一种用于编队卫星在轨运行安全的防碰控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于编队卫星在轨运行安全的防碰控制方法，该方法充分考虑卫星外形尺寸、各种扰动误差、预测时间及位置测量误差的影响，系统地给出了基于碰撞概率的编队卫星碰撞概率的描述方式与确定方法，并针对编队卫星不同运行情况分别给出了整体及部分卫星碰撞可能性的描述指标，适用于多颗编队卫星整体碰撞可能性的防范。该方法首先计算两星之间的碰撞概率密度，其次计算两星之间的碰撞概率，最后计算编队卫星的碰撞概率。本发明专利技术可用于编队卫星在轨运行时的安全防碰，保证编队卫星安全防碰确定的实时性和快速性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种预防碰撞的方法，更特别地说，是指一种用于编队卫星在轨运行 安全的防碰控制方法。
技术介绍
在编队卫星队形初始化、队形调整及重构的过程中，由各卫星之间相对距离的变 化而导致的碰撞问题不可忽视；即使卫星编队不做轨道机动，由于作用在编队各卫星上的 扰动不同，卫星编队也会逐渐脱离原有的构型。编队卫星相距较近，相对运动轨迹与设计轨 迹的任何偏离都有可能导致两个或者更多卫星发生碰撞，从而导致严重后果。因此，编队卫 星在轨运行时，为保证其能安全而高效的完成任务，需要考虑碰撞的可能性进而施加防碰 措施，为高安全性、高经济性的编队飞行卫星群实际应用奠定基础，这对于空间编队机动系 统和平台的设计应用具有重要的意义。1、编队卫星安全防碰管理现状及其存在的问题编队卫星安全防碰目前没有统一的评定标准与控制方法。在过去所采用的方法 中文献《卫星编队飞行队形重构防碰撞方法研究》田继超..宇航学报，2009， 50(4) :1525-1530.中对碰撞概率的确定是一种比较典型的确定方法，该方法根据卫星之 间相对距离定义碰撞概率，描述卫星之间碰撞的可能性，该方法的缺点是，只考虑了卫星之 间的相对距离，而忽略了其他扰动因素、误差与卫星形状对碰撞可能性造成的影响，使得到 的碰撞概率不够准确，且没有考虑星间相对速度，无法做出对碰撞概率的预测。文献《空间目标碰撞概率的显示表达式及影响因素分析》白显宗..空间科学 学报，2009, ) :422-431.中，在圆轨道情况下推导了空间目标碰撞概率的显示表达式， 而在实际情况下，卫星多在椭圆轨道运行。文献《卫星编队飞行碰撞概率预测与避撞措施研究》张戈..大连大连理工 大学，2008.中，对碰撞概率的计算做出了线性假设，没有考虑非线性的影响，但实际上在 许多情况下，编队卫星之间的相对速度比较小，卫星相对轨迹的线性区域相对整个碰撞计 算区域来说就比较小，不宜采用忽略轨道曲率的线性算法，这时就需要将相对运动看作是 非线性来研究碰撞概率计算问题。文献《基于碰撞概率的分布式卫星碰撞检测评估方法》王继河..吉林大学学 报(工学版)，2009，39 (5) :1395-1400.及文献《编队卫星碰撞规避方法研究》胡敏.· 上海航天，2010，3 :6-9.中所谓编队卫星的碰撞概率，只是着眼于两颗卫星之间的碰撞概 率，未给出多颗卫星编队(三星及以上)整体碰撞可能性的描述与计算方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出，该方法充 分考虑卫星外形尺寸、各种扰动误差、预测时间及位置测量误差的影响，系统地给出了基于碰撞概率的编队卫星碰撞概率的描述方式与确定方法，并针对编队卫星不同运行情况分别 给出了整体及部分卫星碰撞可能性的描述指标，适用于多颗编队卫星整体碰撞可能性的防 范。该方法首先计算两星之间的碰撞概率密度，其次计算两星之间的碰撞概率，最后计算编 队卫星的碰撞概率。本专利技术可用于编队卫星在轨运行时的安全防碰，保证编队卫星安全防 碰确定的实时性和快速性。本专利技术的用于编队卫星在轨运行安全的防碰控制方法，包括有下列三个步骤步骤一计算两星之间的碰撞概率密度/(Wi)= 1 exp 士/c:、，其中|CJ表示协方差矩阵C；的行列式的值，q Ι2π) \Ce\ VJXe中的T表示相遇平面-相对位置ζ的转置矩阵；步骤二 计算两星之间的碰撞概率两星之间碰撞的可能性用瞬时碰撞概率及相对轨道在一段时间内总碰撞概率两 个指标来描述；即瞬时-概率P瞬时-中心平均法=V · f(Xs，ys, 4)，V表示以参考飞行器S为中心，以rA 为半径的球体扫过以(Xi，Yi, Zi)为坐标系的空间的体积，即安全包络体体积；f(xs，ys，zs) 为参考飞行器S中心处的碰撞概率密度；总-概率/ tf(R)S|v|dt, f(R)为安全包络体在某一瞬时中心处的 碰撞概率密度，S为包络体的截面积，ν为瞬时相对速度，dt表示对时间的微分；步骤三计算编队卫星的危险星碰撞概率7^ = Σ ，k，j表示编队中任意两j=\ n,;j^k颗卫星，η表示编队卫星中卫星个数，Pk,」表示任意两颗卫星之间的碰撞概率。本专利技术用于编队卫星在轨运行安全的防碰控制方法的优点在于①本专利技术基于碰撞概率的方法，充分考虑了卫星外形尺寸、各种扰动误差、预测时 间及位置测量误差的影响，克服了碰撞概率指标简单、可靠性不高的缺点。②本专利技术所采用的碰撞概率计算方法不仅适用于圆轨道的C-W方程，且适用于更 为通用的椭圆轨道的相对运动方程，扩大了使用范围。③本专利技术中所采用的碰撞概率计算方法中均视卫星之间为非线性相对运动，解决 因忽略轨道曲率而带来误差缺点。④本专利技术提出了编队卫星整体碰撞可能性的计算方法，并针对编队卫星不同运行 情况分别给出了整体及部分卫星碰撞可能性的描述指标，克服了仅针对两星进行碰撞概率 获取。⑤本专利技术不仅适用于两星编队，而且适用于三星以及三星以上的编队，提出了适 用于三星及三星以上编队卫星整体碰撞可能性的计算方法，并针对编队卫星不同运行情况 分别给出了整体及部分卫星碰撞可能性的描述指标。附图说明图1是本专利技术编队卫星在轨运行安全的防碰控制的结构框图。图2是三个坐标系(惯性坐标系，轨道坐标系，相遇平面坐标系)的示意图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术的，包括有下列步骤步骤一计算两星之间的碰撞概率密度；步骤二 计算两星之间的碰撞概率；步骤三计算编队卫星的碰撞概率。在本专利技术中，计算两星之间的碰撞概率密度包括有下列的处理步骤在本专利技术中，给定两个飞行器，即随机飞行器记为P、参考飞行器记为S。随机飞行 器P和参考飞行器S的坐标系转换关系采用如图2所示的坐标关系来表示。随机飞行器P在其轨道坐标系& (如图2所示，轨道坐标系0〃 x。y。z。)中的位置 误差分布的协方差矩阵记Scw。随机飞行器P在惯性坐标系Si (如图2所示，惯性坐标系 0XiyiZi，下角标i也代表了惯性坐标系)中的位置记为(简称为P-位置^；)，速度记为^； (简称为P-速度5)。根据随机飞行器P的位置参数可得到其轨道坐标系&到惯性坐标系Si的转换矩阵 Lwi，则惯性系Si中随机飞行器P的位置误差协方差矩阵为；=1^。^。参考飞行器S在其轨道坐标系中的位置误差分布的协方差矩阵记为Cro2。参考飞行器S在惯性坐标系Si (如图2所示，惯性坐标系0XiyiZi中的位置记为€ (简称为S-位置€ )，速度记为€ (简称为S-速度€ )。根据参考飞行器S的位置参数可得 到其轨道坐标系到惯性坐标系Si (如图2所示，惯性坐标系OxiyiZi)的转换矩阵4 ，则惯 性系Si中参考飞行器S位置误差协方差矩阵Q =KfsoL--O1。由于随机飞行器P与参考飞行器S的位置误差分布不相关，所以可以将两颗星的 位置误差直接相加作为两星的总误差，于是可得到惯性坐标系Si中相对位置误差协方差矩 阵Cli = cpi+csi。(简称为惯性-位置误差协方差Cli)根据随机飞行器P与参考飞行器S在惯性系Si中的位置矢量差，得到两个飞行器 的相对位置 =^-ζ (简称为惯性-相对位置;;，P"位置孓，S-位置e)。根据随机飞行器P与参考飞行器S在惯性系Si中的速度矢量差，得到两个飞行器 的相对速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于编队卫星在轨运行安全的防碰控制方法，其特征在于包括有下列步骤：步骤一：计算两星之间的碰撞概率密度＊＊＊，其中｜Ｃ↓［ｅ］｜表示协方差矩阵Ｃ↓［ｅ］的行列式的值，＊↓［ｅ］↑［Ｔ］中的Ｔ表示相遇平面－相对位置＊↓［ｅ］的转置矩阵；此步骤中利用了相对运动方程对初始状态和相对状态误差协方差矩阵进行外推，就得到了任意时刻随机飞行器Ｐ与参考飞行器Ｓ的相对状态和相对位置误差协方差矩阵；然后根据协方差矩阵得到描述任意两个飞行器相对位置误差的Ｇａｕｓｓ分布函数，即两星之间的碰撞概率密度＊＊＊；步骤二：计算两星之间的碰撞概率两星之间碰撞的可能性用瞬时碰撞概率及相对轨道在一段时间内总碰撞概率两个指标来描述；即：瞬时－概率Ｐ↓［瞬时－中心平均法］＝Ｖ.ｆ（ｘ↓［Ｓ］，ｙ↓［Ｓ］，ｚ↓［Ｓ］），Ｖ表示以参考飞行器Ｓ为中心，以ｒ↓［Ａ］为半径的球体扫过以（ｘ↓［ｉ］，ｙ↓［ｉ］，ｚ↓［ｉ］）为坐标系的空间的体积，即安全包络体体积；ｆ（ｘ↓［Ｓ］，ｙ↓［Ｓ］，ｚ↓［Ｓ］）为参考飞行器Ｓ中心处的碰撞概率密度；总－概率Ｐ↓［总－中心平均法］＝∫↓［ｔ］ｆ（Ｒ）Ｓ｜ｖ｜ｄｔ，ｆ（Ｒ）为安全包络体在某一瞬时中心处的碰撞概率密度，Ｓ为包络体的截面积，ｖ为瞬时相对速度，ｄｔ表示对时间的微分；步骤三：计算编队卫星的危险星碰撞概率Ｐ↓［ＦＳｉ］＝＊Ｐ↓［ｋ，ｊ］，ｋ，ｊ表示编队中任意两颗卫星，ｎ表示编队卫星中卫星个数，Ｐ↓［ｋ，ｊ］表示任意两颗卫星之间的碰撞概率。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邓忠民，罗媛媛，孙伶俐，张薇，毕司峰，范远科，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]