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运行规划 operations, planning, scheduling, fuel-budget, collision-avoidance 让航天器待在它该在的位置这一日常问题,以及决定它的三个预算。

运行规划

航天器一旦上天,就要有人决定它应该做什么。这是一个带三个硬预算的排程问题,而运行的全部就是三者之间的协商。

定义

  • 燃料预算限定任务寿命内可用的总机动与位保推进剂。
  • 接触预算限定地面段可提供的过境次数,进而限定可用的遥控与定轨量。
  • 安全预算限定可执行的碰撞规避机动次数,因为每一次都消耗燃料与接触时间。

规划就是对这三者的分配。接触不足的航天器无法飞到其精度指标;燃料不足的会提前终结。

数学含义

位保代价

对处于非严格太阳同步轨道的低轨,轨道面会漂移,因为扁率与日月引力产生了设计未要求的面内节点速率。保持该轨道面需要以某间隔做位保机动:


\Delta v_{\text{保持}} \sim \left\lvert \dot\Omega \right\rvert \Delta t \, a

因此代价对漂移率与间隔都是线性的。允许漂移减半使速率加倍,允许漂移的间隔减半使机动次数加倍:两者相乘。

碰撞规避

在相近壳层有众多卫星时,会合评估产生候选接近,每一次确认的接近都需要一次机动。每次机动代价很小,而数量不可控,因此现代做法是每星数厘米的不确定度而非数十米:无法确认的接近不需要机动。

定轨作为预算

燃料预算与接触预算在此相遇。精度需要弧长,弧长需要接触,而接触是稀缺资源。无法被足够频繁观测的航天器会漂移,会需要它负担不起的机动,而失效表现为预算而非轨道误差。

单位约定

  • 推进剂:千克,或用其实际支出的速度增量。
  • 接触时间:每航天器每天分钟数。
  • 漂移率:度每天。
  • 会合筛查体积:千米;决定体积的不确定度同单位。

适用边界

三个预算并不独立。为了接触预算允许更多跟踪而花燃料买精度是正当的取舍,也正是计划明确作出或隐含作出的取舍。不陈述该分配的计划就是意外地作出了一个。

最难的情形是拥挤壳层,碰撞规避预算被无人规划的事件消耗,应对方式是规则而非决策:当概率超过门限时自动执行机动,因为决定无法在可用时间内作出。

因此在拥挤壳层运行航天器,部分程度上取决于它被编目时的不确定度,而那是发射前数年作出的设计决策。

标准

  • 会合评估与规避实践:相关体制下国际协调机构的规范,以及任务实践
  • 地面段排程接口:CCSDS 运行标准

另见