一种空间碎片速度增量方向矢量图的建立方法及清除方法

本发明属于激光清除空间碎片，具体涉及一种空间碎片速度增量方向矢量图的建立方法及清除方法。

背景技术：

1、空间碎片主要是指分布在地球轨道上一切丧失功能的人造物体以及因其碰撞或爆炸而产生的碎片，随着人类航天活动的日益发展，空间碎片的数量在不断地增加，已经对太空环境造成了严重污染，其中动能撞击是对在轨航天器的主要威胁，减缓空间碎片的数量是空间技术发展面临的关键问题，近年来，人们对空间碎片移除技术进行了探索，提出了多种移除方法，其中激光移除碎片技术具有独特的优势，是理想碎片移除方法

2、激光移除碎片技术具有操作简单、效率高、响应时间短和成本较低等优点，该技术的基本原理是:当高强度脉冲激光照射在碎片表面时，使表面材料等离子化产生高温气体，产生一系列类似于火箭反推的热物质反喷羽流，给碎片提供速度增量来降低近地点高度，使其在较短时间内落入大气层烧毁，达到移除空间碎片的目的，激光移除碎片系统可分为地基和天基两种类型，它们各有优缺点，地基系统成本较低，维护方便，能量转化成本低，但是对碎片的监测时间受光照影响，并且容易受到大气干扰，效率较低，而天基系统可以实现全天监视，移除效率高，但维护困难，能源使用成本高。

3、但是，传统的天基激光清除空间碎片存在以下缺点：

4、传统的天基激光清除空间碎片过程中，空间碎片在实施移动，空间碎片移动过程中速度增量发生变化，降低了天基激光清除空间碎片的准确率。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种空间碎片速度增量方向矢量图的建立方法及清除方法，根据输入的激光和碎片参数，位置矢量，速度矢量，计算碎片的变轨过程，实时输出碎片的轨道信息和移除结果，增加天基激光清除空间碎片的准确度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种空间碎片速度增量方向矢量图的建立方法，，包括以下步骤：

3、利用天基平台探测出清除范围内的空间碎片及空间碎片信息；

4、将所述空间碎片信息传送到激光清除控制系统，模拟激光清除设备对空间碎片进行跟踪和瞄准；

5、获取空间碎片在地心赤道坐标系中状态向量，计算空间碎片在该点受到激光辐照后，获得速度增量，根据所述速度增量计算变轨后速度矢量和位置矢量，根据变轨后速度矢量、位置矢量、二体运动方程、牛顿定律计算出变轨后的轨道根数；

6、根据确定的轨道根数，建立轨道与空间碎片运动时间的函数；

7、根据所述空间碎片信息和轨道与空间碎片运动时间的函数建立空间碎片的三维轨道模型；

8、根据三维轨道模型绘制对应的矢量图；

9、对所述矢量图添加碎片标注、图例、矢量图标题、矢量图说明文字和矢量图比例尺后保存矢量图。

10、进一步的，空间碎片信息包括空间碎片的大小、图像信息、地理位置以及空间碎片与激光站的相对距离。

11、进一步的，获取在地心赤道坐标系中状态向量，计算在该点受到激光辐照后，获得速度增量，根据所述速度增量计算变轨后速度矢量和位置矢量，根据变轨后速度矢量、位置矢量、二体运动方程、牛顿定律计算出变轨后的轨道根数包括：

12、在地心赤道坐标系中，x轴指向春分点的方向，xy平面为地球的赤道平面，z轴与地球的旋转轴一致，且指向北，单位矢量i、j和k满足右手定则，在给定时刻，空间碎片的初始状态向量速度v0和位置r0，在地心赤道坐标系中状态向量表示为：r0＝x0i+y0j+z0k，v0＝vx0i+vy0j+vz0k，在该点受到激光辐照后，获得速度增量，δv＝δvxi+δvyj+δvzk，变轨后速度矢量和位置矢量分别为：v＝vo+δv＝(vx0+δvx)i+(vy0+δvy)j+(vz0+δvz)k，r＝r0，根据二体运动方程和牛顿定律计算出变轨后的轨道根数，比角动量的模h、轨道倾角i、升交点赤经ω、偏心率e、近地点幅角ω和真近点角θ。

13、进一步的，根据确定的轨道根数，建立轨道与空间碎片运动时间的函数包括：已知t0时刻空间碎片的位置r0和速度v0，其模分别为r0和v0，由拉格朗日系数f和g及其一阶导数，根据下述表达式求出任意时刻的位置r和速度v：r＝fr0+gv0，v＝fr0+gv0，利用全局变量χ和斯达姆夫函数c(z)与s(z)所表示的拉格朗日系数如下：其中长半轴的导数α为：对于椭圆轨道，α＞0，已知δt、r0、v0和α，μ是地球引力常数，从全局开普勒方程中解出全局近点角χ。

14、进一步的，绘根据三维轨道模型绘制对应的矢量图时，根据数据的类型，自动生成宇宙地图元素。

15、进一步的，碎片标注具体为轨道名称和碎片名称。

16、本发明同时提供一种天基激光清除空间碎片清除方法，根据空间碎片速度增量方向矢量图对空间碎片精确瞄准，启动高能激光器，对空间碎片进行照射，改变空间碎片的原始轨道，使其近地点高度降低，空间碎片速度增量方向矢量图基于权利要求1-6任一项所述方法建立。

17、进一步的，根据空间碎片的地理位置信息判定是否满足激光作用条件：激光站坐标为(x0，y0，z0)，碎片的位置矢量为(x1，y1，z1)，地球球面方程为：x2+y2+z2＝63782，根据几何方法确定激光站在地球表面的切面方程：x0*x+y0*y+z0*z＝63782，激光作用条件具体为：在碎片移动到激光站上方时，即x1*x0+y1*y0+z1*z0-63782＞0，具有移除条件，激光入射方向和空间碎片之间的向量夹角即为天顶角。

18、进一步的，空间碎片在该点受到激光辐照时，激光与碎片相互作用，产生反喷冲量，使空间碎片获得速度增量，激光作用后靶的质量m＝m0-μe；μ为激光烧蚀率；p为一个强度为i、脉宽τ的激光脉冲在靶上产生的烧蚀压；激光通量为φ；e为靶上的激光能量。

19、进一步的，通过自主方式或者接收地面遥控指令方式启动高能激光器。

20、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

21、本发明根据输入的激光和碎片参数，位置矢量，速度矢量，计算碎片的变轨过程，实时输出碎片的轨道信息和移除结果，增加天基激光清除空间碎片的准确度；通过绘制矢量图，标注、图例、比例尺、标题、矢量图说明文字的绘制，以便更好地理解矢量图的内容，准确预判空间碎片的运动轨迹，且绘制好的矢量图保存为图片或其他格式，以便在其他地方使用。

技术特征：

1.一种空间碎片速度增量方向矢量图的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的空间碎片速度增量方向矢量图的建立方法，其特征在于，空间碎片信息包括空间碎片的大小、图像信息、地理位置以及空间碎片与激光站的相对距离。

3.根据权利要求1所述的空间碎片速度增量方向矢量图的建立方法，其特征在于，获取在地心赤道坐标系中状态向量，计算在该点受到激光辐照后，获得速度增量，根据所述速度增量计算变轨后速度矢量和位置矢量，根据变轨后速度矢量、位置矢量、二体运动方程、牛顿定律计算出变轨后的轨道根数包括：

4.根据权利要求1所述的空间碎片速度增量方向矢量图的建立方法，其特征在于，根据确定的轨道根数，建立轨道与空间碎片运动时间的函数包括：已知t0时刻空间碎片的位置r0和速度v0，其模分别为r0和v0，由拉格朗日系数f和g及其一阶导数，根据下述表达式求出任意时刻的位置r和速度v：r＝fr0+gv0，v＝fr0+gv0，利用全局变量χ和斯达姆夫函数c(z)与s(z)所表示的拉格朗日系数如下：其中长半轴的导数α为：对于椭圆轨道，α＞0，已知δt、r0、v0和α，μ是地球引力常数，从全局开普勒方程中解出全局近点角χ。

5.根据权利要求1所述的空间碎片速度增量方向矢量图的建立方法，其特征在于，绘根据三维轨道模型绘制对应的矢量图时，根据数据的类型，自动生成宇宙地图元素。

6.根据权利要求1所述的空间碎片速度增量方向矢量图的建立方法，其特征在于，碎片标注具体为轨道名称和碎片名称。

7.一种天基激光清除空间碎片清除方法，其特征在于，根据空间碎片速度增量方向矢量图对空间碎片精确瞄准，启动高能激光器，对空间碎片进行照射，改变空间碎片的原始轨道，使其近地点高度降低，空间碎片速度增量方向矢量图基于权利要求1-6任一项所述方法建立。

8.根据权利要求7所述的天基激光清除空间碎片清除方法，其特征在于，根据空间碎片的地理位置信息判定是否满足激光作用条件：激光站坐标为(x0，y0，z0)，碎片的位置矢量为(x1，y1，z1)，地球球面方程为：x2+y2+z2＝63782，根据几何方法确定激光站在地球表面的切面方程：x0*x+y0*y+z0*z＝63782，激光作用条件具体为：在碎片移动到激光站上方时，即x1*x0+y1*y0+z1*z0-63782>0，具有移除条件，激光入射方向和空间碎片之间的向量夹角即为天顶角。

9.根据权利要求7所述的天基激光清除空间碎片清除方法，其特征在于，空间碎片在该点受到激光辐照时，激光与碎片相互作用，产生反喷冲量，使空间碎片获得速度增量，激光作用后靶的质量m＝m0-μe；μ为激光烧蚀率；p为一个强度为i、脉宽τ的激光脉冲在靶上产生的烧蚀压；激光通量为φ；e为靶上的激光能量。

10.根据权利要求7所述的天基激光清除空间碎片清除方法，其特征在于，通过自主方式或者接收地面遥控指令方式启动高能激光器。

技术总结
本发明公开一种空间碎片速度增量方向矢量图的建立方法及清除方法，探测出清除范围内的空间碎片及空间碎片信息；将所述空间碎片信息传送到激光清除控制系统，获取空间碎片在地心赤道坐标系中状态向量，计算空间碎片在该点受到激光辐照后获得速度增量，根据所述速度增量计算变轨后速度矢量和位置矢量/变轨后速度矢量、位置矢量、二体运动方程、牛顿定律计算出变轨后的轨道根数；根据确定的轨道根数，建立轨道与空间碎片运动时间的函数和空间碎片的三维轨道模型；根据三维轨道模型绘制对应的矢量图；根据激光和碎片参数，位置矢量，速度矢量，计算碎片的变轨过程，实时输出碎片的轨道信息和移除结果，增加天基激光清除空间碎片的准确度。

技术研发人员：方英武,曹国庆,张广鹏
受保护的技术使用者：西安外事学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17