CN115394126B - 一种空间目标的碰撞预警方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种空间目标的碰撞预警方法及装置，涉及空间目标管理技术领域，所述方法包括：基于每个空间目标的初始运动状态，利用空间目标间的相对运动方程，得到各空间目标相互接近过程中的相对运动状态；利用预先建立的碰撞模型，得到各空间目标相互接近过程中的最大碰撞概率；判断最大碰撞概率是否大于预设的第一阈值，若为是，则计算各空间目标相遇时碰撞概率；判断相遇时碰撞概率是否大于预设的第二阈值，若为是，则发出碰撞预警信息。

Description

一种空间目标的碰撞预警方法及装置

技术领域

本申请涉及空间目标管理技术领域，尤其是涉及一种空间目标的碰撞预警方法及装置。

背景技术

现有航天技术的快速发展，世界各国的航天发射任务日益增多，航天发射任务造成的空间目标呈几何级增长，包括在轨航天器、火箭残骸、航天器碎片等太空目标。空间碎片的增多对在轨运行的航天器的安全状态产生了很大影响。对空间目标间的碰撞预警显得尤为重要。

目前，空间目标碰撞预警多采用计算碰撞概率来进行预报，但是此种方式的预警精度不足以达到现在的空间目标碰撞预警的需求。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种空间目标的碰撞预警方法及装置，以解决上述技术问题，提高了空间目标碰撞预警精度。

第一方面，本申请实施例提供了一种空间目标的碰撞预警方法，包括：

基于每个空间目标的初始运动状态，利用航天器间的相对运动方程，得到各空间目标相互接近过程中的相对运动状态；

利用预先建立的碰撞模型，得到各空间目标相互接近过程中的最大碰撞概率；

判断最大碰撞概率是否大于预设的第一阈值，若为是，则计算各空间目标相遇时碰撞概率；

判断碰撞概率是否大于预设的第二阈值，若为是，则发出碰撞预警信息。

第二方面，本申请实施例提供了一种空间目标的碰撞预警装置，包括：

第一计算单元，用于基于每个空间目标的初始运动状态，利用空间目标间的相对运动方程，得到各空间目标相互接近过程中的相对运动状态；

第二计算单元，用于利用预先建立的碰撞模型，计算得到各空间目标相互接近过程中的最大碰撞概率；

第一判断单元，用于判断最大碰撞概率是否大于预设的第一阈值，若为是，则计算各空间目标相遇时碰撞概率；

第二判断单元，用于判断相遇时碰撞概率是否大于预设的第二阈值，若为是，则发出碰撞预警信息。

第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本申请实施例的空间目标的碰撞预警方法。

第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现本申请实施例的空间目标的碰撞预警方法。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的空间目标的碰撞预警方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的空间坐标系示意图；

图3为本申请实施例提供的空间目标的碰撞预警装置的功能结构图；

图4为本申请实施例提供的电子设备的结构图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

首先对本申请实施例的设计思想进行简单介绍。

碰撞预警是对于航天器在运行过程中可能发生的航天器跟航天器间以及航天器跟其他空间目标间可能发生的碰撞事件进行提前的预报工作，考虑到航天器的位置速度等状态信息，观测误差，模型误差信息等。在此基础上，基于目标间的碰撞预警分析实际上就是对危险的判定。

根据研究认定，当两个空间目标在相遇期间的碰撞概率小于设定的安全阈值时，则判定为目标间是相对安全状态；如果两个空间目标在相遇过程中的碰撞概率超过的设定的安全阈值时，则需要进一步判断其发生的碰撞概率，对于其发生的碰撞信息进行预警预报操作并进行紧急避险。必要时可进行实时机动规避操作。

在空间目标进行接近过程中，可以通过构建的碰撞概率公式，进行分析计算得出每一瞬时空间目标间所对应的碰撞概率值。在进行碰撞预警决策时，需要经过进一步的判断来筛选出最大的碰撞概率值，并与预警阈值进行比较。在考虑碰撞概率时，既要考虑空间目标间相对位置的期望值，还要考虑空间目标的分布情况。通过统计分析航天器上载荷的测量系统数据，得到空间目标间的相对状态信息。从而计算分析得出协方差矩阵。根据不同算法进行求解，根据计算求解结果，得到最大碰撞概率，将结果与预先设定的预警阈值进行比对，根据比对结果进行不同判断处置。

目前空间目标的碰撞预警大多数采用两行轨道根数即TLE进行计算目标的误差协方差矩阵，由此来预报空间目标间的碰撞概率。根据计算所得的目标通量值获得目标的残余风险率，再根据目标的碰撞概率阈值关于机动率和残余风险率的离散关系图，通过选取一组合适的机动率和残余率的值，便可以利用一一对应关系来确定目标的碰撞概率阈值。此方案未考虑空间事件等摄动因素对于空间目标位置的影响以及地面设备根据遥测数据计算得出空间目标的相对运动信息以及航天器机动能力对碰撞的规避性等问题。

为解决上述技术问题，本申请针对空间目标的碰撞概率以及碰撞预警问题，基于时间筛选算法，综合精密数值预报模型以及SGP4预报模型，从空间目标间的非线性运动为出发点，提供了一种空间目标的碰撞预警方法。该方法考虑轨道计算模型，空间摄动因素、扰动因素对空间目标以及航天器的影响，以及空间目标初始相对状态以及误差等因素，从而得出高精度的、实时性的空间目标间碰撞预警信息。

一、轨道预报模型

基于SGP4预报模型，SGP4采用的两行轨道根数进行计算，但是本申请是在SGP4预报模型的基础上，加入时间筛选，初始化状态设定，航天器机动能力设定等因素，比SGP4预报模型精度以及灵活度更高。

二、基于协方差的误差分析

合理的误差分析可以大大提高碰撞预警的精度，其中经过优化的协方差误差分析，可以加入相对运动状态动力学知识进行误差校准，通过深度学习方式，将实现智能样本训练，优化分析算法。

三、综合碰撞预警模型

采用运行碰撞概率计算以及瞬时碰撞概率计算模型，可对碰撞概率进行分别求解，并根据调度模型对计算结果进行快速判断，简化计算流程，提高计算效率，快读对碰撞阈值超限的计算结果进行预报操作。

预警时间筛选策略的优选，对于摄动因素之外的几何筛选中科降低错误筛选几率，在空间目标相对运动较远时，也可以得到相对来说准确的危险时间区间。

改进后的SGP4模型，可根据精密轨道根数或者TLE数据来进行外推操作，并且可综合所有的误差数据来计算特定的协方差矩阵，提高预报准确性。

在介绍了本申请实施例的应用场景和设计思想之后，下面对本申请实施例提供的技术方案进行说明。

如图1所示，本申请实施例提供了一种空间目标的碰撞预警方法，包括：

步骤101：基于每个空间目标的初始运动状态，利用空间目标间的相对运动方程，得到各空间目标相互接近过程中的相对运动状态；

航天器也是一种空间目标。在建立空间目标间的相对运动方程时，为更好的分析相对接近过程以及简化计算分析过程，假设部分影响因素：

（1）空间目标之间的间距远小于各自的轨道高度，（2）空间目标满足二体假设，并且均在近地圆轨道运行，（3）目标空间目标不可进行机动操作，空间目标具有轨道机动能力。

如图2所示，地心惯性坐标系（O-XYX）的原点为地心，在地球赤道平面内，X 轴方向由O指向春分点，Z轴方向由O指向北极，运用右手法则可确定Y轴方向。RSW坐标系，其原点位于目标质心，S轴由地心沿目标的矢径方向指向目标质心，S轴位于轨道平面内与轴垂直并指向目标运动方向（但不一定与速度方向平行），VV轴与方向平行。其中，RSW坐标系是星基坐标系的一种。

在不考虑空间目标施加主动控制力的前提下，空间目标仅受到地球引力及其他摄动力的影响。

空间目标间的相对运动方程体现为空间目标的相对位置变化；

各空间目标仅受到地球引力及其他摄动力的影响；相对运动的两个空间目标包括空间从目标和空间主目标；空间从目标指向空间主目标的相对位置变化矢量为：

其中，a为空间从目标与空间主目标所受摄动加速度之差；d为目标间相对距离，t为时间，u为地球引力常数，dt为时间元，r为目标的碰撞球形半径。

根据相对运动方程投影至空间目标的RSW坐标系中，得到两个空间目标交会的几何条件（过交线高度差、过交线时间差，轨道夹角），再根据假设模型（先空间压缩然后将积分椭圆域近似为圆域，再根据积方程组结果取近似值）计算，得出轨道递推结果与得到的结果之间存在误差；

根据线性齐次方程组，可通过积分得到三维速度：

其中，n为空间主目标平均运动角速度；v为初始速度；t为时刻；x,y,z分别为相对矢量位置。

在空间目标的轨道确认时，测量设备在实际执行过程中会受到各类因素的影响，得到的测量数据会有一定的误差。空间目标在空间环境的影响下也会有一些摄动因素的影响，为空间目标的初始值的测量也会有一定的误差。影响因素包括计算机的计算精度，轨道动力学模型误差，对空间目标的实时状态跟踪也有一定的难度。

根据各类误差分析后，包括考虑速度误差的大小以及位置误差的大小，对应RSW坐标系的三轴速度误差传播表达式为：

;

;

;

空间目标的轨道数据在惯性系下进行推演，在碰撞预警分析计算时，需要将空间目标在惯性系下的状态信息将其投影到空间目标的RSW坐标系中。根据此计算模型可以对空间中的传播变化进行误差分析，同时可以对空间目标间的距离的变化，进行分析计算，为碰撞预警提供数据支持外，也为后续的紧急规避策略做好了分析以及数据支持操作。

步骤102：利用预先建立的碰撞模型，得到各空间目标相互接近过程中的最大碰撞概率；

步骤103：判断最大碰撞概率是否大于预设的第一阈值，若为是，则计算各空间目标相遇时碰撞概率；

在对空间主目标与空间从目标的碰撞概率进行计算时要满足一下假设条件：

（1）空间主目标和空间从目标在空间中的所占区域用半径已知的球体来表示；

（2）测量所得空间主目标与空间从目标的相对状态量在空间中服从三维正态分布；根据(1)，把代表空间主目标和空间从目标在空间中所占区域的球体相结合，得到一个新总包络球；

把代表空间主目标和空间从目标的球体半径相加，两者半径之和为新总包络球的半径大小，将空间主目标与空间从目标的大小用得到的新总包络球来表示；

在对碰撞预警进行分析时，以新总包络球的半径为判定基准，把碰撞定义为空间主目标与空间从目标两者之间的距离小于新总包络球半径，以实现发生碰撞的概率转换为空间主目标与空间从目标之间的距离小于新总包络球半径的概率；

在知道相对位置信息和相对位置误差协方差矩阵之后，构造表示相对位置关系的三维高斯分布概率密度函数pdf（R）为：

|Cr|表示相对位置误方差协方差矩阵Cr的行列值，

为坐标系中任意位置的矢量。

已知相对位置分布的概率密度函数，对其在给定的区域内进行积分，可以得到空间主目标与空间从目标的瞬时碰撞概率P为：

球心固定在危险目标上，半径大小等于总包络球半径。

步骤104：判断碰撞概率是否大于预设的第二阈值，若为是，则发出碰撞预警信息。

构造碰撞预警计算过程中，对于空间目标间的相对状态矢量以及相应的误差协方差矩阵是必不可少的。根据空间目标自身载荷以及地面设备对空间目标进行测量，得到的遥测数据经过转化得到两个空间目标之间的相对位状态。得到相对位状态后根据计算模型对误差进行处理，获得两个空间目标之间的相对状态分别在法向、迹向以及径向上的误差分量，再得到矩阵。根据极限值法求解目标间相对距离以及在相对阈值时间段内的最小值。根据阈值变化可实时进行空间目标间的碰撞预警分析以及告警。

基于上述实施例，本申请实施例提供了一种空间目标的碰撞预警装置，参阅图3所示，本申请实施例提供的空间目标的碰撞预警装置200至少包括：

第一计算单元201，用于基于每个空间目标的初始运动状态，利用空间目标间的相对运动方程，得到各空间目标相互接近过程中的相对运动状态；

第二计算单元202，用于利用预先建立的碰撞模型，计算得到各空间目标相互接近过程中的最大碰撞概率；

第一判断单元203，用于判断最大碰撞概率是否大于预设的第一阈值，若为是，则计算各空间目标相遇时碰撞概率；

第二判断单元204，用于判断相遇时碰撞概率是否大于预设的第二阈值，若为是，则发出碰撞预警信息。

需要说明的是，本申请实施例提供的空间目标的碰撞预警装置200解决技术问题的原理与本申请实施例提供的空间目标的碰撞预警方法相似，因此，本申请实施例提供的空间目标的碰撞预警装置200的实施可以参见本申请实施例提供的空间目标的碰撞预警方法的实施，重复之处不再赘述。

如图4所示，本申请实施例提供的电子设备300至少包括：处理器301、存储器302和存储在存储器302上并可在处理器301上运行的计算机程序，处理器301执行计算机程序时实现本申请实施例提供的空间目标的碰撞预警方法。

本申请实施例提供的电子设备300还可以包括连接不同组件（包括处理器301和存储器302）的总线303。其中，总线303表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线、外围总线、局域总线等。

存储器302可以包括易失性存储器形式的可读介质，例如随机存储器（RandomAccess Memory，RAM）3021和/或高速缓存存储器3022，还可以进一步包括只读存储器（ReadOnly Memory，ROM）3023。

存储器302还可以包括具有一组（至少一个）程序模块3025的程序工具3024，程序模块3025包括但不限于：操作子系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。

电子设备300也可以与一个或多个外部设备304（例如键盘、遥控器等）通信，还可以与一个或者多个使得用户能与电子设备300交互的设备通信（例如手机、电脑等），和/或，与使得电子设备300与一个或多个其它电子设备300进行通信的任何设备（例如路由器、调制解调器等）通信。这种通信可以通过输入/输出（Input /Output，I/O）接口305进行。并且，电子设备300还可以通过网络适配器306与一个或者多个网络（例如局域网（Local AreaNetwork，LAN），广域网（Wide Area Network，WAN）和/或公共网络，例如因特网）通信。如图4所示，网络适配器306通过总线303与电子设备300的其它模块通信。应当理解，尽管图4中未示出，可以结合电子设备300使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、磁盘阵列（Redundant Arrays of IndependentDisks，RAID）子系统、磁带驱动器以及数据备份存储子系统等。

需要说明的是，图4所示的电子设备300仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机指令，该计算机指令被处理器执行时实现本申请实施例提供的空间目标的碰撞预警方法。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本申请方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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申请各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种空间目标的碰撞预警方法，其特征在于，包括：

基于每个空间目标的初始运动状态，利用空间目标间的相对运动方程，得到各空间目标相互接近过程中的相对运动状态；

利用预先建立的碰撞模型，得到各空间目标相互接近过程中的最大碰撞概率；

判断最大碰撞概率是否大于预设的第一阈值，若为是，则计算各空间目标相遇时碰撞概率；

判断相遇时碰撞概率是否大于预设的第二阈值，若为是，则发出碰撞预警信息；

其中，空间目标间的相对运动方程体现为空间目标的相对位置变化；

所述各空间目标仅受到地球引力及其他摄动力的影响；相对运动的两个空间目标包括空间从目标和空间主目标；空间从目标指向空间主目标的相对位置变化矢量为：

其中，a为空间从目标与空间主目标所受摄动加速度之差；d为目标间相对距离，t为时间，μ为地球引力常数，dt为时间元，r为目标的碰撞球形半径；

根据相对运动方程，投影至空间目标的RSW坐标系中，得到两个空间目标交会的几何条件，再根据假设模型计算，得出轨道递推结果与得到的结果之间存在误差；

根据线性齐次方程组，可通过积分得到三维速度：

n为空间主目标平均运动角速度；v为初始速度；t为时刻；x,y,z分别为相对矢量位置；

将空间主目标与空间从目标在地心惯性系下的状态信息投影到空间目标的RSW坐标系中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用预先建立的碰撞模型，得到各空间目标相互接近过程中的最大碰撞概率，包括：

根据空间目标自身载荷以及地面设备对相应空间目标进行测量，得到的遥测数据经过转化得到两个空间目标之间的相对位状态；

得到相对位状态后根据计算模型对误差进行处理，获得两个空间目标之间的相对状态分别在法向、迹向以及径向上的误差分量，再得到矩阵；

根据极限值法求解目标间相对距离以及在相对阈值时间段内的最小值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算各空间目标相遇时碰撞概率，包括：

（1）空间主目标和空间从目标在空间中的所占区域用半径已知的球体来表示；

（2）测量所得空间主目标与空间从目标的相对状态量在空间中服从三维正态分布；根据(1)，把代表空间主目标和空间从目标在空间中所占区域的球体相结合，得到一个新总包络球；

把代表空间主目标和空间从目标的球体半径相加，两者半径之和为新总包络球的半径大小，将空间主目标与空间从目标的大小用得到的新总包络球来表示；

在对碰撞预警进行分析时，以新总包络球的半径为判定基准，把碰撞定义为空间主目标与空间从目标两者之间的距离小于新总包络球半径，以实现发生碰撞的概率转换为空间主目标与空间从目标之间的距离小于新总包络球半径的概率；

在已知相对位置信息和相对位置误差协方差矩阵之后，构造表示相对位置关系的三维高斯分布概率密度函数pdf（R）为：

|Cr|表示相对位置误方差协方差矩阵Cr的行列值，

为坐标系中任意位置的矢量；

已知相对位置分布的概率密度函数，对其在给定的区域内进行积分，得到空间主目标与空间从目标的瞬时碰撞概率P为：

将所述瞬时碰撞概率P确定为各空间目标相遇时碰撞概率。

4.一种空间目标的碰撞预警装置，其特征在于，包括：

第一计算单元，用于基于每个空间目标的初始运动状态，利用空间目标间的相对运动方程，得到各空间目标相互接近过程中的相对运动状态；

第二计算单元，用于利用预先建立的碰撞模型，计算得到各空间目标相互接近过程中的最大碰撞概率；

第一判断单元，用于判断最大碰撞概率是否大于预设的第一阈值，若为是，则计算各空间目标相遇时碰撞概率；

第二判断单元，用于判断碰撞概率是否大于预设的第二阈值，若为是，则发出碰撞预警信息；

其中，所述第一计算单元，具体用于：

空间目标间的相对运动方程体现为空间目标的相对位置变化；

所述各空间目标仅受到地球引力及其他摄动力的影响；相对运动的两个空间目标包括空间从目标和空间主目标；空间从目标指向空间主目标的相对位置变化矢量为：

其中，a为空间从目标与空间主目标所受摄动加速度之差；d为目标间相对距离，t为时间，μ为地球引力常数，dt为时间元，r为目标的碰撞球形半径；

根据相对运动方程，投影至空间目标的RSW坐标系中，得到两个空间目标交会的几何条件，再根据假设模型计算，得出轨道递推结果与得到的结果之间存在误差；

根据线性齐次方程组，可通过积分得到三维速度：

n为空间主目标平均运动角速度；v为初始速度；t为时刻；x,y,z分别为相对矢量位置；

将空间主目标与空间从目标在地心惯性系下的状态信息投影到空间目标的RSW坐标系中。

5.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-3任一项所述的空间目标的碰撞预警方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现如权利要求1-3任一项所述的空间目标的碰撞预警方法。

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