空间碎片环境对高姿态精度航天器指向性能的影响研究

摘要

近地轨道空间碎片环境不断恶化，而用于激光通讯、对地观测、天文探测等的高姿态精度航天器对指向性能的要求却不断提高。数量众多的微小空间碎片会不时地撞击航天器，碎片撞击对各种微小扰动很敏感的高姿态精度航天器后其指向性能会受到影响。目前国内外针对空间碎片对航天器姿态影响的研究很少，只有少数文献涉及微流星体对航天器姿态的影响。
　　本文运用航天器姿态运动的相关理论知识建立了空间碎片撞击航天器的动力学模型，提出了根据SDEEM空间碎片环境工程模型输出的航天器空间碎片环境、航天器的几何模型及逆转法生成随机数的思想随机生成撞击传递角动量的方法，解决了空间碎片多次撞击时时间间隔的随机生成及不同坐标系之间的转换问题，从而利用蒙特卡洛数值仿真方法获得空间碎片单次随机撞击、多次随机撞击对高姿态精度航天器指向性能影响的统计特性。
　　首先介绍了研究中用到的SDEEM软件航天器评估模式及其输出量相对通量，相对通量是定义在航天器轨道坐标系下的。在此基础上，根据航天器姿态动力学相关理论知识建立了空间碎片撞击航天器的姿态动力学模型，并设计了航天器指向性能的评价指标。
　　然后利用SDEEM软件得到哈勃的空间碎片环境并选取典型空间碎片，编程仿真研究了典型空间碎片单次撞击对给定姿态的哈勃观测轴指向变化及变化率的影响。
　　接着提出了根据空间碎片环境数据文件及利用逆转法生成随机数的思想随机生成碎片尺寸和撞击方位角的方法；提出了根据撞击动量方向随机产生碎片对航天器撞击位置的方法；以哈勃为例利用蒙特卡洛数值仿真方法获得了微小空间碎片单次随机撞击对哈勃指向性能影响的统计特性。
　　最后提出了空间碎片连续撞击航天器过程是复合泊松过程，由此得到碎片连续撞击时间间隔服从指数分布；研究了多次随机撞击过程中不同坐标系进行转换的求法；以哈勃为例利用蒙特卡洛数值仿真方法获得了微小空间碎片多次随机撞击对航天器指向性能累积影响的统计特性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究进展

1.3 空间碎片对航天器姿态影响研究方法

1.4 本文的主要研究内容

第2章 空间碎片撞击航天器姿态动力学建模

2.1 引言

2.2 SDEEM2015空间碎片环境工程模型

2.3 航天器姿态运动的理论基础

2.4 指向性能评价指标及空间碎片撞击航天器动力学建模

2.5 本章小结

第3章 典型空间碎片撞击对航天器指向影响

3.1 引言

3.2 哈勃望远镜空间碎片环境

3.3 典型空间碎片单次撞击对哈勃指向性能影响

3.4 本章小结

第4章 单次随机撞击对航天器指向影响统计分析

4.1 引言

4.2 随机撞击动量的生成

4.3 随机撞击位置的生成

4.4 单次随机撞击对哈勃指向影响的仿真统计分析

4.5 本章小结

第5章 多次随机撞击对航天器指向性能的累积影响

5.1 引言

5.2 多次随机撞击过程分析

5.3 多次随机撞击对哈勃指向性能影响的仿真分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢