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低軌衛(wèi)星測控技術(shù)分析之四:WorldView-2衛(wèi)星伴隨碎片分析

 Sevenv55biecss 2022-08-21 發(fā)布于江蘇

WorldView-2衛(wèi)星(WV-2)發(fā)射于2009年10月,是第一個(gè)高分辨率的8波段多光譜商用衛(wèi)星,其外形如左下圖所示,全色星下點(diǎn)分辨率0.46m,多光譜星下點(diǎn)分辨率1.84m,星下點(diǎn)幅寬16.4km,最大側(cè)擺角40°。衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整加速度為1.5deg/s2、速度3.5deg/s,每天能夠收集100萬平方公里的8波段圖像,衛(wèi)星的工作模式如右下圖所示,支持點(diǎn)、多點(diǎn)和拼圖目標(biāo)觀測。

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  1.  碎片事件發(fā)生
2016年7月19日,美國位于加州范登堡空軍基地的聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心監(jiān)視到WV-2衛(wèi)星附近出現(xiàn)了9個(gè)空間碎片,并標(biāo)注是WV-2產(chǎn)生的碎片,但DigitalGlobe公司于當(dāng)天發(fā)布了由WV-2衛(wèi)星拍攝的加利福尼亞州奧克蘭照片,申明衛(wèi)星的載荷工作和軌道機(jī)動(dòng)控制正常。到2018年4月16日,聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心的資料顯示WV-2附近又多出5個(gè)伴隨碎片,并明確標(biāo)注是WV-2碎片。截止2021年5月標(biāo)注歸屬WV-2的碎片共有13塊。
2. 原因分析
2016年10月發(fā)表的NASA的《軌道碎片》季報(bào)分析表明,WV-2衛(wèi)星第一次經(jīng)歷的碎片事件大概發(fā)生在2016年7月18日格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間22:52,這時(shí)衛(wèi)星已經(jīng)運(yùn)行了6.7年,軌道傾角98.5°、高度768x767公里。從2016年9月8日開始,所有9塊碎片被編入SSN序號(hào),左下圖是碎片事件后WV-2衛(wèi)星和碎片周期對(duì)應(yīng)的近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)高度Gabbard圖,這些碎片的軌道周期最大改變0.8min、傾角最大改變0.02°。碎片的周期增大的現(xiàn)象表明碎片生產(chǎn)事件的原因是碎片事件(a fragmentation event)而不是碎片脫落事件(debris shedding event)事件,因?yàn)楹笳邥?huì)縮短軌道周期,這些碎片周期的增加值對(duì)應(yīng)分離速度增量小于3m/s。右下圖是碎片事件后一個(gè)月后,WV-2衛(wèi)星和其中8個(gè)碎片在空間的分布。

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 國航空航天公司的MarlonSorge也對(duì)WV-2碎片事件進(jìn)行了分析,他計(jì)算WV-2在2016年7月18日22:59:22釋放了9塊碎片(標(biāo)準(zhǔn)偏差415秒),從地理上看,WV-2的碎片事件發(fā)生在北極上空。Marlon Sorge還計(jì)算了每個(gè)碎片的分離速度,如左下圖所示,圖中T-切向、R-徑向、N-法向,碎片的平均速度9.95m/s。可以看出主星的速度沒有變化,其中4個(gè)碎片沿衛(wèi)星運(yùn)行速度方向的左上方、1個(gè)碎片(碎片4)沿速度和軌道法向的反方向,2個(gè)碎片(碎片6和8)沿軌道法向反方向,即碎片1、2、5、7的方向與碎片4、6、8 相反。對(duì)比2015年11月25日NOAA-16衛(wèi)星內(nèi)部爆炸時(shí),NOAA-16衛(wèi)星本體速度有明顯的變化,右下圖是NOAA-16碎片事件發(fā)生時(shí)的半長軸變化情況,半長軸減小了16m。因此,WV-2主星的速度沒有變化和這種反沖特性表明產(chǎn)生碎片的產(chǎn)生原因是碰撞而不是星體爆炸。
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下圖是Marlon Sorge計(jì)算的WV-2碰撞事件釋放的碎片加權(quán)平均面積質(zhì)量比估值,可以看出許多碎片的面積質(zhì)量比值小于1平方米/公斤,屬于中等密度材料,可能是鋁或固體電子碎片,而一塊較輕的碎片的面積質(zhì)量比為2.3 平方米/公斤,可能是復(fù)合材料。而按WorldView-1重量2500kg、外形3.6m×2.5m估算,WorldView-2的面質(zhì)比為0.0036平方米/公斤,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這些碎片。

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3. 碎片軌道演變
左下圖是2021年5月20日WV-2衛(wèi)星和其中8個(gè)伴隨碎片空間分布情況,右下圖WV-2衛(wèi)星和13個(gè)伴隨碎片空間分布情況,黃線是本星,可以看出,經(jīng)過大約5年的時(shí)間,這些自由漂移的碎片已經(jīng)分布在不同的軌道面。

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左下圖是2021年5月WV-2衛(wèi)星和其中8塊伴隨碎片軌道高度的比較,最低的一塊碎片的軌道高度已經(jīng)降到607km,它應(yīng)該就是那塊面質(zhì)比2.3平方米/公斤的碎片。我們計(jì)算了WV-2衛(wèi)星和8個(gè)碎片的軌道傾角與太陽同步軌道面的差值,最大已經(jīng)差0.3°。右下圖畫出了4塊碎片(41735~41738)從產(chǎn)生到2021年5月軌道高度變化情況,由于分離速度、方向和面質(zhì)比的不同,這些碎片高度變化的速度差別很大。

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4. 結(jié)束語
WV-2衛(wèi)星雖然出現(xiàn)了碎片事件,但沒有影響到它正常工作,盡管NASA和Marlon Sorge計(jì)算的碎片分離速度不一樣,但它們都得出引起WV-2衛(wèi)星伴隨碎片的原因是碰撞而不是星體爆炸產(chǎn)生,再由碎片面質(zhì)比較大推測,導(dǎo)致碎片事件的原因可能是衛(wèi)星運(yùn)行在北極上空時(shí),太陽能帆板被片撞擊所致。
撞擊發(fā)生5年后,片與本星高度相比,變化非常大,最大156km,最小9.7km;與仍然保持太陽同步特性的本星傾角相比,碎片最大傾角變化0.326;最小變化0.055;降交點(diǎn)地方時(shí)最大變化為16:09:26、最小為11:04:10。
參考文獻(xiàn)

1. Marlon Sorge,Forensic analysis of on-orbit debris generation events.

2. National Aeronautics and Space Administration,Orbital Debris Quarterly News.

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