为什么难以精确预测飞行器再入的时间和落点?

发布日期:2018-3-31 原创:太空网 编译:亮亮 南南

  “天宫一号”将在最近几天再入地球大气层。目前全世界都在密切关注这一事件的动态, 包括诸多业界权威机构都在预测再入时间点和落区位置,并定期更新。我们通过微博和微信发布自己的预测结果时, 常常会被问到的一个问题是:在预测的“天宫一号”再入时间窗口稳步缩小的情况下, 为什么实际的返回时间和落区仍然如此的不确定?
  1.影响航天器再入预测的主要因素
  从我们定期更新的时间窗口中可以看出,预测再入时间的不确定性一直在大约正负20%处运行,而实际预测的再入日期一直受到相当多因素的影响。这种不确定性是由低层大气密度的预报精度决定的。大气的空气阻力是造成轨道衰减的主要因素,而大气密度预报起决于大气模型和实际的空间天气活动。
  这些大气模型适用于航天任务的许多方面。这些大气模型提供一种快速算法来计算在任意给定时间和地点大气的温度和密度。这些值对航天任务的轨道确定和轨道预测方面都是不可或缺的。这些大气模型就像地球科学的气候模型一样都是建在大气的“能量守恒”定律之上,并且基于卫星的测量进行校准以提供平均解。
  常用于航天飞行任务的四种大气模型如下: 
    ☉ NRLMSIS00
    ☉ DTM-2013
    ☉ GOST-2004
    ☉ JB2008
  为了用这些大气模型做轨道确定和轨道预测工作,需要一些“原型”来描述太空天气如何影响太空飞行,例如太阳发送给地球的能量以及这些辐射和粒子流如何与近地环境互相影响。常用的参数包括波长10.7cm辐射通量(F10.7指数)、太阳黑子数量(SSN)以及当前地球磁场的扰动水平(Ap指数)。这些空间气象参数的不确定性是航天器再入时间和落区预测不精确的主要原因。
  2.   航天器再入预测技术展望
  在不久的将来,大时间尺度(从几天到几年)范围内的再入预测,可以用上统计学和机器学习技术,但事实证明,很难建立一个精确的预测模型进行再入预测。更短时间尺度(从几小时到几天)范围内的再入预测精度往往会稍微好一点,但基本上需要大量的超级计算和人工参与。此外,当涉及到在较低电离层的航天飞行时,可用于校准再入模型的卫星观测数据很少,因此所有模型都需要大量推断。
  即使是在轨道上衰减的飞行器,其还是以每秒7.8km的速度在围绕地球周围运动,这所有结果的叠加使得非受控的再入非常难以预测,并且意味着甚至在再入之前七八个小时,给出来的预测在飞行器绕地球最后一圈中的最终落点也存在者不确定性。
  3.   航天器再入后的观测捕获
  很接近最终再入时间和落区的预测是可能的,但只有当飞行器被捕获到时,才能保证飞行器能通过遥感器进行观测。即使假设一切都很完美,飞行器再入解体后产生的所有碎片都会随机散布在平均数百公里长和数十公里宽的地面落区内,这也是为什么碎片击中地面人的概率非常非常低的原因。
  大气模型与其他因素之间的相互作用,比如飞行器的迎风面积,或者飞行姿态,不能根据单独的轨迹数据进行解耦。简而言之:“天宫一号”由空间监测所得到的阻力系数是空间站在几天内观测到的衰减状态相对于平均大气模型的平均值结果。这不是一个即时的测量。还要注意的是,雷达图像数据证实了“天宫一号”的旋转速率还在持续增加。
  通常对于航天器的观测捕获都采用标准“三位一体”的遥感器组合,包括雷达,光学望远镜和激光器。在姿态确定方面,这三种观测设备各有其优点和缺点。
  雷达可以提供频繁的覆盖,但姿态需要根据相应的多普勒信息重建——这需要应用于雷达散射面积(RCS)和逆合成孔径(ISAR)技术。而光学望远镜在飞行器上需要良好的照明条件,通常适合建立旋转运动的长期趋势。激光器要求高功率或更大的飞行器反射面,但当精确的位置感知和表面信息相结合时,激光器能够以最小的模糊度重建航天器完整的姿态运动。重构运动姿态的最佳方式是将来自所有三种遥感器类型的数据进行组合以解决模糊性。
  飞行器再入大气层的连续观测时间通常在十分钟以内。对于普通的航天爱好者来说,要在这么短的时间内抓拍到“天宫一号”划过天边的刹那火焰是需要运气的。
编译:亮亮 南南

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