复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统的制作方法

本发明属于空间交通管理领域，具体涉及复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统。

背景技术：

随着空间技术的不断发展和人类航天活动的不断增加，外层空间飞行器的种类、数目快速增长，空间环境日益复杂，空间系统的安全运行管理问题已逐渐超越工程问题的范畴，对运行管理技术提出了新挑战。

人类航天时代的开启，已超过了半个世纪。最早的航天器以科学技术实验为主要目的，应用也很简单。在很长一段时期内，航天技术作为美苏争霸的重要阵地，为炫耀技术水平不计代价，对经济效益往往不予考虑。但随着冷战结束和航天技术的发展成熟，航天器逐渐走向了实用，通信、遥感、导航等应用卫星获得了大发展，成为人们生活中不可缺少的重要内容。卫星的数目也以惊人的速度增长，空间交通已呈现出繁忙的端倪。人们有理由相信，若干年后，空间交通不可能如现在一样，继续允许无序、自由的发展，而是要依据一定的统一规划、遵守一定的运行规则，甚至像城市交通系统一样，必须遵守交通管理部门的指挥和控制，空间系统管理将成为空间系统发展的必然要求。

本发明针对复杂空间系统安全管理与决策问题，设计并研制复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统，展现空间碎片和在轨运行的航天器的总体情况，反映空间碎片的在轨演化、预估空间碎片的寿命、分析影响空间安全的典型事件，展示轨道资源的分布情况、分析典型航天器的运行规则、展现航天器的危险椭球等，利用实时的空间目标探测数据，在复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统中对实际空间系统的行为进行预估，为寻找对实际系统有效的管理方案提供依据，为空间系统安全管理的应用与发展探索有效的途径。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统，为空间系统的运行与管理提供更丰富的分析手段、内容和方法，将起到拓展空间系统能力，提高空间系统控制与决策科学性的作用，将为国际空间法和国际空间行为准则的制定提供支撑。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统，系统总体框架如图1所示，系统实现步骤如图2所示：

步骤1：空间对象建模，包括空间对象长期演化计算、空间对象在轨寿命估计。

步骤1.1：空间对象长期演化计算：

空间对象的轨道演化计算主要有数值计算方法和解析计算方法两类。数值计算方法主要采用数值积分算法对轨道动力学模型进行积分解算；解析计算方法是将轨道根数随时间的变化规律用解析函数表示。本系统中采用sgp4解析计算方法，该方法适合长期演化计算，且初始数据可以方便地采用两行轨道根数。

步骤1.2：空间对象在轨寿命估计：

空间对象在轨寿命估计主要关注半长轴和偏心率这两个轨道根数。判断空间对象的近地点是否低于再入大气层门限，该门限值取为120km，预估空间对象寿命。关于轨道根数的选择，瞬时轨道根数对应给定时刻的真实的空间对象状态矢量，平均轨道根数对应瞬时轨道根数减去短周期项(周期小于轨道周期的项)。轨道根数变化的短周期项被移除，这样极大地节省了计算时间，而不会对轨道的长期演化精度造成显著影响。

利用计算出的半长轴和偏心率，可以得到每个点的近地点高度值

hp＝a(1-e)-re(1)

其中，hp为空间对象的近地点高度，a为空间对象的半长轴，e为空间对象的偏心率，re为地球半径，取值为6378.137km。

如果

hp≤h再入(2)

其中，hp为空间对象的近地点高度，h再入为再入大气层门限，取值为120km。

则空间对象将会陨落，轨道寿命即为

t寿命＝t-t0(3)

其中，t寿命为空间对象在轨寿命，t为当前仿真时刻，t0为初始仿真时刻。

步骤2：空间资源优化辅助分析。

以空间碎片和在轨航天器的初始运动状态为输入，通过查询空间对象轨道特性(倾角、周期、高度、偏心率、轨道区域)，输出符合查询条件的空间对象轨道参数文件，展现不同轨道高度、不同轨道倾角航天器的分布情况，例如geo、meo和leo，分析轨道区域内是否还有可用的轨位、新的发射是否会对已有对象造成影响、指导运营商选择合适的轨道位置进行发射等。

为方便使用，系统支持根据轨道区域快速设定查询条件，轨道区域分别为：

geo：轨道周期大于1300min小于1600min，轨道倾角小于20°；

meo：近地点高度大于10000km小于30000km，远地点高度大于10000km小于30000km；

leo：近地点高度小于10000km，远地点高度小于10000km；

步骤3：空间安全保障辅助分析。

以在轨运行航天器的初始运动状态为输入，利用空间对象的历史轨道数据文件，分析空间对象轨道误差协方差系数矩阵，计算空间对象与指定目标的碰撞概率，展现航天器的三维危险椭球，根据碰撞概率大小显示不同颜色，为分析航天器的碰撞概率提供支持。

在计算碰撞概率时，通常假定两个空间对象的相遇时间很短，空间对象之间的运动近似为线性；而且速度误差相比空间对象运行的速度来说非常小，可以近似认为在相遇期间速度是不变的。如果空间对象之间的误差协方差矩阵不相关，那么它们的和就是相对位置误差的协方差矩阵，于是将碰撞概率问题转化为三维的概率分布问题。在垂直于相对速度矢量的平面内研究碰撞概率时，又可以将三维的概率分布问题转化为二维的概率分布问题。图3给出了空间对象误差椭球示意图。

将概率密度函数在可能发生碰撞的危险区域积分，即可计算得到碰撞概率，如式(4)所示。

其中，pc为空间对象的碰撞概率，π取3.1415926，p为两个空间对象相对状态的协方差矩阵，x为三维位置和速度的状态矢量，dx为x方向的微分，dy为y方向的微分。系统采用变步长的simpson方法计算式(4)。

步骤4：空间应急事件处理辅助分析。

针对已经发生的影响空间安全的典型事件，例如卫星解体爆炸、卫星与空间碎片相撞、以及卫星与卫星相撞等，分析事件产生的空间碎片的留轨特性、在轨寿命等演化规律。根据实时计算的航天器的碰撞概率，一旦碰撞概率超过门限值，展现航天器的轨道机动情况，例如轨道抬高或降低。

系统依照evolve4.0爆炸解体模型模拟空间碎片爆炸解体的过程，如图4所示。

第一步根据爆炸源的类型与爆炸的原因，计算每个爆炸碎片的尺寸；

第二步求解每个碎片的面质比；

第三步是根据面质比计算每个碎片的质量，由此得到爆炸碎片的质量并不确定，因此碎片的总质量可能不满足质量守恒。如果爆炸碎片的总质量大于爆炸源质量，则需要返回第二步重新计算；如果爆炸碎片的总质量小于爆炸源质量，需要补充1m以上的大型碎片，使之满足总质量守恒；

第四步计算每个碎片的速度增量，考察是否满足动量守恒；

最后，根据爆炸碎片的速度增量和爆炸事件发生的位置、速度，得到每个爆炸碎片的位置、速度以及瞬时轨道根数，并将此作为爆炸碎片轨道演化的初始条件。

本发明提供的复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统具有以下优点：

本发明提供的复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统，提供了复杂空间系统安全管理与决策的新工具，可以展现目前空间碎片和在轨运行的航天器的总体情况，支持空间对象的长期演化，能够统计分析现有轨道资源的分布情况，能够在考虑历史数据的基础上，计算空间对象的碰撞概率，并根据碰撞概率的大小显示不同颜色的危险椭球，针对已经发生的影响空间安全的典型事件，可以演化分析空间对象解体后的在轨分布情况，为应急事件影响分析和处置决策提供辅助参考。按照本发明提供的复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统，可以极大地丰富复杂空间系统安全管理的手段，提供复杂空间系统安全管理与决策的科学性。

附图说明

图1为本发明提供的复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统主界面图；

图2为本发明提供的复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统的流程示意图；

图3为空间对象误差椭球示意图；

图4为evolve4.0爆炸解体模型模拟空间碎片爆炸解体的过程。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统，系统总体框架如图1所示，系统实现步骤如图2所示：

步骤1：空间对象建模，包括空间对象长期演化计算、空间对象在轨寿命估计。

步骤1.1：空间对象长期演化计算：

空间对象的轨道演化计算主要有数值计算方法和解析计算方法两类。数值计算方法主要采用数值积分算法对轨道动力学模型进行积分解算；解析计算方法是将轨道根数随时间的变化规律用解析函数表示。本系统中采用sgp4解析计算方法，该方法适合长期演化计算，且初始数据可以方便地采用两行轨道根数。

步骤1.2：空间对象在轨寿命估计：

空间对象在轨寿命估计主要关注半长轴和偏心率这两个轨道根数。判断空间对象的近地点是否低于再入大气层门限，该门限值取为120km，预估空间对象寿命。关于轨道根数的选择，瞬时轨道根数对应给定时刻的真实的空间对象状态矢量，平均轨道根数对应瞬时轨道根数减去短周期项(周期小于轨道周期的项)。轨道根数变化的短周期项被移除，这样极大地节省了计算时间，而不会对轨道的长期演化精度造成显著影响。

利用计算出的半长轴和偏心率，可以得到每个点的近地点高度值

hp＝a(1-e)-re(1)

其中，hp为空间对象的近地点高度，a为空间对象的半长轴，e为空间对象的偏心率，re为地球半径，取值为6378.137km。

如果

hp≤h再入(2)

其中，hp为空间对象的近地点高度，h再入为再入大气层门限，取值为120km。

则空间对象将会陨落，轨道寿命即为

t寿命＝t-t0(3)

其中，t寿命为空间对象在轨寿命，t为当前仿真时刻，t0为初始仿真时刻。

步骤2：空间资源优化辅助分析。

以空间碎片和在轨航天器的初始运动状态为输入，通过查询空间对象轨道特性(倾角、周期、高度、偏心率、轨道区域)，输出符合查询条件的空间对象轨道参数文件，展现不同轨道高度、不同轨道倾角航天器的分布情况，例如geo、meo和leo，分析轨道区域内是否还有可用的轨位、新的发射是否会对已有对象造成影响、指导运营商选择合适的轨道位置进行发射等。

为方便使用，系统支持根据轨道区域快速设定查询条件，轨道区域分别为：

geo：轨道周期大于1300min小于1600min，轨道倾角小于20°；

meo：近地点高度大于10000km小于30000km，远地点高度大于10000km小于30000km；

leo：近地点高度小于10000km，远地点高度小于10000km；

步骤3：空间安全保障辅助分析。

以在轨运行航天器的初始运动状态为输入，利用空间对象的历史轨道数据文件，分析空间对象轨道误差协方差系数矩阵，计算空间对象与指定目标的碰撞概率，展现航天器的三维危险椭球，根据碰撞概率大小显示不同颜色，为分析航天器的碰撞概率提供支持。

在计算碰撞概率时，通常假定两个空间对象的相遇时间很短，空间对象之间的运动近似为线性；而且速度误差相比空间对象运行的速度来说非常小，可以近似认为在相遇期间速度是不变的。如果空间对象之间的误差协方差矩阵不相关，那么它们的和就是相对位置误差的协方差矩阵，于是将碰撞概率问题转化为三维的概率分布问题。在垂直于相对速度矢量的平面内研究碰撞概率时，又可以将三维的概率分布问题转化为二维的概率分布问题。图3给出了空间对象误差椭球示意图。

将概率密度函数在可能发生碰撞的危险区域积分，即可计算得到碰撞概率，如式(4)所示。

其中，pc为空间对象的碰撞概率，π取3.1415926，p为两个空间对象相对状态的协方差矩阵，x为三维位置和速度的状态矢量，dx为x方向的微分，dy为y方向的微分。系统采用变步长的simpson方法计算式(4)。

步骤4：空间应急事件处理辅助分析。

针对已经发生的影响空间安全的典型事件，例如卫星解体爆炸、卫星与空间碎片相撞、以及卫星与卫星相撞等，分析事件产生的空间碎片的留轨特性、在轨寿命等演化规律。根据实时计算的航天器的碰撞概率，一旦碰撞概率超过门限值，展现航天器的轨道机动情况，例如轨道抬高或降低。

系统依照evolve4.0爆炸解体模型模拟空间碎片爆炸解体的过程，如图4所示。

第一步根据爆炸源的类型与爆炸的原因，计算每个爆炸碎片的尺寸；

第二步求解每个碎片的面质比；

第三步是根据面质比计算每个碎片的质量，由此得到爆炸碎片的质量并不确定，因此碎片的总质量可能不满足质量守恒。如果爆炸碎片的总质量大于爆炸源质量，则需要返回第二步重新计算；如果爆炸碎片的总质量小于爆炸源质量，需要补充1m以上的大型碎片，使之满足总质量守恒；

第四步计算每个碎片的速度增量，考察是否满足动量守恒；

最后，根据爆炸碎片的速度增量和爆炸事件发生的位置、速度，得到每个爆炸碎片的位置、速度以及瞬时轨道根数，并将此作为爆炸碎片轨道演化的初始条件。

本发明提供的复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统，提供了复杂空间系统安全管理与决策的新工具，可以展现目前空间碎片和在轨运行的航天器的总体情况，支持空间对象的长期演化，能够统计分析现有轨道资源的分布情况，能够在考虑历史数据的基础上，计算空间对象的碰撞概率，并根据碰撞概率的大小显示不同颜色的危险椭球，针对已经发生的影响空间安全的典型事件，可以演化分析空间对象解体后的在轨分布情况，为应急事件影响分析和处置决策提供辅助参考。按照本发明提供的复杂空间系统安全管理与决策辅助分析系统，可以极大地丰富复杂空间系统安全管理的手段，提供复杂空间系统安全管理与决策的科学性。

具体具有以下优点：

(1)提供了一种复杂空间系统安全管理的新手段

目前，复杂空间系统安全管理的研究较少，而且主要集中在理论研究上，本系统提供了一种复杂空间系统安全管理的新手段，使得空间资源优化、空间安全保障以及空间应急事件处理更加快捷、准确，提升了复杂空间系统安全管理与决策的科学性。

(2)本发明支持空间对象的在轨长期演化

目前，空间对象的中短期预报较多，本系统支持空间对象的在轨长期演化，例如100年、200年、300年等，而且通过空间对象在轨寿命计算，系统自动删除已经陨落的空间对象，从而提升长期演化的准确性。

(3)提供了空间资源优化辅助分析工具

目前，对geo区域空间资源的管理比较规范，对leo区域空间资源的管理仅有指导性文件，对meo区域空间资源的管理较少，本发明通过对所有空间对象的建模，支持当前和一段时间内，geo、leo和meo区域空间资源的统计优化分析，从而提高上述区域空间资源的利用率。

(4)提供了空间安全保障辅助分析工具

目前，尺寸大于10cm的空间对象超过1万七千个，本发明通过计算任意2个空间对象的碰撞概率，可以实时给出空间对象碰撞概率预警信息，而且通过直观的三维椭球进行展示，提升了安全管理与决策分析的便捷性。

(5)提供了空间应急事件处理辅助分析工具

一是可以针对已经发生的影响空间安全的典型事件，通过长期演化，分析事件产生的空间碎片的留轨特性、在轨寿命等演化规律，为事件影响分析提供依据；二是针对实时计算出的碰撞概率，，一旦碰撞概率超过门限值，展现航天器轨道抬高或降低的机动情况，为空间危险事件处置提供参考。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。