【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種基于機動可達域的空間緊迫度計算方法。該方法利用了機動可達域的理論，通過計算得到了“空間緊迫度”的概念，以評估航天器在軌運行的安全程度，屬于航天。
技術介紹
1、隨著人類科學技術發展，人類對于外太空的探索技術不斷成熟，太空活動也日益頻繁，非合作衛星、空間碎片等非合作空間目標數量激增。同時，各國太空探索技術的愈發成熟和探索能力不斷增強，也導致國家之間的戰略競爭逐漸向“太空域”擴展。
2、在此背景下，在軌航天器受到偵察衛星等非合作目標主動抵近的情況時有發生，為保護空間資產安全，關于軌道追逃博弈的研究愈發意義重大。而航天器的機動可達域可以有效地評價某一航天器的機動能力和范圍，在軌道追逃博弈領域得到了廣泛的應用。北京航空航天大學的溫昶煊提出了絕對位置可達域與相對位置可達域等概念，將可達域定義為航天器在給定軌道機動約束條件下所有可能訪問空間位置的集合(wen?c,zhao?y,ship.precise?determination?of?reachabledomain?for?spacecraft?with?single?impulse[j].journal?of?guidance,control,and?dynamics,2014,37(6):1767-1779.)。國防科技大學的杜向南等人基于邊值問題基本理論與推論給出可達性判據，利用可達性判據提出了單脈沖機動可達域的求解方法，并開展了基于可達域理論的威脅規避機動策略研究(杜向南.航天器機動可達域表征與威脅規避[d].國防科技大學,2023.)。
技術實現思路
1、1、目的
2、本專利技術提供一種評價航天器受到非合作目標威脅程度大小的概念——空間緊迫度，以解決在軌道追逃博弈中不易量化威脅程度的問題。空間緊迫度反映了多目標追逃場景下威脅目標對主目標的復合威脅程度。
3、2、技術方案
4、為了實現上述專利技術目的，本專利技術采用以下技術方案。
5、一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，它包括以下步驟：
6、步驟一：確定主、從目標軌道根數
7、所述主目標定義為受到威脅的航天器，即追逃場景下“逃”的一方；從目標對主目標造成威脅，即追逃場景下“追”的一方。在多目標追逃場景下，主目標唯一，從目標的數量可能不止一個。
8、所述雙方目標的軌道根數通過相關定軌操作，由空間態勢感知系統確定。
9、步驟二：主、從目標機動可達域計算
10、所述機動可達域定義為在給定初始軌道和燃料約束下，航天器可到達的所有位置的集合。航天器在軌道機動的過程中采用脈沖推力方式，即認為機動瞬時發生，且表現為對航天器施加一個任意方向的速度增量δv。
11、所述主、從目標的機動可達域在本專利技術中定義為機動時間自由的可達域，即不限制目標的機動時刻，允許目標在任意時刻進行機動，然后計算目標可以到達的區域。主要通過以下步驟實現：
12、(1)由方位角確定某一空間方位；
13、(2)判斷該方位的可達性；
14、(3)若該方位可達，則求解在該方位上的可達域包絡；
15、(4)遍歷所有空間方位，得到近似包絡面，求得可達域。
16、步驟三：從目標可達性計算
17、所述從目標可達性計算包括樣本點的選取、坐標變換以及威脅域計算幾部分。
18、所述樣本點的選取是指在步驟二計算得到的主目標可達域內，用蒙特卡羅方法等間距選取若干個樣本點，構成用于判斷從目標可達性的全集。在運算速度允許的范圍內，樣本點選取數量越多，準確度也就越高。
19、所述坐標變換是指將選取的樣本點從主目標所在的軌道坐標系變換到從目標所在的軌道坐標系中，以方便進行從目標威脅域的計算。
20、所述威脅域是指主目標受到威脅時可能逃離的范圍與從目標通過軌道機動能達到的范圍重合的區域。在計算過程中，若樣本點位于從目標的機動可達域內，則該點屬于該從目標的威脅域，稱之為危險點，危險點的集合即為該從目標的威脅域。若某場景下具有多個從目標，則對各從目標的威脅域求并集，構成多目標追逃場景下的復合威脅域。
21、步驟四：空間緊迫度計算
22、所述空間緊迫度定義為各從目標的復合威脅域占主目標機動可達域的比例，反映了多目標追逃場景下各從目標對主目標的威脅程度。
23、所述空間緊迫度可以用步驟三中通過蒙特卡羅方法選取的樣本點來量化，即在樣本點數量足夠大時，用危險點占所有樣本點的比例來反映主目標的空間緊迫度。
24、3、優點及功效
25、本專利技術基于機動可達域提出了“空間緊迫度”的概念，描述我方航天器可達域內存在風險的空間比率，并設計了空間緊迫度的計算方法；本專利技術適用性廣，可以應用于多目標軌道追逃博弈場景，解決了多目標追逃場景下不易量化威脅程度的問題；本專利技術通用性強，可以為一般的軌道追逃博弈問題提供量化指標，定量分析從目標對主目標的威脅程度。
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1.一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：在步驟一中，雙方目標的軌道根數通過相關定軌操作，由空間態勢感知系統確定；軌道根數包括初始時刻航天器的位置與速度信息，通過兩行軌道根數TLE的常見軌道信息形式得到，具體包括：軌道半長軸a，偏心率e，軌道傾角i，近地點輻角ω，升交點赤經Ω，真近點角f。
3.根據權利要求1所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：在步驟2.1中，空間方位通過兩個方位角γ、來確定，由單位向量表示；在軌道近心點坐標系中，坐標原點為地球質心；x軸指向軌道近地點；z軸沿著軌道平面的角動量方向，垂直于軌道；y軸由右手定則確定；將某一空間方位投影到目標軌道面上，投影線與x軸之間的夾角即為γ，取值范圍是[0,2π]；該方位與軌道面之間的夾角即為取值范圍是由于對稱性，的取值只涵蓋了上半個可達域，下半個可達域由對稱性得到。
4.根據權利要求3所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：
5.根據權利要求4所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：在步驟2.3中，當某一方位可達時，沿該方位射線會穿過可達域，與可達域邊界形成內、外兩個交點，因此求出這兩個點在坐標系中的矢徑極值rmin和rmax，即可確定該方位上所有可達點的矢徑值r滿足rmin≤r≤rmax，得到該方位的可達域包絡。
6.根據權利要求5所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：在步驟2.4中，重復步驟2.1—2.3，分別遍歷取值范圍內所有γ、值；由步驟2.3得到所有可達方位上的內、外包絡點，在同一γ值下，不同值的可達域包絡共同組成了一個類橢圓的平面形狀，即管狀可達域的切面；對不同γ值下的切面進行連接求得可達域。
7.根據權利要求1所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：在步驟三中，在選取樣本點時，在軌道近心點坐標系中進行，考慮周向、法向和徑向三個維度，樣本點的坐標由表示，其中γ、為方位角，r為樣本點距坐標原點的距離；選取如下：
8.根據權利要求1或7所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：在步驟三中，坐標變換是將地心慣性系變換到從目標所屬的近心點坐標系；地心慣性系的坐標原點為地球質心；x軸位于赤道平面內，并指向春分點；z軸沿著地球自轉軸指向北極；y軸由右手定則確定；樣本點的選取是在地心慣性系中進行的，在此坐標系下某點的坐標表示為：
9.根據權利要求1或8所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：在步驟三中，設在某一場景下有j個威脅目標，每個威脅目標的威脅域用θj表示，則復合威脅域表示為：
10.根據權利要求1所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：空間緊迫度S定義為各從目標的復合威脅域Θ占主目標機動可達域Ψ的比例，通過計算區域體積的方式表示：
...【技術特征摘要】
1.一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：在步驟一中，雙方目標的軌道根數通過相關定軌操作，由空間態勢感知系統確定；軌道根數包括初始時刻航天器的位置與速度信息，通過兩行軌道根數tle的常見軌道信息形式得到，具體包括：軌道半長軸a，偏心率e，軌道傾角i，近地點輻角ω，升交點赤經ω，真近點角f。
3.根據權利要求1所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：在步驟2.1中，空間方位通過兩個方位角γ、來確定，由單位向量表示；在軌道近心點坐標系中，坐標原點為地球質心；x軸指向軌道近地點；z軸沿著軌道平面的角動量方向，垂直于軌道；y軸由右手定則確定；將某一空間方位投影到目標軌道面上，投影線與x軸之間的夾角即為γ，取值范圍是[0,2π]；該方位與軌道面之間的夾角即為取值范圍是由于對稱性，的取值只涵蓋了上半個可達域，下半個可達域由對稱性得到。
4.根據權利要求3所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：在步驟2.2中，確定空間方位后，需要航天器是否可達該方位；當滿足下式時，該方位可達：
5.根據權利要求4所述的一種基于機動可達域的航天器空間緊迫度計算方法，其特征在于：在步驟2.3中，當某一方位可達時，沿該方位射線會穿過可達域，與可達域邊界形成內、外兩個交點，因此求出這兩個點在坐標系中的矢徑極值rmin和rmax，即可確定該方位上所有可達點的矢徑值r滿足rmi...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王曉慧，金翔宇，劉建岑，王渤川，唐英龍，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：
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