CN106600107A - 一种航天器碰撞风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天器碰撞风险评估方法，用于解决现有航天器碰撞风险评估方法评价指标不充分，无法全面反映在轨航天器与空间目标接近过程中碰撞风险大小的问题。本发明将碰撞概率转化为碰撞指数；确定破坏指数内容，计算得到破坏指数；确定碰撞指数和破坏指数权重，并进行合理动态调整；进行航天器碰撞风险的综合评估。本发明提高了航天器碰撞风险评估方法的完善度，为在轨航天器碰撞风险评估提供了一种更为全面、易于操作的方法。

Description

一种航天器碰撞风险评估方法

技术领域

本发明属于航天测量与控制领域，具体涉及一种针对航天器的碰撞风险评估方法。

背景技术

碰撞风险评估是航天器空间碰撞预警的核心内容，是确保航天器安全运行的关键技术之一。完整的碰撞风险评估主要包括碰撞概率计算、破坏指数确定、碰撞风险状态分级、碰撞风险预警等内容。需要通过探测航天器周围的空间碎片信息，确定航天器面临的碰撞概率。航天器碰撞风险也与航天器自身的姿态，碰撞发生时的角度和相对速度等相关，需要将其量化为破坏指数。

目前碰撞风险评估中广泛采用碰撞概率、最小接近距离等评价指标来确定碰撞风险等级。在风险评价指标计算过程中不可避免地会受到误差影响，交会时刻、位置速度矢量、位置误差方差等输人参数的准确性直接影响到碰撞风险评估的可信性。仅仅使用最近接近距离和碰撞概率还无法确定真实的风险。因此，需要在碰撞概率计算的基础上进行碰撞风险的综合评估，提高风险评估的有效性和可信性，用于指导航天器碰撞规避。目前资料可查的碰撞风险综合评估方法将输入参数分为风险评估参数和品质评估参数。风险评估参数是用于描述碰撞风险大小的量，如接近距离和碰撞概率。品质评估参数是描述用来预报接近事件的轨道确定精度的量，如预报时间和协方差等。这种方法虽然考虑了多个指标，亦包含了足够的信息量，但计算量大，不直观、不易工程应用及实时评估。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种航天器碰撞风险评估方法，通过碰撞指数确定、破坏指数确定、权系数确定和调整、碰撞风险指数计算四个步骤处理，从航天器周围的空间碎片信息中获得其碰撞风险评估结果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)确定红色预警对应的分值为80-100；黄色预警对应的分值为60-80；潜在危险对应的分值为0-60；

根据空间探测系统获得的轨道高度、最近距离及碰撞概率确定碰撞预警等级，其对照表如下：

确定碰撞指数式中P_c是空间探测系统输出的碰撞概率，P_t是碰撞概率门限，M_b是基础等级分值，红色预警对应80，黄色预警对应60，潜在预警对应0，S_P最大值取100，如若超出最大值则作截断处理；

(2)用碎片RCS与卫星RCS比值表征碎片大小，用λ表示；

用碎片接近速度反映碎片对航天直接冲击力，用γ表示；

用碰撞部位反映碎片碰撞后对航天器整体功能的影响程度，用η表示；

确定破坏指数D＝100ληγ；

(3)动态调整碰撞指数权重和破坏指数权重，权重W₁表示碰撞指数权重，W₂表示破坏指数权重；其中，a为变权系数，将碰撞指数和破坏指数进行聚合，记作E_fix＝0.8S_p+0.2D，将作为输入参数，采用下凸递增函数计算调整后的a；X_i表示指数项，X₁表示碰撞指数，X₂表示破坏指数；

(4)计算健康指数用于评价评估对象的碰撞风险；

(5)重复步骤(1)～(4)，分别计算n个碎片对目标航天器的碰撞风险值E_j，碎片序号然后计算得到总碰撞风险根据总碰撞风险确定碰撞风险等级，红色预警对应的分值为80-100；黄色预警对应的分值为60-80；潜在危险对应的分值为0-60。

本发明的有益效果是：在航天器空间碰撞概率计算及其分析处理结果的基础上定义了航天器风险综合评估的概念，并提出了碰撞指数和破坏指数的计算方法，该方法根据碰撞概率和其他空间探测信息能更加全面地考虑航天器所面临的各种运行风险；同时该方法对碰撞指数和破坏指数权值系数进行分配和动态调整，相比仅仅考虑碰撞概率算出的结果置信度更高，所得的风险评估结果更符合航天器在轨运行的实际情况。本发明所规范的评估过程简单清晰，可为航天器风险评估的工程化应用提供有力的方法支撑。

附图说明

图1是本方法框架图。

图2是本方法碰撞指数确定流程图。

图3是本方法破坏指数确定流程图。

图4是本方法权值系数确定及调整流程图。

图5是本方法碰撞风险指数计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明包括以下步骤：

碰撞指数确定过程中，首先确定红色预警对应的分值为80-100；黄色预警对应的分值为60-80；潜在危险对应的分值为0-60；

根据空间探测系统获得的轨道高度、最近距离及碰撞概率确定碰撞预警严重性，其对照表如下：

根据碰撞概率定量获得其对应的分值形式的指标：

式中P_c是空间探测系统输出的碰撞概率，P_t是碰撞概率门限，M_b是基础等级分值，即红色预警对应80，黄色预警对应60，潜在预警对应0，S_P最大值取100，如若超出最大值则作截断处理；

破坏指数确定步骤用0-100的数值综合表示碎片大小、碎片接近速度以及预计碰撞部位因素：

碎片大小用碎片RCS与卫星RCS比值表征，反映碎片对航天器造成的破坏面积比例，用λ表示；

碎片接近速度，值反映了碎片对航天直接冲击力，用γ表示；

碰撞部位反映了碎片碰撞后对航天器整体功能的影响程度，用η；

表1破坏指数分析

λ及γ随着实际值的增大而增大，且增大趋势逐渐变快(导数大于0且逐渐增大),因此采用下凸递增函数用于评分指数转换，其函数形式如下：

其中z代表参数的变量形式，y代表对应参数的实际值，y^min和y^max代表参数的最小值和最大值。

碰撞指数分值形式为：

D＝100ληγ………………(3)

动态调整碰撞指数权重和破坏指数权重，

式中：

W_i为权重，W₁表示碰撞指数权重，W₂表示破坏指数权重；

a为变权系数，变权系数a越接近0，变权作用越显著，低健康度对象的变权权重就越大；变权系数a越接近1，变权作用越弱，当a＝1时，即为常权植。在本发明中，a不直接固定，而是根据碰撞指数进行调整，调整方法如下：

根据初始设定的碰撞指数权重为0.8，破坏指数权重为0.2，可将碰撞指数和破坏指数进行聚合，记作E_fix，将作为a调整的输入参数，用公式(2)进行计算，获得调整后的a。

X_i表示指数项，X₁表示碰撞指数，X₂表示破坏指数；

健康指数E使用碰撞指数和破坏指数及其权重进行计算，用于评价评估对象的碰撞风险，

由于空间碎片数量巨多，同一时刻对某一航天器碰撞风险较大的碎片可能有多个，多个碎片风险评估的步骤如下：

设有n个碎片，每个碎片与航天器的碰撞事件是独立事件；

首先根据式(5)计算出单个碎片对目标航天器的碰撞风险值表示碎片序号；

然后计算得到总碰撞风险

最后根据碰撞风险值确定碰撞风险等级，等级分级如表2所示。

表2碰撞风险等级划分表

碰撞风险等级	碰撞风险阈值
		红色预警	80-100
黄色预警	60-80
		潜在风险	0-60

参照图1，其为本方法框架图，首先进行步骤1-1确定碰撞指数和破坏指数，该步骤后续评估工作提供参数输入。其次进行步骤1-2权值系数确定，该步骤对碰撞指数和破坏指数进行权值系数确定，按照对碰撞风险评价的一般化的影响程度给出一个取值在0～1之间的权值系数，并进行权值系数调整，根据实际的碰撞指数和破坏指数值进行适应性调整。最后进行步骤1-3碰撞风险指数计算,使用前两个步骤输出的碰撞指数和破坏指数及其权值系数进行碰撞风险指数E的计算。

参照图2，其为本方法碰撞指数确定的流程图。首先进行步骤2-1，获取空间碎片信息。然后进行步骤2-2，根据空间碎片信息及已有的碰撞概率计算方法计算得出碰撞概率数值。接着进行步骤2-3，读取关于碰撞概率数值的等级划分规则。然后执行2-4步骤，计算评估所需的碰撞指数。

参照图3，其为本方法破坏指数确定的流程图。首先进行步骤3-1，获取空间碎片信息。然后进行步骤3-2，将RCS信息转换为0-1的破坏指数计算可识别形式。接着进行步骤3-3，将碎片相对速度转换为0-1破坏指数计算可识别形式。然后进行步骤3-4，将碰撞部队转换为0-1破坏指数计算可识别形式。最后执行3-5步骤，计算评估所需的破坏指数。

参照图4，其为本方法权值系数确定的流程图。首先进行步骤4-1，给碰撞指数一个初始权值W₁，给破坏指数一个权值W₂。然后进步步骤4-2，读取碰撞指数和破坏指数值。接着进行步骤4-3，根据公式3进行权值调整。最后进行步骤4-4，汇总调整后的权值。

参照图5，其为本方法健康指数计算的流程图。首先进行步骤5-1，读取碰撞指数和破坏指数值。然后进行步骤5-2，读取调整后的权值。接着进行步骤5-3，计算并输出评估对象碰撞风险指数E。

Claims (1)

1.一种航天器碰撞风险评估方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)确定红色预警对应的分值为80-100；黄色预警对应的分值为60-80；潜在危险对应的分值为0-60；

根据空间探测系统获得的轨道高度、最近距离及碰撞概率确定碰撞预警等级，其对照表如下：

确定碰撞指数式中P_c是空间探测系统输出的碰撞概率，P_t是碰撞概率门限，M_b是基础等级分值，红色预警对应80，黄色预警对应60，潜在预警对应0，S_P最大值取100，如若超出最大值则作截断处理；

(2)用碎片RCS与卫星RCS比值表征碎片大小，用λ表示；

用碎片接近速度反映碎片对航天直接冲击力，用γ表示；

用碰撞部位反映碎片碰撞后对航天器整体功能的影响程度，用η表示；

确定破坏指数D＝100ληγ；

(3)动态调整碰撞指数权重和破坏指数权重，权重i＝1、2，W₁表示碰撞指数权重，W₂表示破坏指数权重；其中，a为变权系数，将碰撞指数和破坏指数进行聚合，记作E_fix＝0.8S_p+0.2D，将作为输入参数，采用下凸递增函数计算调整后的a；X_i表示指数项，X₁表示碰撞指数，X₂表示破坏指数；

(4)计算健康指数用于评价评估对象的碰撞风险；

(5)重复步骤(1)～(4)，分别计算n个碎片对目标航天器的碰撞风险值E_j，碎片序号然后计算得到总碰撞风险根据总碰撞风险确定碰撞风险等级，红色预警对应的分值为80-100；黄色预警对应的分值为60-80；潜在危险对应的分值为0-60。