空间碎片环境对高精度航天器指向及定位性能的影响研究

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1、硕士学位论文空间碎片环境对高精度航天器指向及定位性能的影响研究RESEARCHONTHEINFLUENCEOFSPACEDEBRISENVIRONMENTONPOINTINGANDPOSITIONINGPERFORMANCEOFHIGHPRECISIONSPACECRAFT朱嘉伟哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V423.6学校代码：10213国际图书分类号：629.78密级：公开工程硕士学位论文空间碎片环境对高精度航天器指向及定位性能的影响研究硕士研究生：朱嘉伟导师：肖伟科副教授申请学位：工程硕士学科：航天工

2、程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V423.6U.D.C:629.78DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEINFLUENCEOFSPACEDEBRISENVIRONMENTONPOINTINGANDPOSITIONINGPERFORMANCEOFHIGHPRECISIONSPACECRAFTCandidate：ZhuJiaweiSupervisor：AssociateProf.

3、XiaoWeikeAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AerospaceEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着人类航天活动的日益增多，产生了大量的空间碎片，严重污染了空间环境。近年来由于深空探测、地面观测及

4、航天器编队飞行等相关研究的不断开展，对于执行任务的高精度航天器的指向精度与位置精度要求越来越高。空间碎片撞击高精度航天器后对其指向性能和定位性能的影响变得不容忽略。本文根据这种需求，建立了空间碎片撞击航天器的动力学模型，并对空间碎片撞击高精度航天器的过程进行分析，最终通过蒙特卡洛模拟试验获得了空间碎片撞击对航天器指向及定位性能影响的统计规律。本文首先依据航天器姿态运动学与动力学的知识得到了航天器的姿态运动学和动力学模型，并以此为基础建立了空间碎片撞击航天器的动力学模型，设计并给出了航天器指向性能和定位性能的相关评价指标。

5、其次，以哈勃望远镜为例，给出哈勃的轨道根数以及简化几何模型，通过SDEEM软件给出哈勃所处轨道的空间碎片环境数据，运用控制变量法研究空间碎片撞击航天器时，碎片尺寸、撞击方位角和撞击位置对航天器定位性能的影响特性。结果表明碎片尺寸对漂移距离及速度增量大小的影响最大，撞击位置对漂移距离及速度增量方向的影响明显；碎片撞击方位角在-5°到5°范围内时，航天器被撞击后的漂移距离及速度增量最大，碎片撞击方位角在±140°附近时，航天器被撞击后的漂移距离及速度增量最小。再次，基于Z-buffer算法对哈勃望远镜几何模型进行消隐分析，通

6、过随机模拟的方法生成撞击参数与撞击时间，仿真分析空间碎片撞击对哈勃指向性能和定位性能的累积影响。结果表明空间碎片撞击一天造成的哈勃观测轴指向方位角累积误差主要分布在-50角秒到50角秒之间，在0角秒到10角秒的概率最大，指向俯仰角累积误差主要分布在-100角秒到100角秒之间，在-10角秒到0角秒的概率最大。航天器观测轴指向变化率主要处于1*10-11rad/s和1*10-7rad/s之间，在1*10-9rad/s左右的概率最大。漂移距离大小主要分布10-5m到10-2m之间，在10-4m左右的概率最大；速度增量大小主要

7、处于10-9m/s到10-6m/s之间，在10-8m/s左右的概率最大。最后基于射线法对哈勃望远镜几何模型进行消隐分析，通过随机模拟方法生成撞击参数与撞击时间，利用蒙特卡洛数值模拟方法获得空间碎片撞击对哈勃指向及定位性能累积影响的统计规律，通过两个消隐算法所得结果的互相比较，进一步验证了所得统计规律的正确性。-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文本文所取得的研究成果，为进一步提高我国高精度航天器的指向及定位性能提供参考，对高精度航天器姿态稳定与位置稳定控制有一定指导意义，具有一定的工程应用价值。关键词：空间碎片环境；高精度

8、航天器；Z缓冲区算法；射线法；指向性能；定位性能-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractTheincreasingnumberofspaceactivitieshasproducedalargeamountofspacedebris,whichhasseriouslypollutedthespaceen