[发明专利]地基激光移除空间碎片过程的三维建模与仿真方法

摘要

本发明公开了一种地基激光移除空间碎片过程的三维建模与仿真方法，基于地心赤道坐标系中碎片的初始位置和速度矢量，以及激光站的位置矢量，激光的波长、频率等参数，计算模拟地基激光移除空间碎片的物理过程。该方法极大的简化了计算方法，便于参数设置和显示输出结果，提高了其准确度和使用灵活性。

主权项

1.地基激光移除空间碎片过程的三维建模与仿真方法，包括以下步骤：（1）建立地心赤道坐标系，以空间碎片的位置矢量(x₁,y₁,z₁)和速度矢量(v_x,v_y,v_z)，以及激光站的位置矢量(x₀,y₀,z₀)作为输入参数，建立M函数rab_check.m，判断碎片是否在激光的作用范围内；其中，基于地心赤道坐标系，采用激光站地表切面，对是否具备清除条件进行判断，假设激光站坐标为 (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点在地球表面的切面方程：x₀x+y₀y+z₀z=6378²；只有在碎片移动到激光站上方即x₁x₀+y₁y₀+z₁z₀‑6378²>0时，才具有清除条件，此时向量夹角即为天顶角； （2）建立计算轨道根数的M函数coe_from_sv，将采用地心赤道坐标系中的位置矢量和速度矢量作为输入参数，根据二体运动方程和牛顿定律转换为轨道根数；（3）建立轨道与时间关系的M函数rv_from_r0v0，对碎片运行轨迹进行计算和信息记录，利用此函数实时跟踪碎片的移动过程，更新碎片的轨道信息；（4）确定激光参数，基于激光在大气中的传输模型和激光与物质相互作用机理，建立碎片速度增量矢量M函数dv，其中包含已知空间碎片材料的相关参数，对已知空间碎片材料进行计算，确定激光脉冲作用后碎片的速度V_to_dV，对激光作用次数进行计数，计算激光作用后靶的质量m=m₀‑μE，μ为激光烧蚀率，E为靶上的激光能量；（5）激光作用判断，判断激光脉冲作用后碎片轨道近地点是否降低，如果降低则激光作用计数+1，更新碎片速度矢量和轨道根数；反则，碎片按照时间步长继续运动；（6）每个时间步长判断碎片是否移动出激光作用范围，如果移动出激光作用范围，则计算时间步长增加十倍，以提高计算效率，直至碎片再次进入天顶角90°警戒范围时，时间步长恢复，开始下一个计算周期，并且碎片过顶次数+1；（7）当碎片近地点高度降至≤200km时，认为碎片坠入大气层烧毁，即成功移除；（8）在计算结果显示输出方面，模型计算和储存每个时间步长的所有参数信息，用户选择输出所需参数和格式，基于Matlab GUI平台建立了图像显示输出模块，通过该模块可实现碎片变轨过程图形可视化输出，从不同视角采用动画的方式呈现碎片的移除过程，并且对关键位置进行突出化显示。