空间碎片预警方法介绍

王立安

摘 要：日益频繁的航天活动，为人类提供便利的同时，也产生了大量的太空垃圾（空间碎片），本文介绍了国际上主要的空间碎片环境模型，列举了几种具有代表性的碎片预警算法，为空间飞行器碎片预警工作提供参考。

关键词：空间碎片;预警方法;介绍

2009年2月11日，俄罗斯一颗失效的军事通信卫星与美国的铱星在距地面800公里的上空发生碰撞，导致铱星失效，成为举世瞩目的太空事件。这次事件告诉人们：空间碎片对航天器的碰撞危险是客观存在的。对碎片的预警工作主要集中于两个方面，即空间碎片模型的建立和预警方法的应用。本文简要介绍了国际上主要的空间碎片环境模型，同时列举了几种具有代表性的碎片预警算法，为空间飞行器碎片预警工作提供参考。

1 主要空间碎片环境模型简介

目前国际上比较常用的空间碎片工程模式主要有3个系列：美国航空航天局（NASA）的轨道碎片工程模式OMEM系列、欧空局（ESA）的日地空间流星体和碎片参考模式MASTER系列和俄罗斯的SDPA系列碎片模式。MASTER的小碎片分析完全从理论模型出发，ORDEM2000从大量数据出发以数学方法得到拟合曲线，SDPA则在以往数据和多种研究的基础上构建数学模型。

1.1 MASTER-99模型

MASTER-99是由ESA编制的从近地空间到同步轨道高度的空间碎片和流星体的工程参考模式，其并不直接从探测数据出发，而是先分析数据来源，对不同来源的碎片用不同的碎片源模型详细描述其产生过程，并由产生后的碎片分布推演某一参考时刻的分布，结果放在数据文件中。计算时根据不同的输入参数条件直接调用文件结果，经过积分得到轨道的碎片通量分布。

1.2 ORDEM2000模型

ORDEM2000模型描述了从低地轨道200-2000 km高度的轨道碎片环境。该模型适用于工程设计和探测，可以得到简单的空间碎片环境参数估计（空间碎片密度和通量等），也可作为地基碎片探测的基准。ORDEM2000是结合一系列的覆盖了从lμm到10m尺寸范围的观测数据（在轨和地基数据），采用新的分析方法，利用最大似然估计法，把观测结果转换成碎片的概率分布函数，得到ORDEM2000的数据库，并用一个有限元模型来处理碎片分布而最终形成碎片环境概况。此模型输入输出结构清晰，具有良好的图形化界面。

1.3 SDPA模型

俄罗斯空间监测中心编制的SDPA模型以已有数据和实验数据为基础，采用统计方法建立空间碎片环境模型，并对碎片源采用平均化的处理。其主要包含SDPA-E、SDPA-F和SDPA-PP三个系列模型。该模型可以计算LEO和GEO两类轨道上的碎片密度和速度分布，也可以对尺寸大于lmm的空间碎片进行中长期预报。

2 碎片预警方法

碎片在空间的分布既具有规律性也具有随机性，不同高度层碎片密度和速度分布大不相同。针对不同情况，必须采取不同的预警方法，以下简要介绍几种有代表性的碎片预警方法。

2.1 地心距差和过交线时间差预警

两个空间目标之间的碰撞，總发生在轨道面交线附近，因此可以依据过交线地心距差和过交线时间差预警碎片碰撞，实现方法如下。

（1）找出两目标轨道面的交线，判断它们通过交线的地心距，排除那些地心距相差较大的目标，筛选出地心距相差较小的目标;

（2）对于选出的地心距差较小的目标，计算它们通过交线的时间，当时间差较小时，发出预警。

2.2 碰撞概率预警方法

航天器和空间碎片运动受空间各种干扰因素影响，存在飞行误差，因此航天器和碎片的碰撞可看成概率事件，可以通过计算航天器与碎片的碰撞概率预警碎片碰撞，即当碰撞概率大于某一设定值时，发出预警。下面介绍《空间碎片减缓手册》碰撞概率计算方法。

ESA（欧空局）《空间碎片减缓手册》采取的碰撞概率计算方法具有较强的理论基础。假定空间碎片是随机分布的，碎片相对于航天器的平均速度为Vre。根据气体运动学理论和Poisson统计分布规律，在Δt时间内，空间碎片撞击航天器的概率为：

其中：Pi 为碰撞概率，Aco为航天器平均碰撞截面积（m2） ，D为卫星轨道上碎片的平均密度（m-3），Δt为航天器处于碎片环境中的时间（s）。

2.3 NASA碎片预警方法

美国航空航天局（NASA）在航天飞机的每次飞行任务中，都会实时监测其轨道高度的空间碎片状况，进行危险碎片的预警。NASA目前使用的判定碰撞的方法主要有Box区域判定法和碰撞概率计算法。

2.3.1 Box区域判定法

考虑到对航天器与空间碎片发生碰撞的探测和预报都存在一定的误差，NASA引入Box区域判定法，通过在预计碰撞周围定义警戒区域和规避区域，以判断航天器与其他空间物体之间的距离是否已经构成碰撞风险。

2.3.2 碰撞概率算法

碰撞概率定义为两个位置预报有误差的物体发生碰撞的概率。碰撞概率的计算方法建立在对预报位置误差分析的基础上，与航天器和碎片的位置密切相关。这是NASA为提高预报精度和有效降低可能执行轨道机动的次数而开发的一种判定方法。其假设航天器和碎片在交会时位置预报误差服从正态分布，并把航天器模型简化为一个直径23m的球体，从而计算出航天器与碎片的碰撞概率。

3 碎片预警发展趋势

随着科学技术的不断进步，人类对碎片的预警研究日益深入，精确预警、综合预警必将用于实践。同时为了更好的规避碎片碰撞危险，未来的航天器有望实现自主识别威胁碎片，并主动规避碎片碰撞。