一种运载火箭末级地面损害分析方法与流程

本发明涉及一种运载火箭末级地面损害分析方法，用于实现废弃运载火箭末级的地面损害分析，属于运载火箭技术领域。

背景技术：

运载火箭末级在任务末期无控再入过程中与大气层发生摩擦，在强烈的气动加热和气动力作用下解体产生大量碎片，由于高温作用部分碎片会在到达地面前完全烧蚀熔化，但最终仍有一些碎片落到地面，会对地面的人群、建筑以及生态系统造成威胁，如果陨落在人口稠密区甚至是都市之中，其后果不堪设想。开展运载火箭末级地面损害分析，确定运载火箭末级残骸对于地面人员的损害概率，对于防范运载火箭末级再入风险具有重要的应用价值。

国际上评估地面风险度常用的指标包括伤亡面积和地面风险度。伤亡面积用于评估单次再入事件残余碎片所引起的地面风险，等于碎片横截面与人体投影横截面积的组合，总伤亡面积由一次再入事件中所有残余碎片伤亡面积之和确定。

为了更加准确的估计残存物体再入目标带来的风险，需要确定它在地表的准确的落点及分布范围，因此，给出具有一定概率分布形式的预测结果较为合理。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种运载火箭末级地面损害分析方法，实现了基于地理信息系统以及再入碎片散布区域综合分析地面人员财产损害的方法，满足运载火箭末级再入损害分析的需求。

本发明的技术解决方案是：一种运载火箭末级地面损害分析方法，该方法包括如下步骤：

(1)、按照经、纬度将全球陆地划分成网格，建立全球陆地网格内人口密度随时间变化的模型pk(t),k＝1～n，n为全球陆地网格数；

(2)、根据运载火箭再入弹道参数，采用蒙特卡罗方法，对运载火箭再入弹道进行仿真，得到运载火箭落点分布区域；

(3)、将全球陆地网格与落点分布区域进行匹配，得到全球陆地网格与落点分布区域的映射关系，根据该映射关系，得到运载火箭落点分布区域所覆盖的陆地网格及其在所覆盖的陆地网格内所占面积ai,i∈[1,n]；

(4)、根据全球陆地网格内人口密度随时间变化的模型，计算得到落点分布区域的总人口s(t)；

(5)、根据落点分布区域的总人口，计算地面损害风险。

所述落点分布区域的总人口s(t)的计算公式为：

其中，i表示落点分布区域与第i块陆地网格部分或者全部重叠在一起。

所述步骤(4)地面损害风险的计算公式为：

地面损害风险＝落点分布区域总人口/全球总人口。

所述步骤(1)的具体步骤为：

(1.1)、根据描述全球陆地分布的地理信息系统，按照经纬度对全球陆地进行网格化剖分，得到全球的陆地网格；

(1.2)、对历史上行政区人口密度按时间变化的数据进行拟合，得到行政区人口密度按时间变化的函数ρm(t),m＝1～m，m为行政区的数量；

(1.3)、将全球的陆地网格与全球行政区进行匹配，得到陆地网格与全球行政区的映射关系；

(1.4)、根据陆地网格与全球行政区的映射关系，根据该映射关系，得到陆地网格覆盖的行政区及其在对应的行政区内的面积sj,j∈[1～m]；

(1.5)、根据当前按照全球行政区划分的人口统计数据、陆地网格覆盖的行政区及其在对应的行政区内的面积sj,j∈[1～m]，得到每个陆地网格的人口密度。

所述步骤(1.5)的计算公式为：

式中，zk表示第k个陆地网格的面积，j表示陆地网格与第j块行政区域的部分或者全部重叠在一起。

所述步骤(2)的具体实现为：

(2.1)、设置运载火箭碎片在再入解体点的初始状态参数，所述状态参数包括经度、纬度、高度、速度、再入角、方位角、表面温度初值；

(2.2)、基于运载火箭在再入解体点的状态参数，对运载火箭解体碎片三自由度再入弹道进行仿真，得到其在地球表面的落点位置；

(2.3)、利用蒙特卡罗方法，在步骤(1)设置的运载火箭碎片在再入解体点的初始状态参数基础上，增加因不确定因素引起的随机数，随机变更运载火箭碎片再入解体点的经度、纬度、高度、速度、再入角、方位角、表面温度；

(2.4)、重复步骤(2.1)～(2.3)预设的次数，得到一组运载火箭解体碎片在地球表面的落点位置，将落点包络所包围的区域作为运载火箭解体碎片落点区域。

所述步骤(2.3)将运载火箭解体碎片假定为实心球，根据实心的质量、体积，将运载火箭在再入解体点的状态参数作为实心球的初始状态参数，对运载火箭解体碎片三自由度再入弹道进行仿真，得到其在地球表面的落点位置，作为运载火箭解体碎片在地球表面的落点位置。

所述实心球的质量为碎片的质量，根据碎片的材料密度计算得到实心球的体积。

所述步骤(2.3)运载火箭的再入经度、纬度、高度、速度、再入角、再入方位角、表面温度按照正态分布选取不确定因素引起的随机数。

所述预设的次数至少10000次以上。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明通过网格化的方式，将地面人口分布与地理信息系统结合起来，得到地面人口分布的模型，该人口分布模型符合实际，更加准确。

(2)、本发明分析了火箭末级落点各误差源，落点预测更加准确。

(3)、本发明运载火箭末级残骸对于地面人员的损害概率的计算方法结合了地理信息、人口分布、人口分布变化，更加科学。

附图说明

图1为运载火箭末级地面损害分析流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明针对详细评估运载火箭末级再入损害的需要，提供了一种运载火箭末级地面损害分析方法：首先构建一套地理信息系统，通过网格化的方式，将地面人口分布进行建模，然后依据联合国相关人口变化模型预计一定时段内人口分布。最后通过设定落点散布区域，利用蒙特卡洛分析来模拟各误差源对碎片落点的影响，确定运载火箭末级残骸对于地面人员的损害概率。

图1所示为运载火箭末级地面损害分析流程图。如图1所示，该方法具体包括如下步骤：

(1)、按照经、纬度将全球陆地划分成网格，建立全球陆地网格内人口密度随时间变化的模型pk(t),k＝1～n，n为全球陆地网格数；

(1.1)、根据描述全球陆地分布的地理信息系统，按照经纬度对全球陆地进行网格化剖分，得到全球的陆地网格；

(1.2)、对历史上行政区人口密度按时间变化的数据进行拟合，得到行政区人口密度按时间变化的函数ρm(t),m＝1～m，m为行政区的数量；

(1.3)、将全球的陆地网格与全球行政区进行匹配，得到陆地网格与全球行政区的映射关系；

(1.4)、根据陆地网格与全球行政区的映射关系，根据该映射关系，得到陆地网格覆盖的行政区及其在对应的行政区内的面积sj,j∈[1～m]；

(1.5)、根据当前按照全球行政区划分的人口统计数据、陆地网格覆盖的行政区及其在对应的行政区内的面积sj,j∈[1～m]，得到每个陆地网格的人口密度。

每个陆地网格的人口密度pk(t)计算公式为：

式中，zk表示第k个陆地网格的面积，j表示陆地网格与第j块行政区域的部分或者全部重叠在一起。

(2)、根据运载火箭再入弹道参数，采用蒙特卡罗方法，对运载火箭再入弹道进行仿真，得到运载火箭落点分布区域；

(2.1)、设置运载火箭碎片在再入解体点的初始状态参数，所述状态参数包括经度、纬度、高度、速度、再入角、方位角、表面温度初值；

(2.2)、基于运载火箭在再入解体点的状态参数，对运载火箭解体碎片三自由度再入弹道进行仿真，得到其在地球表面的落点位置；

(2.3)、利用蒙特卡罗方法，在步骤(1)设置的运载火箭碎片在再入解体点的初始状态参数基础上，增加因不确定因素引起的随机数，随机变更运载火箭碎片再入解体点的经度、纬度、高度、速度、再入角、方位角、表面温度。

所述步骤(2.3)将运载火箭解体碎片假定为实心球，根据实心的质量、体积，将运载火箭在再入解体点的状态参数作为实心球的初始状态参数，对运载火箭解体碎片三自由度再入弹道进行仿真，得到其在地球表面的落点位置，作为运载火箭解体碎片在地球表面的落点位置。

所述实心球的质量为碎片的质量，根据碎片的材料密度计算得到实心球的体积。碎片上的材料可以选铝、钢或者钛。

本发明运载火箭的再入经度、纬度、高度、速度、再入角、再入方位角、表面温度按照正态分布选取不确定因素引起的随机数。

上述各个状态参数的随机数的取值范围如下所示：

再入初始高度：-1km～1km；

速度：-0.1km/s～0.1km/s；

再入方位角：-0.1°～0.1°；

表面温度：-1°～1°；

经度：-0.01°～0.01°

纬度：-0.01°～0.01°。

(2.4)、重复步骤(2.1)～(2.3)预设的次数，得到一组运载火箭解体碎片在地球表面的落点位置，将落点包络所包围的区域作为运载火箭解体碎片落点区域。所述预设的次数至少10000次以上。

(3)、将全球陆地网格与落点分布区域进行匹配，得到全球陆地网格与落点分布区域的映射关系，根据该映射关系，得到运载火箭落点分布区域所覆盖的陆地网格及其在所覆盖的陆地网格内所占面积ai,i∈[1,n]；

落点分布区域的总人口s(t)的计算公式为：

其中，i表示落点分布区域与第i块陆地网格部分或者全部重叠在一起。

(4)、根据全球陆地网格内人口密度随时间变化的模型，计算得到落点分布区域的总人口s(t)；

地面损害风险的计算公式为：

地面损害风险＝落点分布区域总人口/全球总人口。

(5)、根据落点分布区域的总人口，计算地面损害风险。

本发明通过网格化的方式，将地面人口分布与地理信息系统结合起来，得到地面人口分布的模型，该人口分布模型符合实际，更加准确。

本发明分析了火箭末级落点各误差源，落点预测更加准确。

本发明运载火箭末级残骸对于地面人员的损害概率的计算方法结合了地理信息、人口分布、人口分布变化，更加科学。

因此，本发明中的运载火箭末级地面损害分析流程、模型和方法可广泛用于运载火箭技术领域，满足运载火箭末级再入损害分析的需求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。