CN114326795A - 一种基于星网信息的飞行器主动规避方法 - Google Patents

Abstract

针对被动飞行模式的飞行器，缺少有效的远程信息支持手段，在远程交战过程中，无法快速有效的对对方的探测和拦截行为实施有效规避问题，本发明采用了一种基于星网信息的飞行器主动规避方法，解决了飞行器面对日益增强的多层探测和拦截措施难以有效规避的问题，确保取得最佳的收益，增强或者提升飞行器面对复杂环境的反探测和反拦截的能力。

Description

一种基于星网信息的飞行器主动规避方法

技术领域

本发明涉及一种基于星网信息的飞行器主动规避方法，属于飞行器控制领域。

背景技术

复杂环境作战仿真中，飞行器提高自身目标识别的准确性与及时性，对飞行器评估威胁与避免拦截有重要的意义，也是在对抗仿真中取胜的关键。

飞行器一般采用被动飞行模式，即其飞行机动序列和飞行轨迹在发射前已经完成装订。这种模式缺少有效的远程信息支持手段，在远程交战过程中，无法快速有效的对复杂环境下的多层探测和拦截网实施有效规避。

大规模、高密度商业低轨星网系统，具有全时、全域态势感知和高速数传功能，采用多星协同探测跟踪模式，可实时获取交战双方的飞行轨迹信息，进而通过自身的星间通信链路发送给一方飞行器，支持其在拦截约束条件下开展在线飞行轨迹动态规划，从而实现规避另外一方的探测与拦截网。

发明内容

本发明的目的在于解决飞行器如何快速有效的规避复杂环境下被探测和拦截问题，提出了一种基于星网信息的飞行器主动规避方法，有效解决飞行器在全程飞行过程中“何时机动、如何机动”的关键问题，实现其面对威胁主动规避能力。

本发明所采用的技术方案是：本发明的基于星网信息的飞行器主动规避方法包括步骤如下：

Step 1:进行初始参数配置，包括选定星网的星座构型、给定传感器参数、按照给定的仿真步长设定相应的仿真时刻；

Step 2:利用星网对给定空域内的目标飞行器进行接力探测跟踪，将目标飞行器的实时探测数据传输至星网的星座调度模块，根据星网传感器调度准则计算下一跟踪周期所调用的星网中的卫星编号，令该卫星的跟踪型传感器指向给定空域，捕获目标，形成目标点数据集，并将目标点数据集信息发送至我方飞行器的飞行器控制系统；

Step2的具体方法如下：

Step 2.1：根据目标点数据集中各目标当前星网调度周期的剩余时间对下一星网调度周期的调度进行触发：

若给定空域中存在多个优先级不同的目标，则为各目标分配一个剩余时间阈值，记第j个目标的剩余时间阈值为t_j；对于高优先级目标，该阈值可分配得较大些；对于低优先级目标，该阈值可分配得较小些；

Step 2.2：根据目标点数据集，推算各目标的轨迹预报数据表集，轨迹预报数据表中存储的数据包括各目标的点位信息、速度信息；

Step2.3：在各个仿真时刻，对目标当前调度周期的剩余时间逐个进行检验，得到当前目标飞行的实时数据；

对目标当前调度周期的剩余时间逐个进行检测的具体方法为：

根据各目标的轨迹预报数据表，查取经过时间t_j后的轨迹数据，采用星座传感器调度准则，检验该目标是否满足可见性条件：

若某目标经过时间t_j后的位置能够满足可见性条件，则说明该目标当前调度周期的剩余时间大于t_j，则无需进行调度；否则，说明该目标当前调度周期的剩余时间小于t_j，需对该目标触发下一周期的调度：

在各个仿真时刻，对检测到剩余时间不足的目标进行下一周期的调度：

若同时出现多个待调度目标，则为高优先级目标进行优先调度，以便为其就近分配传感器、提高跟踪精度；

当同时存在高优先级目标和低优先级目标时，若两种目标的当前调度周期同时结束，则优先检测高优先级目标的剩余时间，若检测到高优先级目标的剩余时间不足，则优先为其分配传感器资源；

若低优先级目标当前调度周期比高优先级目标当前调度周期早结束1s～10s，则同样优先为高优先级目标分配传感器资源。

若在某个仿真时刻存在待调度目标，但此时不存在空闲的可见卫星，则对可见卫星进行筛选:若某些可见卫星正在跟踪优先级较低的目标，可令其中距离当前目标最近的卫星停止对低优先级目标的跟踪，转而跟踪当前目标；若可见卫星均正在跟踪更高优先级的目标，则暂时放弃对待调度目标的跟踪，将其轨迹预报数据发送至我方的飞行控制系统。

Step3：对星网探测得到的给定空域内的目标飞行器实时探测数据进行滤波，得到滤波数据，飞行器控制系统内部的轨迹预报模块在滤波数据的基础上，根据其内置的飞行轨迹动力学方程进行外推，给出未来各时刻的飞行器状态预测值以及误差分布特性，完成飞行轨迹预报和误差修正，根据修正后的轨迹更新自身飞行轨迹，进行主动规避。

星网传感器调度准则如下：

在卫星传感器调度和目标接力跟踪的过程中，必须遵守一定的准则。

首先，被调度的卫星所携带的跟踪型传感器满足对目标的可见性约束条件；将可见性约束记为准则Φ₁，则有

其中，R_s,i为第i个卫星的位置矢量；R_T为目标的位置矢量；R_E为地球半径；H为卫星的轨道高度；v_sun为太阳方位矢量；θ为预先设定的太阳矢量与星网星座中的卫星的跟踪型传感器指向矢量之间最小夹角；α为跟踪型传感器伺服机构的最大摆角；R_s为卫星的位置矢量；

其次，由于单颗卫星仅携带一个跟踪型传感器，所以各颗卫星在一个跟踪周期内只能对单个目标进行跟踪(暂时不考虑一个跟踪型传感器对多个彼此靠近的目标进行跟踪的情况)。为编号为i的卫星分配变量

当该卫星的跟踪型传感器处于工作状态时，记为

当该卫星的跟踪型传感器未处于工作状态时，记为

下一周期用于对目标进行接力跟踪的传感器，在当前时刻应当处于空闲状态，即

若当前时刻某卫星有

则该卫星不应当作为下一周期的调度对象。将传感器空闲准则记为Φ₂，则有

对于编号为i的卫星，在其跟踪型传感器开始工作时将

置为1；当目标消失或脱离该卫星的跟踪范围时，应将

置为0；对于处在跟踪状态下的卫星，可根据星历及轨迹预报数据判断其

将在何时因目标离开视野而被置为0。

最后，为了保证卫星调度的高效性和跟踪的准确性，调用距离目标较近的卫星。卫星距离目标越近，则传感器分辨率越高，跟踪精度也越高。将距离最近准则记为Φ₃，则有

Φ₃:i＝argmin||R_s,i-R_T|| (3)

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

针对被动飞行模式的飞行器，缺少有效的远程信息支持手段，在远程交战过程中，无法快速有效的对对方的探测和拦截行为实施有效规避问题，本发明采用了一种基于星网信息的飞行器主动规避方案，解决了飞行器面对日益增强的多层探测和拦截措施难以有效规避的问题，确保取得最佳的收益，增强或者提升飞行器面对复杂环境的反探测和反拦截的能力。

附图说明

图1为本发明实现过程示意图。

图2为跟踪型传感器工作原理示意图。

图3为太阳矢量与星网星座中的某卫星的跟踪型传感器指向矢量夹角示意图。

具体实施方式

为合理使用商业低成本低轨巨星座的探测资源，取得最佳的探测收益，本发明提出了一种利用低轨大规模星网的光学连续探测、识别及接力跟踪视频+动力学信息，实时转化成飞行轨迹测量信息，传送给飞行器控制系统。

同时在线预报对方拦截飞行器的动态轨迹信息，并反馈至我方飞行器，支撑我方飞行器进行自主规避可能的对方探测与拦截区域，实时修正自身飞行轨迹，实现主动规避。

利用大规模、高密度商业低轨星网系统探测传感器传送探测信息，星网实时检测不确定条件下飞行器机动飞行轨迹信息，提取星网星座上传感器的不确定信息，构建未知机动信息的变轨迹规划机制，实现飞行器面对日益增强的多层探测拦截的主动规避功能。

针对飞行器探测和反拦截的应用需求，将低轨大规模星网的光学连续探测、识别及接力跟踪视频+动力学信息实时转化成飞行轨迹测量信息，传送给飞行器控制系统。同时在线预报对方拦截飞行器的动态轨迹信息，并反馈至飞行器，支撑飞行器进行自主规避对方可能的拦截区域，实时自身修正飞行轨迹，实现主动规避。

本发明思路如下：

(1)星网卫星探测到飞行中的目标点，形成目标点数据集，进行处理分析后反馈回飞行器控制系统。

(2)飞行器控制系统对目标信息集更新。

(3)飞行器控制系统根据拦截区域情况，计算规避路径，建立飞行主动规避路径。

(4)进行下一周期卫星调度，更新新一轮探测、目标更新、飞行器规避路径。

具体地，如图1所示，本发明的基于星网信息的飞行器主动规避方法包括步骤如下：

Step 1:进行初始参数配置，包括选定星网的星座构型、给定传感器参数、按照给定的仿真步长设定相应的仿真时刻；

Step 2:利用星网对给定空域内的目标飞行器进行接力探测跟踪，将目标飞行器的实时探测数据传输至星网的星座调度模块，根据星网传感器调度准则计算下一跟踪周期所调用的星网中的卫星编号，令该卫星的跟踪型传感器指向给定空域，捕获目标，形成目标点数据集，并将目标点数据集信息发送至我方飞行器的飞行器控制系统；

Step2的具体流程如下所述：

Step 2.1：根据目标点数据集中各目标当前星网调度周期的剩余时间对下一星网调度周期的调度进行触发：

若给定空域中存在多个优先级不同的目标，则为各目标分配一个剩余时间阈值，记第j个目标的剩余时间阈值为t_j；对于高优先级目标，该阈值可分配得较大些；对于低优先级目标，该阈值可分配得较小些；

Step 2.2：根据目标点数据集，推算各目标的轨迹预报数据表集，轨迹预报数据表中存储的数据包括各目标的点位信息、速度信息；

Step2.3：在各个仿真时刻，对目标当前调度周期的剩余时间逐个进行检验，得到当前目标飞行的实时数据；

检测的具体方法为：

根据各目标的轨迹预报数据表，查取经过时间t_j后的轨迹数据，采用星座传感器调度准则，检验该目标是否满足可见性条件：

若某目标经过时间t_j后的位置能够满足可见性条件，则说明该目标当前调度周期的剩余时间大于t_j，则无需进行调度；否则，说明该目标当前调度周期的剩余时间小于t_j，需对该目标触发下一周期的调度：

在各个仿真时刻，对检测到剩余时间不足的目标进行下一周期的调度：

若同时出现多个待调度目标，则为高优先级目标进行优先调度，以便为其就近分配传感器、提高跟踪精度；

当同时存在高优先级目标和低优先级目标时，若两种目标的当前调度周期同时结束，则优先检测高优先级目标的剩余时间，若检测到高优先级目标的剩余时间不足，则优先为其分配传感器资源；

若低优先级目标当前调度周期比高优先级目标当前调度周期早结束1s～10s，则同样优先为高优先级目标分配传感器资源。

若在某个仿真时刻存在待调度目标，但此时不存在空闲的可见卫星，则对可见卫星进行筛选:若某些可见卫星正在跟踪优先级较低的目标，可令其中距离当前目标最近的卫星停止对低优先级目标的跟踪，转而跟踪当前目标；若可见卫星均正在跟踪更高优先级的目标，则暂时放弃对待调度目标的跟踪，将其轨迹预报数据发送至我方的飞行控制系统。

Step3：对星网探测得到的给定空域内的目标飞行器实时探测数据进行滤波，得到滤波数据，飞行器控制系统内部的轨迹预报模块在滤波数据的基础上，根据其内置的飞行轨迹动力学方程进行外推，给出未来各时刻的飞行器状态预测值以及误差分布特性，完成飞行轨迹预报和误差修正，根据修正后的轨迹更新自身飞行轨迹，进行主动规避。

星网传感器调度准则(接力跟踪)如下：

在卫星传感器调度和目标接力跟踪的过程中，必须遵守一定的准则。

首先，被调度的卫星所携带的跟踪型传感器满足对目标的可见性约束条件；将可见性约束记为准则Φ₁，则有

式中，R_s,i表示第i个卫星的位置矢量。

下标T代表目标，R_T表示目标的位置矢量。

R_E表示地球半径。

H表示卫星的轨道高度。

v_sun表示太阳方位矢量，在给定的历元，v_sun是已知的。

θ表示预先设定的太阳矢量与星网星座中的某卫星的跟踪型传感器指向矢量之间最小夹角。

α表示跟踪型传感器伺服机构的最大摆角。

R_s表示卫星的位置矢量。

角标i表示卫星在星座中的编号。

跟踪型传感器几何关系如下图2和图3。S代表卫星，O是地球圆心，r_s为星座的卫星跟踪型传感器的视线轴指向。

为跟踪型传感器视线轴与飞行器位置矢量的夹角。

其次，由于单颗卫星仅携带一个跟踪型传感器，所以各颗卫星在一个跟踪周期内只能对单个目标进行跟踪(暂时不考虑一个跟踪型传感器对多个彼此靠近的目标进行跟踪的情况)。为编号为i的卫星分配变量

当该卫星的跟踪型传感器处于工作状态时，记为

当该卫星的跟踪型传感器未处于工作状态时，记为

下一周期用于对目标进行接力跟踪的传感器，在当前时刻应当处于空闲状态，即

若当前时刻某卫星有

则该卫星不应当作为下一周期的调度对象。将传感器空闲准则记为Φ₂，则有

对于编号为i的卫星，在其跟踪型传感器开始工作时将

置为1；当目标消失或脱离该卫星的跟踪范围时，应将

置为0；对于处在跟踪状态下的卫星，可根据星历及轨迹预报数据判断其

将在何时因目标离开视野而被置为0。

最后，为了保证卫星调度的高效性和跟踪的准确性，调用距离目标较近的卫星。卫星距离目标越近，则传感器分辨率越高，跟踪精度也越高。将距离最近准则记为Φ₃，则有

Φ₃:i＝argmin||R_s,i-R_T|| (3)

argmin表示求最小值。

根据上述三个准则，能够唯一确定下个时段内对某个特定目标进行跟踪的接力星。基于这些准则，可以对星网的卫星的调度和接力方案进行详细设计。

本发明可以应用于复杂环境下的体系交战仿真系统，星网细粒度模拟系统构成异构分布式传感器网络，星网模拟系统分别部署于不同试验地点，通过分布式网络进行互联，分布式的多个低轨卫星系统所采集的信息通过复杂环境下的体系仿真系统中间件进行底层数据流交互。

复杂环境下体系交互仿真过程中，多颗低轨卫星探测目标的位置、飞行速度、角度等信息参数，需要满足多颗低轨卫星之间的信息实时融合要求，得到目标飞行中的轨迹及落点的预报信息，从而进行主动规避飞行。

本发明对对方目标本身性质进行评定形成威胁序列，依据评估结果确定拦截次序，根据威胁序列中威胁值高低，调度卫星优先对威胁值高的飞行器目标进行跟踪、识别和轨迹预报。

本发明对所采集的探测信息进行冗余和互补信息融合，更大程度的收集和处理目标和环境信息，提高了复杂环境下目标识别的准确性和可靠性。对后续势态评估、威胁估计与拦截策略制定有重要的意义,极大地提高了交战仿真中获胜的概率。

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。

Claims (5)

1.一种基于星网信息的飞行器主动规避方法，其特征在于，包括步骤如下：

S1:进行初始参数配置，包括选定星网的星座构型、给定传感器参数、按照给定的步长设定相应的仿真时刻；

S2:利用星网对给定空域内的目标飞行器进行接力探测跟踪，将目标飞行器的实时探测数据传输至星网的星座调度模块，根据星网传感器调度准则计算下一跟踪周期所调用的星网中的卫星编号，令该卫星的跟踪型传感器指向给定空域，捕获目标，形成目标点数据集，并将目标点数据集信息发送至我方飞行器的飞行器控制系统；

S3：对星网探测得到的给定空域内的目标飞行器实时探测数据进行滤波，得到滤波数据；飞行器控制系统的轨迹预报模块根据滤波数据和内置的飞行轨迹动力学方程进行推导，给出未来各时刻的飞行器状态预测值以及误差分布特性，完成对我方飞行器的飞行轨迹预报和误差修正，根据修正后的轨迹更新自身飞行轨迹，进行主动规避。

2.根据权利要求1所述的一种基于星网信息的飞行器主动规避方法，其特征在于，S2的具体步骤如下：

S2.1：根据目标点数据集中各目标当前星网调度周期的剩余时间对下一星网调度周期的调度进行触发：

若给定空域中存在若干个优先级不同的目标，则为各目标分配一个剩余时间阈值，记第j个目标的剩余时间阈值为t_j；高优先级目标的阈值大于低优先级目标的阈值；

S2.2：根据目标点数据集，推算各目标的轨迹预报数据表集，轨迹预报数据表中存储的数据包括各目标的点位信息、速度信息；

S2.3：在各个仿真时刻，对目标当前调度周期的剩余时间逐个进行检验，得到当前目标飞行的实时数据。

3.根据权利要求2所述的一种基于星网信息的飞行器主动规避方法，其特征在于，对目标当前调度周期的剩余时间逐个进行检测的具体方法为：

根据各目标的轨迹预报数据表，查取经过时间t_j后的轨迹数据，采用星座传感器调度准则，检验该目标是否满足可见性条件：

若某目标经过时间t_j后的位置能够满足可见性条件，则说明该目标当前调度周期的剩余时间大于t_j，则无需进行调度；否则，说明该目标当前调度周期的剩余时间小于t_j，需对该目标触发下一周期的调度。

4.根据权利要求3所述的一种基于星网信息的飞行器主动规避方法，其特征在于，在各个仿真时刻，对检测到剩余时间小于t_j的目标进行下一周期的调度的具体方法如下：

若同时出现若干个待调度目标，则为高优先级目标进行优先调度；

当同时存在高优先级目标和低优先级目标时，若两种目标的当前调度周期同时结束，则优先检测高优先级目标的剩余时间，若检测到高优先级目标的剩余时间不足，则优先为其分配传感器资源；

若低优先级目标当前调度周期比高优先级目标当前调度周期早结束1s～10s，则优先为高优先级目标分配传感器资源；

若在某个仿真时刻存在待调度目标，但此时不存在空闲的可见卫星，则对可见卫星进行筛选：

若某些可见卫星正在跟踪优先级较低的目标，则令其中距离当前目标最近的卫星停止对低优先级目标的跟踪，转而跟踪当前目标；若可见卫星均正在跟踪更高优先级的目标，则暂时放弃对待调度目标的跟踪，将其轨迹预报数据发送至我方的飞行控制系统。

5.根据权利要求4所述的一种基于星网信息的飞行器主动规避方法，其特征在于，星网传感器调度准则包括可见性约束准则Φ₁、传感器空闲准则Φ₂、距离最近准则Φ₃，具体如下：

被调度的卫星所携带的跟踪型传感器满足对目标的可见性约束条件，将可见性约束记为准则Φ₁，则有

Φ₁:

其中，R_s,i为第i个卫星的位置矢量；R_T为目标的位置矢量；R_E为地球半径；H为卫星的轨道高度；v_sun为太阳方位矢量；θ为预先设定的太阳矢量与星网星座中的卫星的跟踪型传感器指向矢量之间最小夹角；α为跟踪型传感器伺服机构的最大摆角；R_s为卫星的位置矢量；

单颗卫星携带一个跟踪型传感器，各颗卫星在一个跟踪周期内只能对单个目标进行跟踪；为编号为i的卫星分配变量

当该卫星的跟踪型传感器处于工作状态时，记为

当该卫星的跟踪型传感器未处于工作状态时，记为

下一周期用于对目标进行接力跟踪的传感器，在当前时刻应当处于空闲状态，

若当前时刻某卫星有

则该卫星不应当作为下一周期的调度对象；将传感器空闲准则记为Φ₂，则有Φ₂:

对于编号为i的卫星，在其跟踪型传感器开始工作时将

置为1；当目标消失或脱离该卫星的跟踪范围时，将

置为0；对于处在跟踪状态下的卫星，根据星历及轨迹预报数据判断其

将在何时因目标离开视野而被置为0；

调用距离目标较近的卫星，将距离最近准则记为Φ₃，则有

Φ₃:i＝argmin||R_s,i-R_T||。

Images