地基激光移除空間碎片過程的三維建模與仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種地基激光移除空間碎片過程的三維建模與仿真方法，基于地心赤道坐標(biāo)系中碎片的初始位置和速度矢量，以及激光站的位置矢量，激光的波長(zhǎng)、頻率等參數(shù)，計(jì)算模擬地基激光移除空間碎片的物理過程。該方法極大的簡(jiǎn)化了計(jì)算方法，便于參數(shù)設(shè)置和顯示輸出結(jié)果，提高了其準(zhǔn)確度和使用靈活性。
【專利說明】
地基激光移除空間碎片過程的三維建模與仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及航天技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種地基激光移除空間碎片過程的三維建 模與仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間碎片是指人類空間活動(dòng)所產(chǎn)生的太空垃圾。目前地球周圍的空間碎片總量已 經(jīng)接近7000t，其中有43 %主要分布在400-2000km的低地軌道上。它們嚴(yán)重威脅著航天器的 安全，減緩空間碎片已勢(shì)在必行，如何清除空間碎片成為航天領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和前沿問題。
[0003] 激光移除空間微小碎片是國(guó)際上一致認(rèn)可的理想碎片移除方法。該方法采用激光 推進(jìn)的方式，當(dāng)高強(qiáng)度脈沖激光照射在碎片表面時(shí)，使表面材料等離子化產(chǎn)生高溫氣體，產(chǎn) 生一系列類似于火箭反推的熱物質(zhì)射流，給碎片提供速度增量來降低近地點(diǎn)高度，使其在 較短時(shí)間內(nèi)落入大氣層燒毀。
[0004]在激光移除空間碎片過程建模方面，已有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。Phipps等建立了 二維變軌模型，通過給定的激光和碎片參數(shù)能夠預(yù)測(cè)碎片的降軌高度（參見Claude R.Phipps ,Kevin L. Baker, Stephen B. Libby,et al.Removing orbital debris with lasers.Advances in Space Research,2012,49:1283-1300)。金星等（參見：金星，洪延姬， 常浩.地基激光清除橢圓軌道空間碎片特性的計(jì)算分析.航空學(xué)報(bào)，2013，34:2064-2073)建 立了以速度增量為初始量的單脈沖和多脈沖碎片變軌二維模型，該模型僅能分析二維平面 內(nèi)空間碎片的降軌過程。韓威華等(參見:韓威華，甘慶波，何洋，楊新.天基激光清理低軌空 間碎片的最佳角度分析與過程設(shè)計(jì).航空學(xué)報(bào)，2015，36:749-756)針對(duì)高能脈沖激光清除 低軌空間碎片的問題，建立了高能脈沖激光清除空間碎片作用過程和軌道演化的二維模 型，推導(dǎo)了脈沖激光作用碎片的最佳角度與碎片軌道參數(shù)的解析關(guān)系。常浩等(參見:常浩， 金星，洪延姬.基于激光燒蝕沖量耦合的空間碎片主動(dòng)變軌建模與仿真.航空學(xué)報(bào)，2013， 34:2325-2332)針對(duì)空間碎片主動(dòng)離軌防止碰撞在軌衛(wèi)星的情況，基于軌道動(dòng)力學(xué)建立了 空間碎片主動(dòng)變軌物理過程三維模型。該模型的計(jì)算方法十分復(fù)雜，以碎片軌道根數(shù)作為 初始量，碎片進(jìn)入激光作用范圍的判斷、碎片軌道參數(shù)、速度增量等需要在地心慣性坐標(biāo) 系、軌道坐標(biāo)系和地心赤道坐標(biāo)系之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這無疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和計(jì)算量， 并且忽略了碎片逃逸等實(shí)際問題。
[0005]激光移除空間碎片是一個(gè)包括多脈沖激光沖量耦合作用、碎片變軌、隕落和逃逸 等的復(fù)雜過程。雖然目前已經(jīng)建立一些激光清除碎片過程的軌道動(dòng)力學(xué)模型，但是它們大 多數(shù)為二維模型，并且以速度增量為初始參數(shù)，而忽略了激光與物質(zhì)的沖量耦合作用、碎片 軌道參數(shù)變化和軌道傾角變化對(duì)速度增量的影響。在已建立的三維模型僅針對(duì)某種特定的 變軌情況，在激光移除空間碎片領(lǐng)域具有一定的局限性，忽略了真實(shí)空間環(huán)境下的一些實(shí) 際問題，并且計(jì)算方法十分復(fù)雜，結(jié)果信息輸出不夠詳盡與直觀。因此，研究一種具有普適 性的、計(jì)算模型簡(jiǎn)單、能夠描述激光移除空間碎片的真實(shí)物理過程的三維模型對(duì)定量分析 激光清除空間碎片的過程具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明旨在提供一種具有普適性、計(jì)算模型簡(jiǎn)單、能夠 描述地基激光移除空間碎片真實(shí)物理過程的三維仿真方法，建立包括激光沖量耦合作用、 碎片變軌、隕落和逃逸等關(guān)鍵物理過程的仿真模型，真實(shí)、準(zhǔn)確的輸出激光移除空間碎片的 物理過程，為激光參數(shù)選取和碎片移除的可行性判斷提供基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型。
[0007] 本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題包括：（1)如何采用簡(jiǎn)單的計(jì)算方法將地基激光移除 空間碎片中的一系列關(guān)鍵問題集成在一個(gè)三維模型中；（2)如何避免在不同坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn) 換來判斷碎片是否進(jìn)入激光作用范圍；（3)如何方便的設(shè)置參數(shù)和顯示輸出結(jié)果。
[0008] 本發(fā)明采用了如下的解決方案：
[0009] 一種地基激光移除空間碎片過程的三維建模與仿真方法，包括以下步驟：
[0010] (1)建立地心赤道坐標(biāo)系，以空間碎片和激光站的位置矢量（x，y，z)和速度矢量 (vx，Vy，vz)作為輸入?yún)?shù)，建立Μ函數(shù)rab_check.m，判斷碎片是否在激光的作用范圍內(nèi)；其 中，基于地心赤道坐標(biāo)系（單坐標(biāo)系），采用激光站地表切面，對(duì)是否具備清除條件進(jìn)行判 斷，假設(shè)激光站坐標(biāo)為(xo，yo，zo)，碎片的位置矢量為( X1，yi，Z1)，地球球面方程為:x2+y2+z 2 = 63782，根據(jù)幾何方法確定激光站點(diǎn)在地球表面的切面方程:XQX+yoy+Z()Z = 63782;只有在 碎片移動(dòng)到激光站上方時(shí)（xixQ+yiyQ+zizo-esTS2^))，才具有清除條件，此時(shí)向量夾角即為 天頂角；
[0011] (2)建立計(jì)算軌道根數(shù)的Μ函數(shù)C〇e_fr〇m_SV，將采用地心赤道坐標(biāo)系中的位置矢 量和速度矢量作為輸入?yún)?shù)，根據(jù)二體運(yùn)動(dòng)方程和牛頓定律轉(zhuǎn)換為軌道根數(shù)；
[00?2] (3)建立軌道與時(shí)間關(guān)系的Μ函數(shù)rv_f rom_r0v0，對(duì)碎片運(yùn)行軌跡進(jìn)行計(jì)算和信息 記錄，利用此函數(shù)實(shí)時(shí)跟蹤碎片的移動(dòng)過程，更新碎片的軌道信息；
[0013] (4)確定激光參數(shù)，基于激光在大氣中的傳輸模型和激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理，建 立碎片速度增量矢量Μ函數(shù)dv，其中包含常見空間碎片材料的相關(guān)參數(shù)，對(duì)常見空間碎片材 料進(jìn)行計(jì)算，確定激光脈沖作用后碎片的速度V_to_dV，對(duì)激光作用次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算激 光作用后靶的質(zhì)量πι=π?()-μΕ，μ為激光燒蝕率，E為靶上的激光能量；
[0014] (5)激光作用判斷，判斷激光脈沖作用后碎片軌道近地點(diǎn)是否降低，如果降低則激 光作用計(jì)數(shù)+1，更新碎片速度矢量和軌道根數(shù);反則，碎片按照時(shí)間步長(zhǎng)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；
[0015] (6)每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)判斷碎片是否移動(dòng)出激光作用范圍，如果移動(dòng)出激光作用范圍， 則計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)增加十倍，以提高計(jì)算效率，直至碎片再次進(jìn)入天頂角90°警戒范圍時(shí)，時(shí) 間步長(zhǎng)恢復(fù)，開始下一個(gè)計(jì)算周期，并且碎片過頂次數(shù)+1;
[0016] (7)當(dāng)碎片近地點(diǎn)高度降至< 200km時(shí)，認(rèn)為碎片墜入大氣層燒毀，即成功移除；
[0017] (8)在計(jì)算結(jié)果顯示輸出方面，模型計(jì)算和儲(chǔ)存每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的所有參數(shù)信息，用 戶選擇輸出所需參數(shù)和格式，基于Matlab GUI平臺(tái)建立了圖像顯示輸出模塊，通過該模塊 可實(shí)現(xiàn)碎片變軌過程圖形可視化輸出，從不同視角采用動(dòng)畫的方式呈現(xiàn)碎片的移除過程， 并且對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行突出化顯示。
[0018] 其中，天頂角的警戒范圍為45-90°。
[0019]其中，只有當(dāng)天頂角在-45°~45°范圍內(nèi)才能使從地面發(fā)射的激光輻照在空間碎 片上。
[0020] 其中，在三維空間中，存在軌道傾角，激光作用產(chǎn)生的速度增量分量，使碎片軌道 傾角增大，逃逸出激光站可管轄的區(qū)域，進(jìn)一步增加了對(duì)碎片逃逸情況的判斷。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明首次提出了一種地基激光移除空間碎片的三維仿真方 法。該方法打破了以往仿真方法的局限性和傳統(tǒng)思路，極大的簡(jiǎn)化了計(jì)算方法，便于參數(shù)設(shè) 置和顯示輸出結(jié)果，提高了其準(zhǔn)確度和使用靈活性?；贛atlab建立了物理過程三維模型， 該模型能夠根據(jù)輸入激光和碎片參數(shù)，計(jì)算碎片的變軌過程，根據(jù)需要實(shí)時(shí)輸出碎片的軌 道信息和清除結(jié)果，并且實(shí)現(xiàn)圖形化輸出。考慮到速度增量分量對(duì)軌道傾角的影響，該模型 增加了碎片逃逸情況的判斷，具有更廣泛的適用性。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的地基激光移除空間碎片過程的三維建模與仿真方法中地心赤道坐 標(biāo)系和軌道根數(shù)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明的地基激光移除空間碎片過程的三維建模與仿真方法中三維仿真計(jì) 算方法流程；
[0024]圖3是本發(fā)明的地基激光移除空間碎片過程的三維建模與仿真方法中計(jì)算結(jié)果顯 示輸出示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的地基激光移除空間碎片三維仿真方法進(jìn)行進(jìn)一步說明， 該說明僅僅是示例性的，并不旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0026]參見圖1，圖1是本發(fā)明的地基激光移除空間碎片過程的三維建模與仿真方法中地 心赤道坐標(biāo)系和軌道根數(shù)示意圖，其中，本發(fā)明的方法，基于地心赤道坐標(biāo)系中碎片的初始 位置和速度矢量，以及激光站的位置矢量，激光的波長(zhǎng)、頻率等參數(shù)，計(jì)算模擬地基激光移 除空間碎片的物理過程。
[0027] 首先，需要判斷碎片是否具有清除條件，即：碎片的位置是否在激光的作用范圍 內(nèi)。如果不在作用范圍內(nèi)，碎片按照脈沖時(shí)間間隔t開始移動(dòng)，直到碎片進(jìn)入激光作用范圍 內(nèi)，開始計(jì)算脈沖激光與碎片的相互作用。依據(jù)相互作用機(jī)理，得到單脈沖變軌后碎片的狀 態(tài)矢量，計(jì)算變軌后的軌道根數(shù);計(jì)算時(shí)間t后，碎片具有的位置和速度矢量，開始下一輪計(jì) 算;重復(fù)計(jì)算，直到近地點(diǎn)高度小于設(shè)定值（即清除成功），或者碎片超出激光作用范圍。對(duì) 于后者，根據(jù)碎片的移動(dòng)，重新判斷碎片是否具有清除條件，開始二次或多次過頂計(jì)算直到 碎片被清除，或者逃逸出具備清除條件的軌道，無法繼續(xù)清除。
[0028] 2.1參數(shù)輸入
[0029] 本發(fā)明以空間碎片和激光站的位置矢量(X，y，z)和速度矢量(Vx，Vy，Vz)作為輸入 參數(shù)，調(diào)用Μ函數(shù)rab_check_new對(duì)輸入?yún)?shù)的合理性進(jìn)行判斷。首先基于軌道力學(xué)對(duì)碎片 位置矢量和速度矢量的是否匹配進(jìn)行判斷;再對(duì)碎片軌道進(jìn)行分析，判斷是否需要進(jìn)行移 除操作;然后對(duì)激光站位置矢量進(jìn)行分析，判斷激光站是否在地球表面;最后，分析碎片的 初始位置是否在激光作用的區(qū)域內(nèi)，并判斷其是否具備移除條件。
[0030] 2.2軌道根數(shù)的確定
[0031]在地心赤道坐標(biāo)系中（參見圖2,圖2是本發(fā)明的地基激光移除空間碎片過程的三 維建模與仿真方法中三維仿真計(jì)算方法流程），χ軸指向春分點(diǎn)的方向，XY平面為地球的赤 道平面，Ζ軸與地球的旋轉(zhuǎn)軸一致，且指向北。單位矢量I，J和Κ滿足右手定則。在給定時(shí)刻， 空間碎片的初始狀態(tài)向量速度V0和位置Π )，在地心赤道坐標(biāo)系中狀態(tài)向量可表示為：
[0032] r〇 = xoI+yoJ+zoK (1)
[0033] vo = Vx〇I+Vy〇J+vz〇K (2)
[0034] 在該點(diǎn)受到激光輻照后，獲得速度增量
[0035] Δ ν= Δ νχΙ+ Δ vyJ+ Δ vzK (3)
[0036] 變軌后速度矢量和位置矢量分別為：
[0037] ν = νο+ Δ ν= (νχ〇+ Δ vx)I+(vyo+ Δ vy)J+(vz〇+ Δ νζ)Κ (4)
[0038] r = r〇 (5)
[0039] 根據(jù)二體運(yùn)動(dòng)方程和牛頓定律可以計(jì)算出變軌后的軌道根數(shù):比角動(dòng)量的模h、軌 道傾角i、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω、偏心率e、近地點(diǎn)幅角ω和真近點(diǎn)角Θ。
[0040] 2.3軌道與時(shí)間的函數(shù)
[0041]如果已知to時(shí)刻的位置Π )和速度νο,可由拉格朗日系數(shù)f和g及其一階導(dǎo)數(shù)，根據(jù)下 述表達(dá)式求出任意時(shí)刻的位置r和速度v:
[0042] r = fr〇+gvo (6)
[0043] v = fr0 + gv0 (7)
[0044] 利用全局變量x和斯達(dá)姆夫函數(shù)C(z)與S(z)所表示的拉格朗日系數(shù)如下：
[0051 ] 對(duì)于橢圓軌道，α>〇·
[0052] 如果已知At、r〇、V()和α，可從全局開普勒方程中解出全局近點(diǎn)角X，具體步驟如下：
[0053]計(jì)算XQ合理的初始估計(jì)值：
[0055]以x〇為初始數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算：
[0062]算出比值= (Xi)。如果 I ratioi I 超出精度范圍10-8,則按Xi+i = Xi - ratioi重新選取X估計(jì)值，計(jì)算式（14) (15)直到| ratioi | <10-8,則接受Xi作為解。這樣就可 以根據(jù)式(6)(8)(9)得到At時(shí)刻的位置矢量r，根據(jù)式(7)(10)(11)得到At時(shí)刻的速度矢 量v〇
[0063] 2.4判定激光作用條件
[0064]在地基清除系統(tǒng)中，由于受到大氣的影響，理論上只有當(dāng)天頂角在-45°~45°范圍 內(nèi)才能使從地面發(fā)射的激光輻照在空間碎片上。但是在計(jì)算中，向量夾角的范圍在〇~ 180°，需要根據(jù)碎片的坐標(biāo)和象限來計(jì)算天頂角，特別是對(duì)于任意激光站位置和空間碎片 軌道的情況，這無疑增加了計(jì)算的復(fù)雜程度。本文采用激光站地表切面的方法，對(duì)是否具備 清除條件進(jìn)行判斷。
[0065]假設(shè)激光站坐標(biāo)為(χο,γο,ζο)，碎片的位置矢量為(xi，yi，zi)，地球球面方程為:x2 +y2+z2 = 63782，根據(jù)幾何方法可確定激光站點(diǎn)在地球表面的切面方程：xOx+yoy+zoz = 63782。
[0066]只有在碎片移動(dòng)到激光站上方時(shí)（XiXo+yiyo+ZiZo-eSTS2〉。），才具有清除條件，此 時(shí)向量夾角即為天頂角。這樣就可對(duì)碎片的天頂角進(jìn)行精確判斷，而無需考慮碎片和激光 站的象限問題。實(shí)現(xiàn)方式為：
[0067] elseif(R(l)*RL(l)+R(2)*RL(2)+R(3)*RL(3)-6378~2>0)
[0068] 2.5激光與碎片相互作用
[0069]在激光傳輸方面，本發(fā)明采用簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析。為了在較大距離上將激光傳輸 到靶上，需要數(shù)KJ的激光脈沖能量和大型發(fā)射鏡來克服光的衍射：
[0070] ^3ΕΙΜτ (卜)）
[0071] ds = aM2Az/Deff (20)
[0072] 其中ds為靶上光斑直徑;Μ2為光束質(zhì)量因子U 1，1代表最好）；Deff為計(jì)算衍射時(shí) 輸出孔徑D中的有效照射光直徑;a為一個(gè)乘數(shù)因子，對(duì)于高斯光束a = 4A。
[0073] 在確定速度增量時(shí)，激光與材料的動(dòng)量耦合系數(shù)是主要參數(shù)：
[0074] Cm=px/Φ =mA v/E(N · s/J) (21)
[0075] 其中，激光作用后靶的質(zhì)量πι = ΠΚ)-μΕ;μ為激光燒蝕率;p為一個(gè)強(qiáng)度為I、脈寬τ的 激光脈沖在靶上產(chǎn)生的燒蝕壓;激光通量為Φ ;Ε為靶上的激光能量。目前已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)獲 得了多種材料的U值。在計(jì)算模型中，我們對(duì)激光輻照次數(shù)進(jìn)行記錄，每次輻照后碎片的質(zhì) 量變化都能夠計(jì)算，從而獲得精確的速度增量。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：
[0076] Fl = (W*(Deff~2)*4*Teff)/(pi*(]T4M(a*lamda*zr2));% 作用在碎片上的激 光通量％
[0077] E=Fl*(pi*((dt/2r2));%作用在碎片上的能量 ％
[0078] m0 = density*4/3*pi*( (dt/2) ~3); %初始質(zhì)量％
[0079] m=m〇-(count+l)*u*E; %作用count次后的質(zhì)量％
[0080] dv = Cm*E/m/1000;% 速度增量％。
[0081 ] 2.6碎片逃逸
[0082]在三維軌道計(jì)算中，速度增量可能與碎片軌道不在同一個(gè)平面上，這樣就會(huì)產(chǎn)生 速度增量改變碎片的軌道傾角，當(dāng)軌道傾角增加到一定程度時(shí)，碎片就逃逸出激光的作用 范圍，無法繼續(xù)作用。在地基系統(tǒng)中，如果碎片沿當(dāng)前軌道移動(dòng)一周后仍然不具備激光輻照 的條件，則認(rèn)為碎片逃逸。
[0083] 2.7計(jì)算結(jié)果顯示輸出
[0084] 模型記錄每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)下的碎片參數(shù)，根據(jù)用戶需要將計(jì)算結(jié)果以TXT文本格式 輸出，方便后期處理。調(diào)用plot函數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圖形化輸出，并對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，具 體實(shí)施方式如下：
[0085] 標(biāo)注碎片初始位置:plot3(rn0(l)，rn0(2)，rn0(3)，'r. '，
[0086] 'MarkerEdgeColor'，'r'，'markerFaceColor'，'r'，'markersize'，20);
[0087] 繪制碎片軌道:plot3(rx，ry，rz,，b，）；hold on
[0088] 選擇視角：view([_27 17]);
[0089] 實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫輸出：comet3(rx，ry，rz);
[0090] 表1為計(jì)算實(shí)例的輸入?yún)?shù)，表2為輸出的選擇性輸出的關(guān)鍵點(diǎn)信息，可見本發(fā)明 所建立的仿真方法實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，表3為五種常見空間碎片的計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了碎片逃 逸功能的預(yù)測(cè)。圖3為是本發(fā)明的地基激光移除空間碎片過程的三維建模與仿真方法中計(jì) 算結(jié)果顯示輸出示意圖。
[0091] 表1地基激光系統(tǒng)和空間碎片相關(guān)參數(shù)
[0092]
[0093] 表2直徑lcm碎片的清除過程(地基）
[0094]
[0095] 表 3
[0096]
[0097] 盡管上文對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng)該指明的是， 我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作 用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種地基激光移除空間碎片過程的三維建模與仿真方法，包括以下步驟： (1) 建立地心赤道坐標(biāo)系，以空間碎片和激光站的位置矢量(X，y，Z)和速度矢量(Vx，Vy， vz)作為輸入?yún)?shù)，建立Μ函數(shù)rab_check.m，判斷碎片是否在激光的作用范圍內(nèi)；其中，基于 地心赤道坐標(biāo)系(單坐標(biāo)系），采用激光站地表切面，對(duì)是否具備清除條件進(jìn)行判斷，假設(shè)激 光站坐標(biāo)為(XQ，yo，ZQ)，碎片的位置矢量為(XI，yi，Z1)，地球球面方程為:x 2+y2+z2 = 63782， 根據(jù)幾何方法確定激光站點(diǎn)在地球表面的切面方程:x〇x+y()y+z()z = 63782;只有在碎片移動(dòng) 到激光站上方時(shí)(xix〇+yiy〇+ziz()-63782>0)，才具有清除條件，此時(shí)向量夾角即為天頂角； (2) 建立計(jì)算軌道根數(shù)的Μ函數(shù)C〇e_fr〇m_SV，將采用地心赤道坐標(biāo)系中的位置矢量和 速度矢量作為輸入?yún)?shù)，根據(jù)二體運(yùn)動(dòng)方程和牛頓定律轉(zhuǎn)換為軌道根數(shù)； (3) 建立軌道與時(shí)間關(guān)系的Μ函數(shù)rv_from_;rOvO，對(duì)碎片運(yùn)行軌跡進(jìn)行計(jì)算和信息記 錄，利用此函數(shù)實(shí)時(shí)跟蹤碎片的移動(dòng)過程，更新碎片的軌道信息； (4) 確定激光參數(shù)，基于激光在大氣中的傳輸模型和激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理，建立碎 片速度增量矢量Μ函數(shù)dv，其中包含常見空間碎片材料的相關(guān)參數(shù)，對(duì)常見空間碎片材料進(jìn) 行計(jì)算，確定激光脈沖作用后碎片的速度V_to_dV，對(duì)激光作用次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算激光作 用后靶的質(zhì)量πι=π?()-μΕ，μ為激光燒蝕率，E為靶上的激光能量； (5) 激光作用判斷，判斷激光脈沖作用后碎片軌道近地點(diǎn)是否降低，如果降低則激光作 用計(jì)數(shù)+1，更新碎片速度矢量和軌道根數(shù);反則，碎片按照時(shí)間步長(zhǎng)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)； (6) 每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)判斷碎片是否移動(dòng)出激光作用范圍，如果移動(dòng)出激光作用范圍，則計(jì) 算時(shí)間步長(zhǎng)增加十倍，以提高計(jì)算效率，直至碎片再次進(jìn)入天頂角90°警戒范圍時(shí)，時(shí)間步 長(zhǎng)恢復(fù)，開始下一個(gè)計(jì)算周期，并且碎片過頂次數(shù)+1; (7) 當(dāng)碎片近地點(diǎn)高度降至< 200km時(shí)，認(rèn)為碎片墜入大氣層燒毀，即成功移除； (8) 在計(jì)算結(jié)果顯示輸出方面，模型計(jì)算和儲(chǔ)存每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的所有參數(shù)信息，用戶選 擇輸出所需參數(shù)和格式，基于Matlab GUI平臺(tái)建立了圖像顯示輸出模塊，通過該模塊可實(shí) 現(xiàn)碎片變軌過程圖形可視化輸出，從不同視角采用動(dòng)畫的方式呈現(xiàn)碎片的移除過程，并且 對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行突出化顯示。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，天頂角的警戒范圍為45-90°。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，只有當(dāng)天頂角在-45°~45°范圍內(nèi)才能使從地面發(fā) 射的激光輻照在空間碎片上。4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在三維空間中，存在軌道傾角，激光作用產(chǎn)生的速度 增量分量，使碎片軌道傾角增大，逃逸出激光站可管轄的區(qū)域，進(jìn)一步增加了對(duì)碎片逃逸情 況的判斷。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK105868503SQ201610262000
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】張品亮, 龔自正, 牟永強(qiáng), 曹燕, 徐坤博, 楊武霖, 劉國(guó)青, 李明
【申請(qǐng)人】北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所