CN115273566B - 一种高轨卫星群区域防护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高轨卫星群区域防护系统及方法，由若干个地面测控站和若干个天基防护卫星共同构成，在平时阶段，防护卫星按照自然或受控的方式围绕高轨卫星进行巡视绕飞；在威胁目标出现的时候，地面测控站通过全局态势感知，确定威胁目标及其运动趋势，引导位于轨道上的防护卫星进行变轨机动，抵近威胁目标开展近程博弈，通过多种手段完成对威胁目标的主动驱逐、拦截及清除。通过地基测控的辅助，多颗天基防护卫星可实现对多个高轨卫星的协同防护；由于防护卫星的数量是多个，因而任何单个防护卫星的故障或任务失败，可由其他防护卫星补充完成，使整个系统具有较高的鲁棒性和可靠性。

Description

一种高轨卫星群区域防护系统及方法

技术领域

本发明属于航天器系统设计技术领域，具体涉及一种高轨卫星群区域防护系统及方法。

背景技术

地球静止轨道简称高轨或GEO轨道是高度约为35790千米的绕地球的圆形轨道。由于位于GEO轨道上的卫星相对地球静止，可实现对地24小时持续可见，因此GEO轨道是对地通信、导航、成像的绝佳轨道，具有重要的战略价值。世界各航天大国均在GEO轨道上部署了大量卫星，为其国民经济或军事服务。由于GEO轨道在理论上仅存在一条，即使考虑误差和摄动，将GEO理论轨道附近区域也确定为GEO轨道范围，能够部署在这个区域的卫星数量也是极其有限的，按照一度间隔放置一个卫星来计算其理论最大容量为360颗。因此世界各航天大国部署在GEO轨道(带)上的卫星均为高价值卫星，即卫星重量较大、卫星功能先进、卫星价格高昂(通常为数亿美元)。由于高轨轨位能够部署卫星的位置非常稀缺，高轨卫星价值巨大，因此保护高轨卫星正常运行就成为各主权国高度重视的事情。

然而，现有高轨卫星运行过程中，面临空间碎片、故障航天器以及其他潜在威胁目标的干扰、威胁或侵害。例如，空间碎片和故障航天器长期处于无控或失控状态，极容易导致对高轨卫星的潜在碰撞，造成重大事故。而其他威胁目标，具有主动接近、蓄意侦察和故意干扰高轨卫星的能力，对高轨卫星正常运行和信息、资产保护等带来潜在威胁。现有的高轨卫星不具有主动探测和规避干扰、威胁或侵害的能力。因此发展相应的威胁目标探测与主动防御技术就变得极为紧迫和必要。尽管已有技术提出了空间追逃、追逃防等博弈控制理论，可以为简单场景下的空间威胁规避提供一定的支持。然而，现有方法仅针对单个受保护卫星开展相关研究，无法解决包含多个受保护卫星的卫星群防护问题。另一方面，高轨卫星防护问题存在极为特殊的动力学及任务约束：即高轨卫星自身不能脱离任务轨道进行威胁探测与规避，其防护问题必须依赖其他独立实体进行解决；此外，高轨卫星防护还面临防护区域范围大、威胁对象出现方向不确定等实际挑战，这导致任意单个防护卫星无法通过有限的自主探测和机动完成大范围、多方向、多个体防护任务。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高轨卫星群区域防护系统及方法，能够实现对高轨卫星群区域的大范围、多方向、多个体的防护。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高轨卫星群区域防护方法，包括以下步骤：

S1：根据待防护的高轨卫星数量、位置分布及安全距离确定防护区域；

S2：根据防护区域及防护卫星能力确定防护卫星的数量，并发射防护卫星入轨；

S3：根据防护区域及地面监控站分布情况选定用于防护任务的地面监控站；

S4：在平时巡视模式下，地面监控站对高轨区域进行全局态势感知；

S5：在平时巡视模式下，防护卫星围绕防护区域进行循环绕飞；

S6：当地面监控站发现威胁目标后，进入应急防护模式，引导防护卫星开展远程机动；

S7：在远程机动结束后，防护卫星独立或协同开展近程博弈，确保高轨卫星运行安全；

S8：近程博弈结束后，防护卫星重新返回循环绕飞轨道，系统恢复平时巡视模式。

进一步，所述步骤S1中确定防护区域基于高轨卫星群在轨道上分布的位置，以及基于高轨卫星群安全阈值和防护任务觉得的宽度和高度共同决定。

进一步，所述步骤S4中全局态势感知基于地面监控站通过光学和雷达手段检测高轨防护区域及周边范围的空间对象，并确定其轨道根数及预测运行轨迹，将运行轨迹与高轨卫星群中的一个或多个具有小于一定安全阈值的空间对象作为威胁目标。

进一步，所述通过光学和雷达手段检测采用基于光学成像方法和雷达测距方法确定高轨卫星位置。

进一步，所述确定其轨道根数及预测运行轨迹采用轨道动力学理论中位置速度坐标与轨道根数的转换关系得到。

进一步，所述步骤S5循环绕飞通过自然或受控方式使防护卫星在高轨卫星群周围一定范围内周期性地往复运动，实现安全巡视目的。

进一步，所述步骤S6中防护卫星远程机动通过机动变轨离开所在的循环绕飞轨道，抵近威胁目标；

所述防护卫星抵近威胁目标的距离基于碰撞规避的安全需求和防护卫星的威胁检测传感器工作范围确定。

进一步，所述步骤S7中防护卫星的近程博弈基于微分对策或强化学习通过脉冲或连续推力完成轨道驱逐、拦截及清除。

一种高轨卫星群区域防护系统，包括：

多个地面监控站和防护卫星；

地面监控站与防护卫星和高轨卫星群无线连接，所述地面监控站用于对高轨目标进行态势感知和威胁目标确定，并控制防护卫星对高轨目标进行驱逐、拦截或清除；

所述多个防护卫星用于对高轨卫星群进行区域巡视和机动防护。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种高轨卫星群区域防护系统及方法，根据待防护的高轨卫星数量、位置分布及安全距离确定防护区域；根据防护区域及防护卫星能力确定防护卫星的数量，并发射防护卫星入轨；根据防护区域及地面监控站分布情况选定用于防护任务的地面监控站；在平时巡视模式下，地面监控站对高轨区域进行全局态势感知；在平时巡视模式下，防护卫星围绕防护区域进行循环绕飞；当地面监控站发现威胁目标后，进入应急防护模式，引导防护卫星开展远程机动；在远程机动结束后，防护卫星独立或协同开展近程博弈，确保高轨卫星运行安全；近程博弈结束后，防护卫星重新返回循环绕飞轨道，系统恢复平时巡视模式；本申请能够同时发挥地面测控范围大、威胁预警响应块和星上自主探测精度高、威胁应对反应快的优势，通过天地协同提升防护效率；能够对较大范围内的多个待防护卫星同时实施防护，且多个防护卫星之间还可以通过协同实现定点聚集和区域增强，从而有效提升防护能力；且任意单个防护卫星的失效均可通过系统中其他防护卫星的递补而避免整体任务失败，使得防护系统具有较高的鲁棒能力；从而满足了防护系统长期存在与应急高效工作的双重任务需求。

附图说明

图1为本发明具体实施例中一种高轨卫星群区域防护系统示意图；

图2为本发明具体实施例中防护区域正面参数化示意图；

图3为本发明具体实施例中防护区域侧面参数化示意图；

图4为本发明具体实施例中一种高轨卫星群区域防护方法示意图；

图5为本发明具体实施例中防护卫星驱逐形式的近程博弈；

图6为本发明具体实施例中防护卫星拦截形式的近程博弈；

图7为本发明具体实施例中防护卫星清除形式的近程博弈。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提供一种高轨卫星群区域防护方法，如图4所示，包括以下步骤：

S1：根据待防护的高轨卫星数量、位置分布及安全距离确定防护区域；

S2：根据防护区域及防护卫星能力确定防护卫星的数量，并发射防护卫星入轨；

S3：根据防护区域及地面监控站分布情况选定用于防护任务的地面监控站；

S4：在平时巡视模式下，地面监控站对高轨区域进行全局态势感知；

S5：在平时巡视模式下，防护卫星围绕防护区域进行循环绕飞；

S6：当地面监控站发现威胁目标后，进入应急防护模式，引导防护卫星开展远程机动；

S7：在远程机动结束后，防护卫星独立或协同开展近程博弈，确保高轨卫星运行安全；

S8：近程博弈结束后，防护卫星重新返回循环绕飞轨道，系统恢复平时巡视模式。

优选的，所述步骤S1中确定防护区域基于高轨卫星群在轨道上分布的位置，以及基于高轨卫星群安全阈值和防护任务要求的宽度和高度共同决定；

具体的，所述的防护区域是一个长方体，其长度为ΔL、高度为Δh、宽度为Δg，其中心在地球惯性坐标系下的位置坐标为(x_c,y_c,z_c)；其中长度ΔL由高轨卫星群在轨道上分布的位置决定，高度Δh和宽度Δg均由安全阈值确定，安全阈值与防护任务的要求有关。本领域技术人员基于高轨卫星群的运行轨迹、高轨卫星群的活动范围阈值、以及高轨卫星群的排布形状和数量进行确定。由于高轨卫星群是空间分布，因而需要对其进行空间分布计算，如图2和图3所示。Δg的另一种等效表示方式为轨道面夹角Δγ，两者之间的关系为：Δg≈h·Δγ，其中h为GEO轨道到地心的距离。高轨卫星群在地球惯性坐标系下的位置坐标可以简单描述为(x_i、y_i、z_i)，其中i＝1,2,…，N，这里N为高轨卫星数量；其等价的轨道根数为(a,e,i,Ω,ω，M_i)，其中：a为轨道半长轴、e为偏心率、i为轨道倾角、Ω为升交点赤经、ω为纬度幅角，M_i为第i颗高轨卫星的初始平近点角。因为高轨卫星群在同一条轨道(即地球静止轨道)上分布，因此这里的轨道根数仅平近点角不同，其余5个轨道参数均相同。且这5个轨道根数均有具体取值：其中a＝Re+h,Re为地球半径，即6378.137km，h为地球静止轨道高度，即36000km；e＝0；i＝0；Ω和ω在地球静止轨道的情况下一般合并为一个参数：u＝Ω+ω，并定义其为0。而M_i的值是和卫星具体位置坐标一一对应的，本领域技术人员可通过轨道动力学理论计算确定，长方体的长度可通过如下公式计算：ΔL＝a·(max(M_i)-min(M_i))，长方体中心可通过如下公式计算：

优选的，所述步骤S4中全局态势感知基于地面监控站通过光学和雷达手段检测高轨防护区域及周边范围的空间对象，并确定其轨道根数及预测运行轨迹，将运行轨迹与高轨卫星群中的一个或多个具有小于一定安全阈值的空间对象作为威胁目标；

进一步的，所述全局态势感知基于多个地面监控站协同感知，地面监控站对进入防护区域周边的威胁目标进行锁定，并与其他地面监控站建立信息共享，同时，辅助引导防护卫星通过远程机动，靠近威胁目标；多个地面监控站协同感知能够提高威胁目标的锁定效率和识别精度；

具体的，如图4所示，威胁目标的实线轨迹是地面站测控到的弧段，由此进行目标定轨，获得目标未来轨迹为图中虚线，当测控轨迹或未来轨迹进入防护区域内部时，则该目标被作为威胁目标，

进一步的，所述通过光学和雷达手段检测采用基于光学成像方法和雷达测距方法确定高轨卫星位置；具体的，光学成像方法测量得到高轨卫星方位角雷达测距方法得到高轨卫星距离d，并进而确定出高轨卫星位置：

进一步的，所述确定其轨道根数及预测运行轨迹采用轨道动力学理论中位置速度坐标与轨道根数的转换关系，本领域技术人员基于此理论便可实现。

优选的，所述步骤S5循环绕飞通过自然或受控方式使防护卫星在高轨卫星群周围一定范围内周期性地往复运动，实现安全巡视目的。

所述的自然或受控方式需要补充具体的内容，进而实现循环绕飞

所述自然循环绕飞，是指通过轨道动力学理论中的Clohessy-Wiltshire方程给出的周期相对运动机理构建出轨道初始状态，使得防护卫星通过进入该轨道初始状态，从而围绕着高轨卫星形成圆或椭圆形的相对绕飞轨道，并沿该相对绕飞轨道持续匀速运动。

所述受控循环绕飞，是指持续施加脉冲或连续推力，使得防护卫星以非开普勒轨道运动方式实现围绕高轨卫星的任意形状相对绕飞轨道，并沿该相对绕飞轨道持续非匀速运动。

优选的，所述步骤S6中防护卫星远程机动通过机动变轨离开所在的循环绕飞轨道，抵近威胁目标；

所述防护卫星抵近威胁目标的距离可根据碰撞规避的安全需求和防护卫星的威胁检测传感器工作范围共同决定；其中碰撞规避的安全需求，一般由卫星机动控制的精度和星间测距精度决定，可根据具体卫星型号和平台能力由地面用户人员设计和确定；威胁检测传感器一般包括光学相机、激光雷达等，其工作范围由具体型号参数确定。远程机动的变轨控制方式采用经典Lambert算法实现，具体应用时需通过抵近威胁目标的距离和方位计算出机动变轨的期望末端位置。其中，抵近威胁目标的方位由当地太阳方向角确定，一般应为顺光±90°范围之内。根据抵近距离和方位计算末端期望位置是一个简单的几何问题，本领域技术人员可通过基本数学原理计算得到。

优选的，所述步骤S7中防护卫星的近程博弈基于微分对策或强化学习通过脉冲或连续推力完成轨道驱逐、拦截及清除。

具体的，防护卫星的对威胁卫星包括驱逐、拦截和清除，如图5、图6和图7所示，所述轨道驱逐，是在观测到威胁卫星具有主动躲避防护卫星的情况下实施的；此时可通过防护卫星沿高轨卫星与威胁卫星的连线方向主动接近威胁卫星从而实现威胁卫星不断远离高轨卫星的驱逐目的。

所述轨道拦截，是在观测到威胁卫星具有主动将自身与防护卫星之间的距离保持在一定安全阈值之上的情况下实施的；此时可通过防护卫星机动至高轨卫星与威胁卫星的连线并靠近威胁卫星的任意安全距离上，实现对威胁卫星的拦截目的。

所述轨道清除，是在观测到威胁卫星无视防护卫星的存在而持续接近高轨卫星的情况下实施的；此时可通过防护卫星直接机动到与威胁卫星碰撞为止，从而实现对威胁卫星的清除。

本发明提供一种高轨卫星群区域防护系统，如图1所示，包括：

多个地面监控站和防护卫星；

地面监控站与防护卫星和高轨卫星群无线连接，所述地面监控站用于对高轨目标进行态势感知和威胁目标确定，并控制防护卫星对高轨目标进行驱逐、拦截或清除；

所述多个防护卫星用于对高轨卫星群进行区域巡视和机动防护。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种高轨卫星群区域防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据待防护的高轨卫星数量、位置分布及安全距离确定防护区域；

S2：根据防护区域及防护卫星能力确定防护卫星的数量，并发射防护卫星入轨；

S3：根据防护区域及地面监控站分布情况选定用于防护任务的地面监控站；

S4：在平时巡视模式下，地面监控站对高轨区域进行全局态势感知；

S5：在平时巡视模式下，防护卫星围绕防护区域进行循环绕飞；

S6：当地面监控站发现威胁目标后，进入应急防护模式，引导防护卫星开展远程机动；

S7：在远程机动结束后，防护卫星独立或协同开展近程博弈，确保高轨卫星运行安全；

S8：近程博弈结束后，防护卫星重新返回循环绕飞轨道，系统恢复平时巡视模式；

所述步骤S1中确定防护区域基于高轨卫星群在轨道上分布的位置，以及基于高轨卫星群安全阈值和防护任务觉得的宽度和高度共同决定；

所述的防护区域是一个长方体，其长度为ΔL、高度为Δh、宽度为Δg，其中心在地球惯性坐标系下的位置坐标为(x_c,y_c,z_c)；其中长度ΔL由高轨卫星群在轨道上分布的位置决定，高度Δh和宽度Δg均由安全阈值确定，安全阈值与防护任务的要求有关，基于高轨卫星群的运行轨迹、高轨卫星群的活动范围阈值、以及高轨卫星群的排布形状和数量进行确定；

由于高轨卫星群是空间分布，对其进行空间分布计算，Δg的另一种等效表示方式为轨道面夹角Δγ，两者之间的关系为：Δg≈h·Δγ，其中h为GEO轨道到地心的距离；

高轨卫星群在地球惯性坐标系下的位置坐标简单描述为(x_i、y_i、z_i)，其中i＝1,2,…，N，这里N为高轨卫星数量；其等价的轨道根数为(a,e,i,Ω,ω，M_i)，其中：a为轨道半长轴、e为偏心率、i为轨道倾角、Ω为升交点赤经、ω为纬度幅角，M_i为第i颗高轨卫星的初始平近点角；

高轨卫星群在同一条轨道上分布，轨道根数仅平近点角不同，其余5个轨道参数均相同，且这5个轨道根数均有具体取值：其中a＝Re+h,Re为地球半径，即6378.137km，h为地球静止轨道高度，即36000km；e＝0；i＝0；Ω和ω在地球静止轨道的情况下一般合并为一个参数：u＝Ω+ω，并定义其为0；而M_i的值是和卫星具体位置坐标一一对应的，通过轨道动力学理论计算确定，长方体的长度可通过如下公式计算：ΔL＝a·(max(M_i)-min(M_i))，长方体中心可通过如下公式计算：

2.根据权利要求1所述一种高轨卫星群区域防护方法，其特征在于，所述步骤S4中全局态势感知基于地面监控站通过光学和雷达手段检测高轨防护区域及周边范围的空间对象，并确定其轨道根数及预测运行轨迹，将运行轨迹与高轨卫星群中的一个或多个具有小于一定安全阈值的空间对象作为威胁目标。

3.根据权利要求2所述一种高轨卫星群区域防护方法，其特征在于，所述通过光学和雷达手段检测采用基于光学成像方法和雷达测距方法确定高轨卫星位置。

4.根据权利要求2所述一种高轨卫星群区域防护方法，其特征在于，所述确定其轨道根数及预测运行轨迹采用轨道动力学理论中位置速度坐标与轨道根数的转换关系得到。

5.根据权利要求1所述一种高轨卫星群区域防护方法，其特征在于，所述步骤S5循环绕飞通过自然或受控方式使防护卫星在高轨卫星群周围一定范围内周期性地往复运动，实现安全巡视目的。

6.根据权利要求1所述一种高轨卫星群区域防护方法，其特征在于，所述步骤S6中防护卫星远程机动通过机动变轨离开所在的循环绕飞轨道，抵近威胁目标；

所述防护卫星抵近威胁目标的距离基于碰撞规避的安全需求和防护卫星的威胁检测传感器工作范围确定。

7.根据权利要求1所述一种高轨卫星群区域防护方法，其特征在于，所述步骤S7中防护卫星的近程博弈基于微分对策或强化学习通过脉冲或连续推力完成轨道驱逐、拦截及清除。

8.一种高轨卫星群区域防护系统，其特征在于，基于权利要求1-7所述任一项一种高轨卫星群区域防护方法，包括：

多个地面监控站和防护卫星；

地面监控站与防护卫星和高轨卫星群无线连接，所述地面监控站用于对高轨目标进行态势感知和威胁目标确定，并控制防护卫星对高轨目标进行驱逐、拦截或清除；

所述多个防护卫星用于对高轨卫星群进行区域巡视和机动防护。