星载空间目标碰撞预警方法及系统

技术领域

本发明涉及星上信息处理技术领域，具体涉及星载空间目标碰撞预警方法及系统。

背景技术

日益增多的空间碎片对航天器在轨稳定运行、后续航天任务和未来航天事业发展造成了较大威胁。从保障载人航天安全、保护空间环境安全和提高航天器运行寿命的角度出发，研究人员需加强对空间目标碰撞预警问题的研究，开展在轨空间目标碰撞预警系统的研制。

现有技术对地面碰撞预警的研究较多，对星载碰撞预警的研究较少。地面碰撞预警无法实时获取在轨航天器的精确轨道信息且难以持续，时效性差且更新率低。为了提高时效性和更新率，研究人员对星载碰撞预警展开了研究，采用传统的区域判据衡量空间目标与航天器的碰撞概率。区域判据统一考虑航天器和空间碎片的轨道预报误差，将位置误差的分布平均化，即假设在区域内部的各处，发生碰撞的概率是相同的。根据区域判据划分一个航天器的周围区域，当空间目标进入周围区域内，判定碰撞概率为100％；反之判定碰撞概率为0。区域判据的优点是具有普适性，对于任何轨道类型、航天器都适用，缺点是过度保守，在简化碰撞问题的同时也带来过度预警的风险，造成卫星资源的浪费。

因此，目前亟需开展对星载碰撞预警的研究，能够提高预警的时效性和更新率，同时降低过度预警率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了星载空间目标碰撞预警方法及系统，具有提高预警的时效性和更新率，降低过度预警率。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：

星载空间目标碰撞预警方法，步骤包括：

S1、对航天器和目标分别进行轨道预报，获取各自的轨道根数和位置误差。

S2、根据轨道根数计算航天器和目标在交会时刻的交会平面、相对位置矢量和相对速度矢量；以交会时刻航天器的位置为中心，以航天器的位置误差为主轴长度，沿航天器的行进方向构建复合误差椭球；以交会时刻目标的位置为原点，以复合误差椭球的主轴在交会平面的正向投影为x轴，以相对速度矢量为y轴，根据右手规则建立交会参考系；预设航天器与目标的位置误差均为正态分布的形式，以航天器在交会参考系中的横、纵坐标为自变量，以相对位置矢量在交会平面上的投影为正态分布的期望值，以航天器和目标的位置误差为正态分布的标准差，在交会参考系中建立概率密度函数；以交会时刻航天器的位置为中心，以临界阈值T

S3、判断碰撞概率是否小于临界阈值T

进一步的，S1前还包括S0：

S0-1、获取历史轨道数据；基于历史轨道数据，分别根据航天器和目标的近地点、远地点处的轨道高度计算二者的轨道高度范围，剔除两个轨道高度范围不存在交集的目标。

S0-2、对存在交集的目标，计算轨道相交处与航天器的径向距离，剔除径向距离大于阈值的目标。

S0-3、对径向距离未超过阈值的目标，计算到达轨道相交处的时刻，判断该时刻下航天器是否位于轨道相交处，是则保留该目标，否则剔除该目标。

进一步的，S1的具体方式为：基于历史轨道数据对航天器和目标分别进行轨道预报，获取各自的轨道根数和各自的位置误差。

进一步的，S3的具体方式为：比较碰撞概率、临界阈值T

进一步的，碰撞概率P

其中，x为航天器在交会参考系中位置的横坐标；y为航天器在交会参考系中位置的纵坐标；R为球域半径。

概率密度函数f

其中，σ

x

其中，R

星载空间目标碰撞预警系统，采用上述方法实现，包括：

解算模块，从地面获取航天器的历史轨道数据，提取历史时刻的航天器的轨道根数和位置误差并发送给预报模块。

存储模块，从地面获取历史时刻的目标的轨道根数和位置误差，存储并发送给预报模块。

预报模块，对航天器和目标进行轨道预报，获取未来时刻的轨道根数和位置误差并发送给积分模块。

积分模块，根据航天器和目标未来时刻的轨道根数建立概率密度函数；以交会时刻航天器的位置为中心，以临界阈值T

评估模块，根据碰撞概率判断是否预警。

进一步的，积分模块根据未来时刻的轨道根数计算航天器和目标在交会时刻的交会平面、相对位置矢量和相对速度矢量；以交会时刻航天器的位置为中心，以航天器的位置误差为主轴长度，沿航天器的行进方向构建复合误差椭球；以交会时刻目标的位置为原点，以复合误差椭球的主轴在交会平面的正向投影为x轴，以相对速度矢量为y轴，根据右手规则建立交会参考系；预设航天器与目标的位置误差均为正态分布的形式，以航天器在交会参考系中的横、纵坐标为自变量，以相对位置矢量在交会平面上的投影为正态分布的期望值，以位置误差为正态分布的标准差，在交互参考系中建立概率密度函数；以交会时刻航天器的位置为中心，以临界阈值T

进一步的，还包括初筛模块；初筛模块接收解算模块发送的航天器的历史时刻的轨道根数以及存储模块发送的目标的历史轨道数据对目标进行三次筛选：

第一次筛选：初筛模块分别根据航天器目标的近地点、远地点处的轨道高度计算二者的轨道高度范围，剔除两个轨道高度范围不存在交集的目标。

第二次筛选：对存在交集的目标，初筛模块计算轨道相交处与航天器的径向距离，剔除径向距离大于阈值的目标。

第三次筛选：初筛模块对径向距离未超过阈值的目标，计算到达轨道相交处的时刻，判断该时刻下航天器是否位于轨道相交处，是则保留该目标，否则剔除该目标。

进一步的，预报模块基于历史时刻的轨道根数和位置误差对航天器和目标分别进行轨道预报，获取未来时刻的轨道根数和位置误差。

进一步的，评估模块比较碰撞概率、临界阈值T

有益效果：

1、本发明提出星载空间目标碰撞预警方法，适用于航天器在轨自主开展碰撞预警，具有较强的时效性和更新率。不同于将位置误差的分布平均化处理的区域判据，本发明在计算碰撞概率时将航天器与目标的位置误差视为正态分布的形式，以航天器在交会参考系中的横、纵坐标为自变量，以相对位置矢量在交会平面上的投影为正态分布的期望值，以航天器和目标的位置误差为正态分布的标准差，基于此构建形式为正态分布的概率密度函数，以表征航天器和目标在交会参考系内各处的碰撞概率；以临界阈值构建球域，求解球域对概率密度函数的积分，以该积分作为碰撞概率，可以降低过度预警率。

2、本方法在轨道预报前对目标进行初步筛选，大幅降低了计算量，提高计算效率。

3、本方法在进行轨道预报时考虑了历史轨道数据，对航天器和目标的轨道预测会更精确。

4、本发明提出星载空间目标碰撞预警系统，适用于航天器在轨自主开展碰撞预警，具有较强的时效性和更新率。在计算碰撞概率时，本方法考虑到目标和航天器的位置误差，将二者的可能位置视为空间中的正态分布，构建概率密度函数；以临界阈值构建球域，求解球域对概率密度函数的积分，以该积分作为碰撞概率，可以降低过度预警率。5、本系统在轨道预报前对目标进行初步筛选，大幅降低了计算量，提高计算效率和预警实时性。

6、本系统在进行轨道预报时考虑了历史轨道数据，对航天器和目标的轨道预测会更精确。

7、本系统位于星上，预报模块与积分模块配合工作，在轨实时预报航天器和目标的轨道数据，并根据轨道数据求解积分，计算碰撞概率，具有较强的运算能力，可以满足星载设备高性能计算需求，具备在轨实时碰撞预警功能。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明系统的组成图。

图3为本发明系统的实施例的组成图。

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。

星上预警主要由星上信息处理单机完成，可以解决地面应用系统信息处理不及时、碰撞预警可靠性较低的问题，提升准确度和时效性。在计算碰撞概率时，本发明将误差视为航天器与目标在空间中正态分布的多个可能的位置，以航天器在交会参考系中的横、纵坐标为自变量，以相对位置矢量在交会平面上的投影为正态分布的期望值，以位置误差为正态分布的标准差，基于此构建形式为正态分布的概率密度函数，以表征航天器和目标在交会参考系内各处的碰撞概率；再求解航天器周围区域(本发明所取的周围区域为球域)对概率密度函数的积分，可以降低过度预警率，提高计算精度。

如图1所示，本发明提供了星载空间目标碰撞预警方法，步骤包括：

S0：对航天器运行空间中的所有目标进行初步筛选，得到可能与航天器发生碰撞的目标：

S0-1、分别根据航天器和目标的近地点、远地点处的轨道高度计算二者的轨道高度范围，剔除两个轨道高度范围不存在交集的目标。

S0-2、对存在交集的目标，计算轨道相交处与航天器的径向距离，剔除径向距离大于阈值的目标。

S0-3、对径向距离未超过阈值的目标，计算到达轨道相交处的时刻，判断该时刻下航天器是否位于轨道相交处，是则保留该目标，否则剔除该目标。

S1、对航天器和目标分别进行轨道预报，获取未来时刻的各自的轨道根数和位置误差：

基于历史轨道数据对航天器和目标分别进行轨道预报，获取未来时刻各自的轨道根数和各自的位置误差。其中，历史轨道数据由地面上传到航天器。本实施例采用的历史轨道数据为TLE数据(两行轨道数据)，是一种平均轨道根数，包含数十年来所观测到的数以万计空间物体轨道，考虑了二阶扁率摄动和包含高度变化指数的大气密度，并用特殊的方法去掉了轨道数据中的周期扰动项。

S2、计算碰撞概率：

S2-1、根据轨道预报得到的航天器及目标的轨道根数计算航天器和目标在交会时刻的交会平面、相对位置矢量和相对速度矢量。以交会时刻航天器的位置为中心，以航天器的位置误差为主轴长度，沿航天器的行进方向构建复合误差椭球。以交会时刻目标的位置为原点，以复合误差椭球的主轴在交会平面的正向投影为x轴，以相对速度矢量为y轴，根据右手规则建立交会参考系。

预设航天器与目标的位置误差均为正态分布的形式，以航天器在交会参考系中的横、纵坐标为自变量，以相对位置矢量在交会平面上的投影为正态分布的期望值，以航天器和目标的位置误差为正态分布的标准差，在交会参考系中建立位置误差满足正态分布的概率密度函数f

其中，σ

x

其中，R

S2-2、以交会时刻的航天器的位置为中心，预设的临界阈值T

其中，x为航天器在交会参考系中位置的横坐标；y为航天器在交会参考系中位置的纵坐标；R为球域半径即预设的临界阈值T

S3、比较碰撞概率、临界阈值T

如图2所示，本发明提供了星载空间目标碰撞预警系统，包括解算模块、存储模块、初筛模块、预报模块、积分模块和评估模块。

解算模块，从地面获取航天器的历史轨道数据，提取历史时刻的航天器的轨道根数和位置误差并发送给预报模块；存储模块从地面获取并更新历史时刻的目标的轨道根数和位置误差，存储并发送给预报模块。

预报模块对航天器和目标进行轨道预报，获取未来时刻的轨道根数和位置误差并发送给积分模块。首先，预报模块根据轨道预报方法选择预报模型，基于历史时刻的轨道根数和位置误差对航天器和目标分别进行轨道预报，获取未来时刻的轨道根数和位置误差。

积分模块是本系统中最重要的功能模块，用于计算碰撞概率。积分模块根据据航天器和目标未来时刻的轨道根数计算航天器和目标在交会时刻的交会平面、相对位置矢量和相对速度矢量；以交会时刻航天器的位置为中心，以位置误差为主轴长度，沿行进方向构建复合误差椭球；以交会时刻目标的位置为原点，以复合误差椭球的主轴在交会平面的正向投影为x轴，以相对速度矢量为y轴，根据右手规则建立交会参考系；在交会参考系中求解位置误差满足正态分布的概率密度函数，其表达式如式(1)所示；以交会时刻航天器的位置为中心，临界阈值T

评估模块根据碰撞概率判断是否预警，具体为：当碰撞概率＜临界阈值T

在具体实现航天器的碰撞预警时，本实施例基于上述方法和系统构建了如图3所示的一种星上碰撞预警装置，包括主装置及其备用装置。本装置位于星上，可以完成轨实时预报和碰撞概率计算，具有较强的运算能力，可以满足星载设备高性能计算需求，具备在轨实时碰撞预警功能。各部分的功能为：

处理板(图3中信息处理模块1、2级数据存储模块所在的板)是装置的主要功能结构，采用DSP加FPGA的架构，负责完成空间目标初筛、轨道外推和碰撞概率计算的功能，与地面进行数据交互，以获取历史时刻的轨道根数和位置误差。

主控板负责实现本装置的遥测、遥控功能，和航天器的星务模块配合，完成预警信号传递和空间探测等功能，当处理板无法确定目标的位置误差时，提取历元时刻的目标的探测数据并发送给处理板。

此外，图3上未标记的辅助结构有：

IO板，负责实现数据输入、预处理分发等功能；

存储板，负责存储目标的轨道根数和碰撞概率；

电源板，为整个装置提供电源；

高速背板，负责实现各板卡之间的数据链路互联与隔离。

综上，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。