空间碎片环境与空间交通安全

随着巨型卫星互联网星座的出现，空间碎片环境面临的形势更加严峻。《空间碎片环境与空间交通安全》系统阐述空间碎片环境建模与空间交通安全管理理论和方法，内容主要包括空间系统复杂性概述、空间碎片环境的长期演化计算模型、空间碎片环境的长期演化结果与主要影响因素分析、解体空间碎片云长期演化的分布特点及其碰撞风险分析、大型在轨运行航天器系统受空间碎片碰撞风险评估、超级卫星星座系统对空间碎片环境的影响分析、中轨道导航卫星废弃轨道长期演化安全性分析、空间交通管理的概念与政策，并给出一些基本的空间交通管理的安全规则。

目录
前言
第1章　空间系统复杂性概述　1　
1.1　空间环境复杂性分析　2　
1.2　航天器系统复杂性分析　3　
1.2.1　传统低轨卫星通信系统　5　
1.2.2　新兴低轨大规模卫星星座　6　
1.3　空间竞争因素复杂性分析　8　
1.3.1　空间轨道和频谱资源争夺更加激烈　9　
1.3.2　空间军事化和武器化进程不断深化　9　
1.3.3　外空国际规则进入长期博弈期　10　
参考文献　10　
第2章　空间碎片环境建模研究综述　12　
2.1　空间碎片环境演化模型　12　
2.1.1　以单个空间碎片的运动状态为变量的演化模型　12　
2.1.2　以宏观状态量为变量的整体演化模型　19　
2.2　空间碎片环境长期演化建模的关键问题　21　
2.2.1　空间碎片环境长期演化的力学模型　21　
2.2.2　空间碎片状态推演积分方法　22　
2.2.3　空间碎片环境演化过程中目标碰撞概率的计算方法　23　
2.2.4　空间目标爆炸或碰撞解体的模拟方法　24　
2.2.5　空间碎片环境演化的高效数值计算方法　25　
2.2.6　空间碎片环境长期演化结果的精度分析　25　
2.3　空间碎片环境带来的安全问题研究　26　
2.3.1　空间碎片环境对空间资源可持续开发利用带来的风险　26　
2.3.2　空间碎片环境对航天器的碰撞风险　27　
参考文献　28　
第3章　空间碎片环境的长期演化计算模型　35　
3.1　空间碎片环境演化的摄动力计算模型　36　
3.1.1　地球非球形摄动力对空间碎片环境演化的影响　37　
3.1.2　大气阻力对空间碎片产生的摄动力加速度　43　
3.1.3　太阳/月球三体引力对空间碎片产生的摄动力加速度　44　
3.1.4　太阳光压摄动力加速度　45　
3.2　空间碎片演化过程的碰撞事件建模　45　
3.2.1　空间碎片环境演化的碰撞概率计算模型　45　
3.2.2　目标解体产生空间碎片的模拟方法　54　
3.3　空间碎片演化过程的航天发射活动　61　
3.4　基于春分点根数的空间碎片运动状态长期平均积分模型　61　
3.4.1　利用春分点根数描述的参数运动方程　62　
3.4.2　参数运动方程的一阶平均解　64　
3.4.3　长期平均积分模型的计算结果分析　73　
3.5　大规模空间碎片演化的并行计算框架　79　
3.5.1　空间碎片状态更新的并行计算框架　79　
3.5.2　碰撞概率的并行计算框架　83　
3.6　长期演化计算模型的软件实现方案　84　
3.6.1　基于MPI标准的高效并行演化计算软件　84　
3.6.2　演化结果处理与显示软件　86　
参考文献　87　
第4章　空间碎片环境的分层离散化演化模型　90　
4.1　基于平均空间密度的空间碎片分布状态描述方法　90　
4.2　空间碎片分布空间的分层离散化　94　
4.2.1　编目目标在空间中的分布特点　94　
4.2.2　空间碎片分布空间的离散化　98　
4.3　分层离散化模型的约束控制方程　100　
4.3.1　大气阻力作用下轨道高度的平均衰减速度　101　
4.3.2　目标相互碰撞作用的平均等效方法　104　
4.3.3　约束控制方程的微分形式　107　
4.4　分层离散化模型的解　108　
4.4.1　简化分层离散化模型的解析解　108　
4.4.2　分层离散化模型的数值解　110　
参考文献　111
第5章　空间碎片环境的长期演化结果与主要影响因素分析　112　
5.1　理想演化条件下两种模型的长期演化结果与对比分析　112　
5.1.1　仅有摄动力作用下的长期演化结果　113　
5.1.2　理想演化条件下的长期演化结果　118　
5.2　航天器爆炸解体对空间碎片环境演化的长期影响　125　
5.3　航天发射活动对空间碎片环境演化的长期影响　129　
5.4　空间碎片清除策略对空间碎片环境演化的长期影响　132　
5.5　小结　135
参考文献　136　
第6章　解体空间碎片云长期演化的分布特点及其碰撞风险分析　137　
6.1　解体空间碎片云演化的三个阶段　137　
6.2　解体空间碎片云的长期演化分布特点　140　
6.3　解体空间碎片云的碰撞风险分析　142　
6.4　小结　144
参考文献　144　
第7章　大型在轨运行航天器系统受空间碎片碰撞风险评估　145　
7.1　航天器运行空间内空间碎片分布状态的描述方法　145　
7.2　基于边界穿越条件的碰撞概率计算方法　146　
7.2.1　基于边界穿越条件的空间密度计算方法　147　
7.2.2　利用穿越真近点角确定碰撞速度　150　
7.2.3　航天器碰撞风险计算流程和分析方法的应用条件　153　
7.3　天宫二号在轨运行期间的碰撞风险分析　154　
7.4　小结　159
参考文献　159　
第8章　超级星座对空间碎片环境的影响分析　160　
8.1　超级小卫星星座的部署和长期演化条件　161　
8.2　包含超级小卫星星座时空间碎片环境的长期演化结果　163　
8.3　小卫星采取离轨清除策略时空间碎片环境的长期演化结果　165　
8.4　小结　168
参考文献　168　
第9章　中轨道卫星轨道长期预报模型　170　
9.1　摄动力模型的建立　170　
9.1.1　地球非球形摄动力作用特点分析　171　
9.1.2　太阳/月球三体引力对航天器产生的摄动力加速度　172　
9.1.3　太阳光压对航天器产生的摄动力加速度　172　
9.2　长期预报模型的建立　173　
9.2.1　利用春分点根数描述的参数运动方程　　174　
9.2.2　参数运动方程的一阶平均解　176　
9.3　中轨道卫星长期预报模型精度验证　184
参考文献　189　
第10章　中轨道导航卫星废弃轨道长期演化安全性分析　191　
10.1　中轨道导航星座轨道长期演化分析　191　
10.1.1　GPS　191　
10.1.2　GLONASS　193　
10.1.3　Galileo　194　
10.1.4　BDS　196　
10.2　初始轨道根数对中轨道导航卫星长期演化的影响　198　
10.2.1　初始偏心率的影响　198　
10.2.2　升交点赤经和近地点幅角的综合影响　199　
10.3　小结　201
参考文献　201　
第11章　中轨道导航卫星废弃轨道优化设计　202　
11.1　废弃轨道优化模型　202　
11.2　轨道机动模型　204　
11.3　废弃轨道带区间的选取　206　
11.4　废弃轨道优化分析　208　
11.4.1　抬升处置优化分析　209　
11.4.2　下推处置优化分析　211　
11.5　小结　213
参考文献　213　
第12章　空间交通管理概念与政策　214　
12.1　空间交通管理的历史与现状　214　
12.2　空间交通管理的概念　215　
12.2.1　国际宇航科学院对空间交通管理概念的界定　215　
12.2.2　欧盟对空间交通管理概念的界定　215　
12.2.3　美国对空间交通管理概念的界定　216　
12.3　空间交通管理的核心——数据和法律　216　
12.3.1　数据　216　
12.3.2　法律　217　
12.4　美国空间交通管理政策提出的背景　218　
12.4.1　太空正变得越来越拥挤且越来越具竞争性　218　
12.4.2　太空商业活动数量和多样性显著增加　219　
12.4.3　国际社会缺乏有效的空间交通管理规则框架　219　
12.5　美国空间交通管理政策分析　222　
12.5.1　内容解读　222　
12.5.2　主要特点　226　
12.5.3　总体评价　229　
12.6　空间交通管理国际法律制度的构建要素　230　
12.6.1　现有外空国际规则的问题　231　
12.6.2　空间技术的影响　231　
12.6.3　各国的共识　231　
参考文献　232　
第13章　空间交通安全规则与管理策略　233　
13.1　轨道资源分析　233　
13.2　典型轨道分配规则研究　240　
13.2.1　在轨SSO航天器统计分析　240　
13.2.2　SSO航天器摄动分析　242　
13.2.3　SSO航天器安全管理规则　244　
13.2.4　SSO航天器安全管理策略　246　
13.3　航天器运行规则研究　247　
13.3.1　碰撞危险评估　247　
13.3.2　碰撞规避机动　248　
13.3.3　数据精度影响　249　
13.3.4　规则1和规则2　250　
13.3.5　规则3和规则4　251　
13.4　航天器入轨和离轨管理策略研究　251　
13.4.1　中轨道GNSS废弃卫星处置现状　252　
13.4.2　中轨道卫星废弃轨道设计现状　257　
13.4.3　中轨道卫星废弃轨道优化设计　260　
13.4.4　北斗中轨道卫星离轨策略　263　
参考文献　278　
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