Modeling of Space Objects Propagation, Prediction of Closest Approaches among Satellites, and Assessment of Maximum Collision Probability

Navabi, M.; Hamrah, R.

Modeling of Space Objects Propagation, Prediction of Closest Approaches among Satellites, and Assessment of Maximum Collision Probability

Authors

M. Navabi

R. Hamrah

Faculty of New Technologies Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

Abstract

In this paper, a precise propagation model which takes into account the effects of the atmospheric drag and gravitational harmonies is developed and presented using available Two Line Element (TLE) data. Moreover, the prediction of the trajectory of space objects (e.g. the operational and non-operational satellites and space debris) and their orbital data is performed. Then, the 2009 prominentcollisionbetween the Cosmos2251 and Iridium33 satellite is simulated and the maximum probability of their collision is computed by implementing the propagation algorithm and probabilities Theory, and finally the results are discussed. Therefore, the precise position and velocity of each space object at any time, as well as their collision probability will be determined, and if necessary, the time available to enact collision avoidance maneuver will be obtained. The success and accuracy of an avoidance maneuver is affected by the precision of the propagation model, the exact computation of collision probability, and finally the maneuver mechanism which are utilized.

Keywords

Space debris

Propagation model

Two line element set

Maximum collision probability

Gaussian density function

Encounter plane

Positional covariance ellipsoid

Article Title Persian

مدل‌سازی انتشار اشیای فضایی، پیش‌بینی تقرب‌های بحرانی ماهواره‌ها و تخمین حداکثر احتمال تصادم اشیای فضایی

Authors Persian

محمد نوابی

رضا همراه

دانشکده فناوری های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

Abstract Persian

در این مقاله با استفاده از داده‌های در دسترس از مجموعه المان‌های دوسطری (TLE) به استخراج و ارائة یک مدل انتشار دقیق در حضور اثرات گرانشی و درگ اتمسفری پرداخته، و نیز پیش‌بینی مسیر حرکت و استخراج اطلاعات مداری اشیای فضایی از قبیل ماهواره‌های عملیاتی و غیرعملیاتی و همچنین پس‌ماندهای فضایی می‌پذیرد. سپس با استفاده ازپیاده‌سازی الگوریتم مدل انتشار و تئوری احتمالات، به مدل‌سازی تصادم دو ماهواره کاسموس 2251 و ایریدیوم 33 و نیز محاسبة حداکثر احتمال برخورد آنها پرداخته شده و نتایج مورد بحث قرار می‌گیرند. به این ترتیب می‌توان موقعیت و سرعت هر یک از ماهواره‌ها در روز و لحظة تصادم و نیز امکان برخورد آن با اشیای دیگر را پیش‌بینی کرد و در صورت لزوم، مناسب‌ترین زمان انجام مانورهای جلوگیری از برخورد را، مشخص کرد که موفقیت‌آمیز بودن و دقت این مانور متأثر از دقت مدل انتشار به کار رفته، محاسبة دقیق احتمال برخورد و همچنین مکانیزم مانور خواهد بود.

Keywords Persian

پس‌ماند فضایی

مدل انتشار

مجموعه المان دو سطری

حداکثر احتمال برخورد

تابع چگالی گوسین

صفحة رویارویی

بیضی‌گون کواریانس مکانی

[1] Kelso, T. and Alfano, S., “Satellite Orbital Conjunction Reports Assessing Threatening Encounters in Space (SOCRATES),” Presented at the 2005 AAS/AIAA Space Flight Mechanics Conference, Copper Mountain, CO, January 2005, pp. 23–27.
[2] Kelso, T. S., “Frequently Asked Questions: Two-Line Element Set Format,” Satellite Times, Vol. 4, No. 1, Jan.1998, pp. 68-69,.
[3] Vallado, D. A., Crawford, P., Hujsak, R. and Kelso, T. S., “Revisiting Spacetrack Report #3,” AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference, Keystone, CO, Aug 2006.
[4] Sidi, M. J., Spacecraft Dynamics and Control, a Practical Engineering Approach, Cambridge University Press, 1997.
[5] Hoots, F. R., Paul W. S. Jr. and Robert A. G., “History of Analytical Orbit Modeling in the U. S. Space Surveillance System,” Journal of Guidance Control, and Dynamics, AIAA, Vol. 27, No. 2, 2004, pp.174–185.
[6] Patera, R. P., “General Method for Calculating Satellite Collision Probability,” AIAA Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 24, No. 4, July-August 2001, pp. 716-722.
[7] Alfano, S., “Review of Conjunction Probability Methods for Short-Term Encounters”, Proceedings of the 17^th AIAA Space Flight Mechanics Meeting, San Diego, California, 2007.
[8] Alfano, S., “Collision Avoidance Maneuver Planning Tool”, AAS-05-308, AAS/AIAA Astrodynamics Specialist Conference, Lake Tahoe, CA, August 2005.
[9] Fateev, V. F. and et. al, “Analysis of Collision Prediction Characteristics,” AMOS Conference, September 2009.