CN113312702A - 一种定制化box判据的航天器碰撞预警优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定制化BOX判据的航天器碰撞预警优化方法，涉及空间目标监视技术领域，该方法的核心是提出随任务变化的定制化BOX距离判据，在此基础上，利用航天器和空间目标理论的轨道预报协方差，设置多个线性的BOX距离门限，分析不同门限对应的危险事件(时间窗口或者机动量)对应的占比，同时分析时间段内满足判据门限的多个最近时刻，选择合适BOX距离门限，按照最近时刻分布进行分段碰撞预警门限设置，进一步压缩虚警概率，重新估计危险事件占比，据此提出针对单次事件的定制化航天器管控精度要求和优化的碰撞预警实施方案。

Description

一种定制化BOX判据的航天器碰撞预警优化方法

技术领域

本发明涉及空间目标监视技术领域，具体涉及一种定制化BOX判据的航天 器碰撞预警优化方法。

背景技术

航天器碰撞预警是空间监视的重要应用方向，是保障航天器在太空中运行 安全的基础。美国开展航天器发射、入轨、在轨、返回的全流程碰撞预警分析 任务。在空间站任务中，美国主要采用BOX距离判据与碰撞概率判据结合的方 式，开展国际空间站日常在轨碰撞预警工作。其中，BOX距离判据是指以空间 站为中心的空间三维立方体的长宽高，对应着空间目标的UNW(迹向、径向、 横向)坐标系的径向、迹向、横向距离判据，空间站的BOX距离判据分为三档， UNW(迹向、径向、横向)分别为40km×10km×40km、25km×2km×25km、25km×0.75km×25km。前面两档门限主要是用于发现潜在危险事件，持续重点 关注；最后一档门限用于确认重点危险事件，发出预警信息，进入最后预警复 核与规避决策流程。

从美国的空间站碰撞预警任务中可以看出，碰撞预警的BOX距离判据基本 属于固定门限判据，对于稳定的空间站在轨运行具有一定的实用性。但是，采 用固定的BOX距离判据，无法考虑发射窗口计算、在轨机动等各类特殊任务场 景的航天器机动速度、分析时长等差异。随着“星链”等大量低轨星座的入轨， 固定BOX距离判据可能导致较多场景下的目标交会距离进入BOX距离判据内， 导致计算的碰撞虚警率大幅增加，无法正常开展任务。

根据航天器的多类型在轨安全需求，特别是发射窗口计算、机动变轨等碰 撞预警任务，寻找一种优化的、通用性强的碰撞预警方法，能够在确保安全的 前提下减少对正常航天任务的干扰，对于执行日益频繁的航天任务至关重要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种定制化BOX判据的航天器碰撞预警优化方法， 是一种随任务变化的定制化BOX距离判据优化方法，能够实现分段优化设置碰 撞预警门限，进一步压缩虚警概率，重新估计危险事件占比，适应于单次事件 的定制化航天器管控精度要求和优化的碰撞预警实施要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

S1、在碰撞预警时间段[t₀,t₁]内，根据航天器和空间目标的最大位置预报误 差，构建由N个碰撞预警门限组成的BOX距离判决序列。

S2、根据N个BOX距离判决序列计算得到每个碰撞预警门限下的危险事件 占比，同时得到最大的碰撞预警门限下的I个危险碰撞事件的时刻[t_s1,t_s2,…,t_sI]。

S3、根据任务经验或者按照危险事件占比50％以内的最大碰撞预警门限作 为BOX距离判据最大门限值。

S4、以最大的碰撞预警门限下的I个危险碰撞事件的时刻[t_s1,t_s2,…,t_sI]作为节点对碰撞预警时间段[t₀,t₁]进行划分共划分为I+1个时间段，即

{[t₀,t_s1],[t_s1,t_s2],…,[t_s(I-1),t_sI],[t_sI,t₁]}。

其中t_s(I-1)为最大的碰撞预警门限下的第I-1个危险碰撞事件的时刻。

S5、设置I+1个时间段分别对应的碰撞预警BOX距离判据。

S6、在I+1个时间段内，分别采用对应的碰撞预警BOX距离判据进行航天 器的分段碰撞预警。

进一步地，S1具体为：

在碰撞预警时间段[t₀,t₁]内，航天器由于轨道参数误差、轨道机动和摄动力 影响导致的在UNW坐标系中的迹向、径向、横向存在的最大预报距离误差分别 U_max、N_max、W_max已知，其中U方向为航天器的惯性速度矢量方向，W为航天器 的轨道面负法线方向，N方向与U方向、W方向构成右手坐标系；

空间目标在UNW坐标系中的迹向、径向最大预报误差分别为U₀、N₀；

构建由N’个碰撞预警门限组成的BOX距离判决序列中，N’个碰撞预警门 限分别为：

其中，n为序号，n＝1,2,...N’。

进一步地，S2具体为：

在K个轨道机动参数或者发射窗口待选时间点下，航天器在[t₀,t₁]时间段的 轨道位置轨迹分别为P_k,k＝1,2,…,K，k为轨道位置轨迹序号。

在[t₀,t₁]时间段逐点计算航天器轨道位置轨迹P_k与L个空间目标的最近接近 时刻时的UNW位置距离分别为S_l，l＝1,2,…,L，l为空间目标序号。

对第n个碰撞预警门限

若轨道位置轨迹P_k， 存在一个S_l中的UNW位置距离小于门限值，则第k个轨道机动参数或者发射窗 口待选时间点不安全，即属于危险事件。

统计所有K个轨道机动参数或者发射窗口待选时间点中的危险事件个数为 D，则危险事件占比为D/K。

据此得到N个碰撞预警门限下分别对应的危险事件占比，形成门限与危险 事件占比的曲线；

同时，记录n＝1时，即最大的碰撞预警门限(U_max+U₀)×(N_max+N₀)×(W_max+U₀)限 下I个危险碰撞事件的时刻分别[t_s1,t_s2,…,t_sI]。

进一步地，S3具体为：

选择危险事件占比50％以内的最大碰撞预警门限作为BOX距离判据最大门 限值

m为危险事件占比50％以内的最大碰撞 预警门限对应序号。

进一步地，设置I+1个时间段分别对应的碰撞预警BOX距离判据，分别为：

有益效果：

1、本发明提出了基于定制化BOX判据的航天器碰撞预警优化方法。该方 法的核心是提出随任务变化的定制化BOX距离判据，在此基础上，利用航天器 和空间目标理论的轨道预报协方差，设置多个线性的BOX距离门限，分析不同 门限对应的危险事件(时间窗口或者机动量)对应的占比，同时分析时间段内 满足判据门限的多个最近时刻，选择合适BOX距离门限，按照最近时刻分布进 行分段碰撞预警门限设置，进一步压缩虚警概率，重新估计危险事件占比，据 此提出针对单次事件的定制化航天器管控精度要求和优化的碰撞预警实施方案。

2、BOX距离判据一般用于航天器轨道预报误差较大的情况下的碰撞预警分 析，BOX距离判据主要由航天器轨道和空间目标的预报误差共同决定的。传统 的BOX距离判据主要根据历史航天器轨道运行数据分析确定的，由最大预报误 差确定固定门限，之后的航天任务都以此为依据开展碰撞预警。但是，由于每 次任务的预报误差都有差异，且随预报时间变化快，导致设置固定门限开展碰 撞预警并不科学，且大多数情况下会带来虚警过高的问题，制约了航天任务的 正常进行。本发明在设置多个碰撞预警门限后，提出对每个碰撞门限分别计算 危险事件的占比，利用危险事件占比优选定制化BOX距离门限，从而更加科学 合理的设置碰撞预警门限。

3、本发明为保障航天器任务正常运行，通常情况下，可以选择危险事件占 比50％以内的最大碰撞预警门限作为BOX距离判据

可以确保航天器安全，同时又保障了航天任务有足够的时间窗口。

4、本发明提出了分段设置碰撞预警门限的方式，对于机动速度或者初始轨 道存在半长轴误差的航天器轨道预报来说，沿迹方向位置误差一般会随着时间 线性增长，径向误差在短时间内也有线性增长的趋势。因此，在碰撞预警时间 段[t₀,t₁]内，各时间点的BOX判据门限理论上均不相同，且应该随时间增加。若 对每一个时间点都设置不同BOX判据，则整个计算时间较长，且并无必要。在 碰撞预警任务中，可以根据多个轨道机动时刻或者航天任务流程节点，对碰撞 预警时间段[t₀,t₁]进行分段设置碰撞预警门限，开展分段碰撞预警分析，降低虚 警概率。

附图说明

图1为本发明实施例中不同碰撞预警门限的危险事件占比示例；

图2为本发明实施例中一种定制化BOX判据的航天器碰撞预警优化方法流 程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种定制化BOX判据的航天器碰撞预警优化方法，如图2所 示，包括如下步骤：

S1、在碰撞预警时间段[t₀,t₁]内，根据航天器和空间目标的最大位置预报误 差，构建由N个碰撞预警门限组成的BOX距离判决序列。

在碰撞预警时间段[t₀,t₁]内，航天器由于轨道参数误差、轨道机动和摄动力 影响导致的在UNW坐标系中的迹向、径向、横向存在的最大预报距离误差分别 U_max、N_max、W_max已知，其中U方向为航天器的惯性速度矢量方向，W为航天器 的轨道面负法线方向，N方向与U方向、W方向构成右手坐标系；

空间目标在UNW坐标系中的迹向、径向最大预报误差分别为U₀、N₀；空 间目标的轨道预报法向误差相对较小，由于碰撞交会角的原因，可以用迹向误 差U₀代替法向误差。以航天器为主目标，空间目标为从目标，设置本次任务的 最大的定制化BOX距离门限为(U_max+U₀)×(N_max+N₀)×(W_max+U₀)。

对于机动变轨的预报误差而言，简化航天器的预报迹向误差和径向误差同 时等比缩小，但二者比例保持不变，法向误差无明显变化，构建由N’个碰撞预 警门限组成的BOX距离判决序列中，N’个碰撞预警门限分别为：

其中，n为序号，n＝1,2,...N’。

S2、根据N个BOX距离判决序列计算得到每个碰撞预警门限下的危险事件 占比，同时得到最大的碰撞预警门限下的I个危险碰撞事件的时刻[t_s1,t_s2,…,t_sI]。

在设置多个碰撞预警门限后，本文提出对每个碰撞门限分别计算危险事件 的占比，利用危险事件占比优选定制化BOX距离门限，从而更加科学合理的设 置碰撞预警门限。通常情况下，采用BOX判据进行碰撞预警的重要目的为了提 前确认轨道机动、发射窗口等参数的选择是否安全。

在K个轨道机动参数或者发射窗口待选时间点下，航天器在[t₀,t₁]时间段的 轨道位置轨迹分别为P_k,k＝1,2,…,K，k为轨道位置轨迹序号。

在[t₀,t₁]时间段逐点计算航天器轨道位置轨迹P_k与L个空间目标的最近接近 时刻时的UNW位置距离分别为S_l，l＝1,2,…,L，l为空间目标序号。

对第n个碰撞预警门限

若轨道位置轨迹P_k， 存在一个S_l中的UNW位置距离小于门限值，则第k个轨道机动参数或者发射窗 口待选时间点不安全，即属于危险事件。

统计所有K个轨道机动参数或者发射窗口待选时间点中的危险事件个数为 D，则危险事件占比为D/K。

据此得到N个碰撞预警门限下分别对应的危险事件占比，形成门限与危险 事件占比的曲线。

同时，记录n＝1时，即最大的碰撞预警门限(U_max+U₀)×(N_max+N₀)×(W_max+U₀)限 下I个危险碰撞事件的时刻分别[t_s1,t_s2,…,t_sI]。

S3、根据任务经验或者按照危险事件占比50％以内的最大碰撞预警门限作 为BOX距离判据最大门限值，可以确保航天器安全，同时又保障了航天任务有 足够的时间窗口。

S4、以最大的碰撞预警门限下的I个危险碰撞事件的时刻[t_s1,t_s2,…,t_sI]作为节点对碰撞预警时间段[t₀,t₁]进行划分共划分为I+1个时间段，即

{[t₀,t_s1],[t_s1,t_s2],…,[t_s(I-1),t_sI],[t_sI,t₁]}；

其中t_s(I-1)为最大的碰撞预警门限下的第I-1个危险碰撞事件的时刻。

当选择了合适的BOX距离判据

后，等效于确定了碰撞预警的时间段[t₀,t₁]内的最大门限值。如果该时间段内均采用同一个 门限值，则难免计算得到的碰撞预警危险事件比例会提高，带来不必要的虚警。

对于机动速度或者初始轨道存在半长轴误差的航天器轨道预报来说，沿迹 方向位置误差一般会随着时间线性增长，径向误差在短时间内也有线性增长的 趋势。因此，在碰撞预警时间段[t₀,t₁]内，各时间点的BOX判据门限理论上均不 相同，且应该随时间增加。若对每一个时间点都设置不同BOX判据，则整个计 算时间较长，且并无必要。在碰撞预警任务中，可以根据多个轨道机动时刻或 者航天任务流程节点，对碰撞预警时间段[t₀,t₁]进行分段设置碰撞预警门限，开 展分段碰撞预警分析，降低虚警概率。在计算危险事件占比时，已经计算得到 (U_max+U₀)×(N_max+N₀)×(W_max+U₀)BOX门限下I个危险碰撞事件的时刻[t_s1,t_s2,…,t_sI]。 对于航天器轨道运动来说，迹向方向上的误差传播随时间变化最为剧烈，可以 得到：

其中，U₀为初始迹向误差，U为随预报时间变化的迹向误差；Δa₀为半长轴 定轨误差；Δa为半长轴变率误差，轨道高度高于500公里时可忽略；t为以轨道 预报时长。从式(2)可以看出，在航天器初始迹向误差和半长轴误差确定的情 况下，可以近似认为轨道误差随时间t线性增长，即各时间段的迹向误差应该低 于U_max。因此本发明根据轨道误差线性增长规律，以危险碰撞事件的时刻为节点 划分为I+1个时间段。

S5、设置I+1个时间段分别对应的碰撞预警BOX距离判据。

本发明实施例中，I+1个时间段分别对应的碰撞预警BOX距离判据，分别 为：

S6、在I+1个时间段内，分别采用对应的碰撞预警BOX距离判据进行航天 器的分段碰撞预警。通过以上分段碰撞预警设置，可以大幅压缩碰撞预警判据 的迹向误差门限，重新计算危险事件占比，能够得到更加准确、虚警率更低的 碰撞事件分析结果。

通过基于危险事件占比的定制化BOX距离判据确定、分段距离门限优化两 个流程就能够预先定制化设置的分段碰撞预警BOX判据，为制定航天器任务的 碰撞预警具体实施方案提供技术支撑。

本发明基于定制化BOX距离判据的航天器碰撞预警优化方法，可适应于航 天器各类型碰撞预警任务，易于给出合理的碰撞预警门限和时间分段准则，并 较为准确的预估碰撞风险，方法简单，虚警率低，可广泛应用于空间目标碰撞 预警任务。其中：

1、提出了定制化BOX距离判据机制，利用序列的BOX距离判据分析碰撞 风险占比，按照风险占比选择该时段的最大BOX距离判据。

2、根据危险事件的时间序列，建立分段碰撞预警机制，进一步压缩各区间 内的BOX距离判据，进一步降低虚警概率，保障航天任务顺利进行。

图1所示为航天器在设定时间段内的危险事件占比，可以看出，随着门限 的压缩，危险事件占比快速下降，同时进行分时段碰撞预警后，危险事件占比 进一步降低。根据任务需要，可快速利用危险事件占比确定碰撞门限，再通过 分段碰撞预警，进一步压缩碰撞危险事件占比，降低航天器碰撞虚警。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种定制化BOX判据的航天器碰撞预警优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在碰撞预警时间段[t₀,t₁]内，根据航天器和空间目标的最大位置预报误差，构建由N个碰撞预警门限组成的BOX距离判决序列；

S2、根据N个BOX距离判决序列计算得到每个碰撞预警门限下的危险事件占比，同时得到最大的碰撞预警门限下的I个危险碰撞事件的时刻[t_s1,t_s2,…,t_sI]；

S3、根据任务经验或者按照危险事件占比50％以内的最大碰撞预警门限作为BOX距离判据最大门限值；

S4、以最大的碰撞预警门限下的I个危险碰撞事件的时刻[t_s1,t_s2,…,t_sI]作为节点对碰撞预警时间段[t₀,t₁]进行划分共划分为I+1个时间段，即

{[t₀,t_s1],[t_s1,t_s2],…,[t_s(I-1),t_sI],[t_sI,t₁]}；

其中t_s(I-1)为最大的碰撞预警门限下的第I-1个危险碰撞事件的时刻；

S5、设置I+1个时间段分别对应的碰撞预警BOX距离判据；

S6、在I+1个时间段内，分别采用对应的碰撞预警BOX距离判据进行航天器的分段碰撞预警。

2.如权利要求1所述的航天器碰撞预警优化方法，其特征在于，S1具体为：

在碰撞预警时间段[t₀,t₁]内，航天器由于轨道参数误差、轨道机动和摄动力影响导致的在UNW坐标系中的迹向、径向、横向存在的最大预报距离误差分别U_max、N_max、W_max已知，其中U方向为航天器的惯性速度矢量方向，W为航天器的轨道面负法线方向，N方向与U方向、W方向构成右手坐标系；

空间目标在UNW坐标系中的迹向、径向最大预报误差分别为U₀、N₀；

所述构建由N’个碰撞预警门限组成的BOX距离判决序列中，N’个碰撞预警门限分别为：

其中，n为序号，n＝1,2,...N’。

3.如权利要求1或2所述的航天器碰撞预警优化方法，其特征在于，所述S2具体为：

在K个轨道机动参数或者发射窗口待选时间点下，航天器在[t₀,t₁]时间段的轨道位置轨迹分别为P_k,k＝1,2,…,K，k为轨道位置轨迹序号；

在[t₀,t₁]时间段逐点计算航天器轨道位置轨迹P_k与L个空间目标的最近接近时刻时的UNW位置距离分别为S_l，l＝1,2,…,L，l为空间目标序号；

对第n个碰撞预警门限

若轨道位置轨迹P_k，存在一个S_l中的UNW位置距离小于门限值，则第k个轨道机动参数或者发射窗口待选时间点不安全，即属于危险事件；

统计所有K个轨道机动参数或者发射窗口待选时间点中的危险事件个数为D，则危险事件占比为D/K；

据此得到N个碰撞预警门限下分别对应的危险事件占比，形成门限与危险事件占比的曲线；

同时，记录n＝1时，即最大的碰撞预警门限(U_max+U₀)×(N_max+N₀)×(W_max+U₀)限下I个危险碰撞事件的时刻分别[t_s1,t_s2,…,t_sI]。

4.如权利要求2所述的航天器碰撞预警优化方法，其特征在于，所述S3具体为：

选择危险事件占比50％以内的最大碰撞预警门限作为BOX距离判据最大门限值

m为危险事件占比50％以内的最大碰撞预警门限对应序号。

5.如权利要求1、2或3所述的航天器碰撞预警优化方法，其特征在于，所述设置I+1个时间段分别对应的碰撞预警BOX距离判据，分别为：

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