié)　159
參考文獻(xiàn)　159　
第8章　超級(jí)星座對(duì)空間碎片環(huán)境的影響分析　160　
8.1　超級(jí)小衛(wèi)星星座的部署和長(zhǎng)期演化條件　161　
8.2　包含超級(jí)小衛(wèi)星星座時(shí)空間碎片環(huán)境的長(zhǎng)期演化結(jié)果　163　
8.3　小衛(wèi)星采取離軌清除策略時(shí)空間碎片環(huán)境的長(zhǎng)期演化結(jié)果　165　
8.4　小結(jié)　168
參考文獻(xiàn)　168　
第9章　中軌道衛(wèi)星軌道長(zhǎng)期預(yù)報(bào)模型　170　
9.1　攝動(dòng)力模型的建立　170　
9.1.1　地球非球形攝動(dòng)力作用特點(diǎn)分析　171　
9.1.2　太陽(yáng)/月球三體引力對(duì)航天器產(chǎn)生的攝動(dòng)力加速度　172　
9.1.3　太陽(yáng)光壓對(duì)航天器產(chǎn)生的攝動(dòng)力加速度　172　
9.2　長(zhǎng)期預(yù)報(bào)模型的建立　173　
9.2.1　利用春分點(diǎn)根數(shù)描述的參數(shù)運(yùn)動(dòng)方程　　174　
9.2.2　參數(shù)運(yùn)動(dòng)方程的一階平均解　176　
9.3　中軌道衛(wèi)星長(zhǎng)期預(yù)報(bào)模型精度驗(yàn)證　184
參考文獻(xiàn)　189　
第10章　中軌道導(dǎo)航衛(wèi)星廢棄軌道長(zhǎng)期演化安全性分析　191　
10.1　中軌道導(dǎo)航星座軌道長(zhǎng)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(duì)中軌道導(dǎo)航衛(wèi)星長(zhǎng)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(diǎn)赤經(jīng)和近地點(diǎn)幅角的綜合影響　199　
10.3　小結(jié)　201
參考文獻(xiàn)　201　
第11章　中軌道導(dǎo)航衛(wèi)星廢棄軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)　202　
11.1　廢棄軌道優(yōu)化模型　202　
11.2　軌道機(jī)動(dòng)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(xiàn)　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(guó)際宇航科學(xué)院對(duì)空間交通管理概念的界定　215　
12.2.2　歐盟對(duì)空間交通管理概念的界定　215　
12.2.3　美國(guó)對(duì)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(guó)空間交通管理政策提出的背景　218　
12.4.1　太空正變得越來(lái)越擁擠且越來(lái)越具競(jìng)爭(zhēng)性　218　
12.4.2　太空商業(yè)活動(dòng)數(shù)量和多樣性顯著增加　219　
12.4.3　國(guó)際社會(huì)缺乏有效的空間交通管理規(guī)則框架　219　
12.5　美國(guó)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(diǎn)　226　
12.5.3　總體評(píng)價(jià)　229　
12.6　空間交通管理國(guó)際法律制度的構(gòu)建要素　230　
12.6.1　現(xiàn)有外空國(guó)際規(guī)則的問(wèn)題　231　
12.6.2　空間技術(shù)的影響　231　
12.6.3　各國(guó)的共識(shí)　231　
參考文獻(xiàn)　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(jì)分析　240　
13.2.2　SSO航天器攝動(dòng)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(yùn)行規(guī)則研究　247　
13.3.1　碰撞危險(xiǎn)評(píng)估　247　
13.3.2　碰撞規(guī)避機(jī)動(dòng)　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(shè)計(jì)現(xiàn)狀　257　
13.4.3　中軌道衛(wèi)星廢棄軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)　260　
13.4.4　北斗中軌道衛(wèi)星離軌策略　263　
參考文獻(xiàn)　278　
彩圖