空间碎片碰撞预警系统优化方案

1.系统总体框架

系统的主程序框架如图4-1所示，数据库管理系统和预警分析系统将各个子模块有机地组合起来，形成了一个完整的系统。

数据库管理系统中的空间碎片数据库和计算结果数据库采用Oracle数据库提供数据服务，己方航天器数据库主要以XML文件的形式存放来自上级部门的密切轨道根数和航天器初始轨道误差信息，空间碎片数据库以TLE数据格式存储来自celestrak.com网站的TLE数据，该网站的数据来源于美国空间监视网（SSN）和第三方在轨航天器拥有者，并且部分数据每天更新不止一次，故该系统设定TLE数据更新频率为每天3次。

预警分析系统将空间碎片经过一系列的初步筛选后，将剩下的可能和己方航天器发生碰撞的空间碎片进行精确的碰撞概率计算，将碰撞概率较高的空间碎片信息存入数据库并提交上级部门以供决策。

图4-1　碰撞预警系统主程序框架图

2.空间碎片筛选模块

目前已编目的空间碎片数目众多，并且会随着人类航天活动次数的增加而增加，如果对每个单独的碎片直接进行碰撞概率计算，则会耗费大量的时间，使得预警计算过程变得极为缓慢，无法起到预警计算的及时预报作用。该模块主要利用历元时间筛选法、远近地点筛选法、最小距离筛选法进行空间碎片的初步筛选，极大地提高了整个预警过程的效率，并且某些中间结果还能直接用于下一步的碰撞概率的计算。图4-2给出了空间碎片筛选的流程图。

3.误差分析模块

该模块主要用来计算航天器与空间目标最接近时的航天器和空间碎片的位置误差。对于己方航天器，由上级部门定期提供轨道确定的初始协方差矩阵，在计算最接近时刻的位置误差时，选择时间上离最接近时刻最近的协方差矩阵，利用STK Engine SDK中的HPOP Covariance指令集设置好相应的参数来推演计算协方差矩阵，主要指令如下：

（1）利用指令hpop*/Satellite/Satellitel Covariance On开启位置协方差矩阵的预报。

图4-2　空间碎片筛选程序流程图(www.xing528.com)

（2）利用指令hpop*/Satellite/Satellitel Covariance Gravity设定所用的引力场模型的阶数。

（3）利用指令hpop*/Satellite/Satellitel Covariance ConsiderParam Drag设定大气阻力系数。

（4）利用指令hpop*/Satellite/Satelitel Covariance ConsiderParam SRP设定太阳光压系数。

（5）利用指令hpop*/Satellite/Satellitel Covariance Frame设定位置误差所在的坐标系统，该系统采用J2000惯性坐标系。

（6）利用指令hpop*/Satellite/Satelitel Covariance PosVel设定初始的位置误差。

对于空间碎片，由于是非合作目标且缺乏精确的观测数据，精确计算其位置误差的方差矩阵比较困难，因此，在该模块中利用TLE历史数据进行协方差演化函数的拟合，并用该演化函数计算最接近时刻的协方差矩阵。

4.碰撞概率计算模块

该模块利用上文所得的航天器和空间碎片的最接近时刻的位置、速度及误差协方差矩阵，采用空间数据系统咨询委员会（CCSDS）的交会数据信息（CDM）推荐标准中推荐的Patera碰撞概率计算方法计算碰撞概率，并将结果存入数据库中。在模块中，假定航天器和空间碎片的相对速度很大、两个目标在空间的交会时间很短，因此，两个目标的相对运动在交会时间内是匀速直线运动且无速度的不确定性，这样位置误差椭球在交会时间内保持不变。

在空间碎片筛选模块中，在利用HPOP模型计算航天器和空间碎片的轨道状态时，为了加快计算速度，系统设定的步进时间为0.1 s。然而，对于低轨航天器，在0.1 s内位移已能达到700 m左右，这样计算出的轨道状态不够精确。为了更加精确地计算最接近时刻的轨道状态，系统利用最接近时相对位置矢量垂直于相对速度矢量这一条判据，采用牛顿迭代法对轨道状态进行修正。碰撞概率计算流程如图4-3所示。