CN114547860B - 一种基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法 - Google Patents

一种基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法 Download PDF

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CN114547860B CN202210056654.0A CN202210056654A CN114547860B CN 114547860 B CN114547860 B CN 114547860B CN 202210056654 A CN202210056654 A CN 202210056654A CN 114547860 B CN114547860 B CN 114547860B
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Abstract

本发明公开了一种基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法，包括如下步骤：获取航天器和空间目标的基本信息，以及碰撞预警分析初始设置参数，计算交会距离筛选门限和精细交会计算搜索时间门限；针对空间目标进行基于近远地点筛选的粗筛，获取所有存在碰撞可能的空间目标组合；针对粗筛结果，采用遍历方法遍历预警时间段的各预警时刻，在每一预警时刻，采用敏捷筛选策略对空间目标组合进行精细筛选；针对通过精细筛选条件的空间目标组合，在精细交会计算搜索时间门限内进行精细交会计算搜索，计算相对距离和参数，发出预警信息。本发明的方法在不漏警的情况下显著提高了碰撞预警计算的效率。

Description

一种基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法
技术领域
本发明涉及空间交通管理领域，尤其涉及一种基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法。
背景技术
随着人类航天事业的发展，在轨空间目标的数量与日俱增。大量的空间目标使得近地空间环境越来越拥挤，航天器与空间目标之间的碰撞风险大幅增加，这将制约人类航天活动的开展。由于空间目标相对航天器的平均速度可以达到10km/s的量级，因此如果一旦发生碰撞，结果将是致命的。在目前的太空交通管理领域，对在轨的航天器进行例行的碰撞预警分析，为后续进行高风险事件的规避处置提供决策依据，确保航天器的在轨飞行安全。
由于空间目标数量巨大，如果逐个计算航天器与空间目标的交会情况，那预警将需要耗费大量的机时，因此，在空间目标的日常碰撞预警工作中，一般先是从大量空间目标中筛选出潜在危险目标，而后再进行后续的接近和碰撞概率等分析计算工作。
在目前，目标筛选方法建立了近远地点高度筛选、轨道交线高度筛选和过交点时间筛选的解析模型，利用这些筛选模型将排除绝大多数没有接近风险的空间目标，从而提高碰撞风险的计算效率。近些年来，相关人员对上述筛选方法进行了优化和改进，以进一步提高计算效率，但由于在筛选中引入了对轨道计算的摄动补偿，增加了计算的复杂度，使得总计算时间反而增加了。此外，由于轨道摄动的影响，使得过交点时间筛选会筛掉大量的可能交会时间，造成漏警发生，使得预警的可靠性下降。
随着大型商业卫星星座的建设运行，在轨航天器数量越来越大，若基于目前两类空间目标筛选方法基础上进行预警7天的大规模(比如数千个航天器)的碰撞预警，计算一次往往就需要数十分钟乃至几个小时，带来较大的计算成本。为此，需要寻找计算效率更高、同时又确保不漏警的预警方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法，包括：
101、获取待分析的航天器和空间目标的基本信息，以及碰撞预警分析的初始设置参数，将每一航天器和空间目标进行组合，获取适用所有组合的计算交会距离筛选门限和精细交会计算搜索时间门限；
102、针对航天器和空间目标的所有组合进行基于近远地点筛选的粗筛，获取所有存在碰撞可能的空间目标组合；所述空间目标组合为粗筛选后的每一航天器和每一空间目标的组合；
103、针对所有存在碰撞可能的空间目标组合，采用遍历方法遍历预警时间段的各预警时刻，在每一预警时刻，采用敏捷筛选策略对空间目标组合进行基于交会点筛选条件和交会距离筛选条件的精细筛选；
104、针对通过精细筛选的空间目标组合，在精细交会计算搜索时间门限内进行精细交会计算搜索，计算相对距离和参数，发出预警信息。
可选地，所述101包括：
航天器和空间目标的基本信息至少包括：航天器编号及轨道参数，空间目标编号及轨道参数；
碰撞预警分析初始设置参数至少包括：预警风险等级门限、近远地点筛选门限、交会距离筛选基准门限、精细交会计算搜索时间基准门限、预警时间段和预警离散分析步长；
其中，根据预警离散分析步长Δt、交会距离筛选基准门限ΔH0、精细交会计算搜索时间基准门限ΔT0、预先定义的自适应门限计算模型、计算交会距离筛选门限ΔH和精细交会计算搜索时间门限ΔT：
所述预先定义的自适应门限计算模型包括：
Figure BDA0003476765610000031
Δt0为基础预警离散分析步长，单位为秒。
可选地，所述102包括：
按照近远地点筛选条件对每一个空间目标组合进行粗筛选，符合近远地点筛选条件的空间目标组合作为存在碰撞可能的空间目标组合；
其中，近远地点筛选条件为：
Figure BDA0003476765610000032
Figure BDA0003476765610000033
和
Figure BDA0003476765610000034
为航天器k在近地点高度和远地点高度；
Figure BDA0003476765610000035
和
Figure BDA0003476765610000036
为空间目标j的近地点高度和远地点高度；max(*,*)表示取两者的大者，min(*,*)表示取两者的小者；Hp为近地点高度，Ha为远地点高度，下标“s”表示航天器，下标“o”表示空间目标；D为近远地点筛选门限；k＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M；N和M为大于1的自然数。
可选地，所述103包括：
P1、针对粗筛后的航天器，利用动力学方法，计算ti预警时刻的位置和速度；
P2、针对粗筛后的空间目标，利用动力学方法，计算ti预警时刻的位置和速度；
P3、在预警时刻ti对每一对组合进行基于交会点筛选条件的精细筛选；
P4、对通过交会点筛选条件的空间目标组合，采用数值寻根确定交会时刻，计算对应的相对距离；在数值寻根迭代过程中采用运动学交会计算方法计算空间目标组合的相对位置和相对速度；
P5、基于通过交会点筛选条件的空间目标组合的交会时刻、相对距离，进行基于交会距离筛选条件的精细筛选，得到精细筛选后的空间目标组合。
可选地，P3中，每一预警时刻的交会点筛选条件：
Figure BDA0003476765610000041
且
Figure BDA0003476765610000042
P5中的交会距离筛选条件：ρc≤ΔH；
其中，
Figure BDA0003476765610000043
为当前预警时刻空间目标相对航天器的距离变化率，
Figure BDA0003476765610000044
为前一预警时刻空间目标相对航天器的距离变化率；ρc为计算得到的空间目标和航天器间的最小相对距离，下标“c”表示交会。
可选地，P4中，在数值寻根迭代过程中采用运动学交会计算方法计算空间目标组合的相对位置和相对速度，包括：
在预警分析的当前时刻ti和前一时刻ti-1之间，利用数值寻根方法确定交会的近似时刻和相对距离；在数值寻根计算时所需的航天器和空间目标的相对位置和速度如下：
Figure BDA0003476765610000045
Figure BDA0003476765610000046
Figure BDA0003476765610000047
Figure BDA0003476765610000048
Figure BDA0003476765610000049
Figure BDA0003476765610000051
Figure BDA0003476765610000052
其中，
Figure BDA0003476765610000053
为ti时刻航天器的位置速度，
Figure BDA0003476765610000054
为ti时刻空间目标的位置速度，
Figure BDA0003476765610000055
分别为ti时刻空间目标相对航天器的位置、速度和加速度矢量；
Figure BDA0003476765610000056
为ti+dt时刻空间目标相对航天器的位置和速度矢量；μ为地球引力常数；
Figure BDA0003476765610000057
分别为航天器和空间目标在ti+dt时刻的相对距离与相对距离变化率，dt为寻根计算时找到的中间时刻与当前时刻的差。
可选地，所述104包括：
针对精细筛选后的空间目标组合，利用动力学方法计算精筛出的交会时刻tc时的航天器和空间目标的位置和速度；并在时间域[tc-ΔT,tc+ΔT]内用数值寻根方法搜寻精确的交会时刻，获取交会时刻的相对位置；
根据所述交会时刻的相对位置和速度，计算相对距离，结合航天器和空间目标的轨道误差信息计算碰撞概率，与预先确定的预警等级信息进行匹配，确定该组合的预警等级，发出预警信息。
第二方面，本发明实施例还提供一种计算设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述存储器中的计算机程序，具体执行上述第一方面任一所述的基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法的步骤。
第三方面，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一方面任一所述的基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法的步骤。
(三)有益效果
本发明的方法主要采用自适应门限计算、基于运动学方法的快速交会计算和敏捷筛选策略，实现了在不漏警的情况下进一步提高碰撞预警计算的效率，满足了当前越来越多的航天器和空间目标碰撞预警的需求。
本发明的方法在迭代分析中实现了大步长分析计算、运动学数值寻根，以及基于相对距离变化率筛选和交会距离筛选的敏捷筛选，从而在不增加漏警风险的情况下显著提高了碰撞预警计算的效率。
特别地，采用不同于现有碰撞预警中所采用的筛选策略，设计了由近远地点高度筛选、交会点筛选和交会距离筛选组成的敏捷筛选策略，提出了自适应门限计算方法，以及基于运动学方法的快速交会计算方法，实现了在提高碰撞预警效率的同时，确保发现所有交会接近事件。此外本发明中交会点筛选和交会距离筛选是在离散化基础上，利用预警过程中必定会产生的空间目标位置与速度参数进行的，而与具体空间目标的编目数据内容形式无关，因此本发明的适用性广，通用于任何形式的空间目标编目数据。
与现有技术相比，本申请可以进一步提升碰撞预警的计算效率，相对现有技术可以提高计算速度近10倍。
相对现有技术，本发明可以保证预警的可靠性，不遗漏可能的预警事件。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法的流程图；
图2和图3分别为本发明另一实施例提供的基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一个实例的计算效率示意图；
图5为本发明实施例提供的计算设备的示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本申请提出了一种高效高可靠的碰撞预警方法，主要采用自适应门限计算、基于运动学方法的快速交会计算和敏捷筛选策略，实现了大步长分析计算、运动学数值寻根，以及基于相对距离变化率筛选和交会距离筛选的敏捷筛选，在不增加漏警风险的情况下进一步提高碰撞预警计算的效率。
为更好的理解本申请实施例的方法，以下对本申请实施例中的部分词语进行说明。
空间物体：本实施例中是指被人类观测并编目登记的、还在近地空间的轨道上运行的物体，包括航天器、空间碎片、火箭残骸等。
碰撞预警：是指利用空间目标的轨道信息，对未来一段时间内空间目标之间，特别是航天器与空间目标之间的距离接近到一定程度，存在一定碰撞风险的交会事件进行计算分析，并按预先设置的告警门限发出相应预警。
目标筛选：是指从大量的空间目标中，按照特定方法和门限，筛选出与指定航天器或者空间目标存在碰撞可能的潜在危险目标，以提高碰撞预警的计算效率。
敏捷筛选策略：本发明实施例提出的一种结合轨道动力学特点和数值计算特点的目标筛选方式，主要是基于轨道近远地点变化特点、交会相对运动关系，以及运动学方法短时间内精度有保证的特点，由近远地点高度筛选、交会点筛选，以及交会距离筛选组成，并采用循环迭代、逐步提升筛选精度的敏捷策略。
动力学方法：这里是指利用轨道动力学模型，建立的空间目标轨道计算方法，包括常用的简化一般摄动方法和高精度轨道计算方法。
运动学方法：这里是指利用运动学模型建立的空间目标的位置速度近似算法，其误差随时间快速增加。
预警时长：是指对航天器进行碰撞预警分析的从某一时刻开始的一段时间。常规预警时长一般为7天。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供一种基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法，本实施例的执行主体可为任一计算设备。具体地，本实施例的方法可包括下述的步骤：
101、获取待分析的航天器和空间目标的基本信息，以及碰撞预警分析的初始设置参数，将每一航天器和空间目标进行组合，获取适用所有组合的计算交会距离筛选门限和精细交会计算搜索时间门限。
举例来说，可根据预先定义的碰撞预警的信息进行初始化，获取碰撞预警分析的初始设置参数，例如，可包括下述的一种或多种：预警风险等级门限、近远地点筛选门限D、交会距离筛选基准门限、精细交会计算搜索时间基准门限、预警时间段和预警离散分析步长Δt、预警开始时刻t0和结束时刻te、交点距离筛选初始门限ΔH0和交会点时间搜索初始门限ΔT0，以及精细计算的预警等级门限等。
上述待分析的航天器和空间目标的基本信息至少包括：航天器编号及轨道参数，空间目标编号及轨道参数。本实施例的轨道参数可为Kepler根数。
待分析的航天器和空间目标可以是我国的记录在册的航天器和空间目标等，本实施例不对其限定，根据实际需要设置。
其中，在步骤101中，根据预警离散分析步长Δt和预先定义的自适应门限计算模型，计算交会距离筛选门限ΔH和精细交会计算搜索时间门限ΔT：
所述预先定义的自适应门限计算模型包括：
Figure BDA0003476765610000091
Δt0为基础预警离散分析步长，单位为秒，ΔH0和ΔT0为对应基准预警离散分析步长的基准门限，单位分别为千米和秒。
102、针对航天器和空间目标的所有组合进行基于近远地点筛选的粗筛，获取所有存在碰撞可能的空间目标组合；所述空间目标组合为粗筛选后的每一航天器和每一空间目标的组合。
举例来说，可按照近远地点筛选条件对每一个空间目标组合进行粗筛选，符合近远地点筛选条件的空间目标组合作为存在碰撞可能的空间目标组合；
其中，近远地点筛选条件为：
Figure BDA0003476765610000092
Figure BDA0003476765610000093
和
Figure BDA0003476765610000094
为航天器k在近地点高度和远地点高度；
Figure BDA0003476765610000095
和
Figure BDA0003476765610000096
为空间目标j的近地点高度和远地点高度；max(*,*)表示取两者的大者，min(*,*)表示取两者的小者；Hp为近地点高度，Ha为远地点高度，下标“s”表示航天器，下标“o”表示空间目标；D为近远地点筛选门限；k＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M；N和M为大于1的自然数。
103、针对所有存在碰撞可能的空间目标组合，采用遍历方法遍历预警时间段的各预警时刻，在每一预警时刻，采用敏捷筛选策略对空间目标组合进行基于交会点筛选条件和交会距离筛选条件的精细筛选。
为更好的理解步骤103，以下对步骤103的过程进行详细说明：
P1、针对粗筛后的航天器，利用动力学方法，计算ti预警时刻的位置和速度；
P2、针对粗筛后的空间目标，利用动力学方法，计算ti预警时刻的位置和速度；
P3、在预警时刻ti对每一对组合进行基于交会点筛选条件的精细筛选；
举例来说，每一预警时刻的交会点筛选条件：
Figure BDA0003476765610000101
且
Figure BDA0003476765610000102
i为大于0的自然数。
本实施例中，
Figure BDA0003476765610000103
为当前预警时刻空间目标相对航天器的距离变化率，
Figure BDA0003476765610000104
为前一预警时刻空间目标相对航天器的距离变化率。
P4、对通过交会点筛选条件的空间目标组合，采用数值寻根确定交会时刻，计算对应的相对距离；在数值寻根迭代过程中采用运动学交会计算方法计算空间目标组合的相对位置和相对速度；
可理解的是，在预警分析的当前时刻ti和前一时刻ti-1之间，利用数值寻根方法确定交会的近似时刻和相对距离；在数值寻根计算时所需的航天器和空间目标的相对位置和速度如下方式计算：
Figure BDA0003476765610000105
Figure BDA0003476765610000106
Figure BDA0003476765610000107
Figure BDA0003476765610000108
Figure BDA0003476765610000109
Figure BDA00034767656100001010
Figure BDA00034767656100001011
其中，
Figure BDA00034767656100001012
为ti时刻航天器的位置速度，
Figure BDA00034767656100001013
为ti时刻空间目标的位置速度，
Figure BDA00034767656100001014
分别为ti时刻空间目标相对航天器的位置、速度和加速度矢量；
Figure BDA0003476765610000111
为ti+dt时刻空间目标相对航天器的位置和速度矢量；μ为地球引力常数；
Figure BDA0003476765610000112
分别为航天器和空间目标在ti+dt时刻的相对距离与相对距离变化率，dt为寻根计算时找到的中间时刻与当前时刻的差。
P5、基于通过交会点筛选条件的空间目标组合的交会时刻、相对距离，进行基于交会距离筛选条件(如ρc≤ΔH)的精细筛选，得到精细筛选后的空间目标组合。
本实施例中，ρc为计算得到的空间目标和航天器间的最小相对距离，下标“c”表示交会。
104、针对通过精细筛选的空间目标组合，在精细交会计算搜索时间门限内进行精细交会计算搜索，计算相对距离和参数，发出预警信息。
本步骤中，可针对精细筛选后的空间目标组合，利用动力学方法计算精筛出的交会时刻tc时的航天器和空间目标的位置和速度；并在时间域[tc-ΔT,tc+ΔT]内用数值寻根方法搜寻精确的交会时刻，获取交会时刻的相对位置。
根据所述交会时刻的相对位置和速度，计算相对距离，结合航天器和空间目标的轨道误差信息计算碰撞概率，与预先确定的预警等级信息进行匹配，确定该组合的预警等级，发出预警信息。
本实施例的方法在不增加漏警风险的情况下显著提高了碰撞预警计算的效率。本发明中交会点筛选和交会距离筛选是在离散化基础上，利用预警过程中必定会产生的空间目标位置与速度参数进行的，而与具体空间目标的编目数据内容形式无关，因此本发明的适用性广，通用于任何形式的空间目标编目数据。
实施例二
如图2至图4所示，本实施例提供更详细的基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法的步骤。
本实施例的方法不同于现有的筛选方法，为了保证筛选精度，提高计算效率，基于循环迭代、逐步提高筛选精度的思想，设计了由近远地点筛选、交会点筛选和交会距离筛选组成的敏捷筛选策略：首先对所有航天器和空间目标的组合进行受轨道误差影响小的近远地点高度筛选，粗筛出所有可能的目标交会组合；而后对通过近远地点筛选的组合，在预警离散化分析的每一步计算中，利用两空间目标交会时相对距离变化率的变化特点，交会点筛选，实现交会点的初略定位；对筛选出交会点的组合再用运动学交会计算确定近似交会点，计算相对距离，根据交会距离筛选条件进行交会距离筛选模型，实现交会事件的精细筛选。
S1：在计算设备中进行初始化。
具体地，根据预先设定的设置信息，初始化预警离散分析步长Δt(如900秒)、预警开始时刻t0和结束时刻te，近远地点高度筛选门限D(如10km)，交点距离筛选初始门限ΔH0(如12km)和交会点时间搜索初始门限ΔT0(如15秒)，以及精细计算的预警等级门限等。
S2：获取用户事先准备好的N颗航天器和M个编目空间目标的轨道参数，主要包括航天器和空间目标的编号，轨道历元，轨道参数(可以是Kepler根数、位置速度，或者TLE参数)；如果轨道参数是位置速度，则进一步将其转换为Kepler根数。
S3：根据初始化的预警离散分析步长Δt，按下式(1)计算高度筛选门限ΔH和交会点时间搜索门限ΔT：
Figure BDA0003476765610000121
ΔH0和ΔT0为对应基准预警分析步长的基准门限，取值建议为：10km≤ΔH0≤40km，10sec≤ΔT0≤30sec；Δt为预警分析步长，单位为秒，为了不引入额外计算以保证交会参数计算的准确，建议取值不要超过900秒。优选地，公式(1)可为：
Figure BDA0003476765610000131
S4：近远地点高度筛选：对所有航天器和空间目标的组合进行近远地点筛选。
例如，利用航天器k(k＝1,2,…,N)和空间目标j(j＝1,2,…,M)的轨道半长轴和偏心率，计算各自的近地点和远地点高度，而后根据下面的近远地点筛选条件进行筛选，对满足筛选不等式要求的航天器和空间目标组合(Sk,Oj)标注通过筛选，不满足的标注不通过标识(这里不通过即不需要碰撞预警分析)。
Figure BDA0003476765610000132
其中，
Figure BDA0003476765610000133
和
Figure BDA0003476765610000134
为航天器k在近地点高度和远地点高度；
Figure BDA0003476765610000135
和
Figure BDA0003476765610000136
为空间目标j的近地点高度和远地点高度。
上述步骤S1至步骤S4可为对所有航天器和空间目标的组合进行敏捷筛选策略中的第一步筛选：近远地点高度筛选，筛选出所有存在交会接近可能的航天器与空间目标(称为空间目标组合)，用于下述的碰撞预警计算。
下述的预警分析时段中，对通过粗筛选的空间目标组合进行预警离散化分析。
S5：计算确定预警开始时刻t0时，每一对通过步骤S4筛选的组合的相对距离变化率的符号；赋i＝1；
S6：利用动力学方法，计算时刻ti＝t0+i×Δt所有航天器的位置速度。
S7：按照动力学方法，计算ti时刻空间目标j的位置速度。
S8：若空间目标j与航天器k的组合为通过步骤S4筛选筛选的组合，则计算两者的相对距离和相对距离变化率；反之，则跳到步骤S13。
S9：根据交会点筛选条件，进行交会点筛选：若不满***会点筛选条件，则跳到步骤S13；若交会点筛选条件满足，则进入步骤S10。
该步骤中交会点筛选条件的筛选是敏捷筛选方法中的第二步筛选，实现粗略确定航天器与空间目标组合的交会点；通过交会点筛选的空间目标组合，再用运动学交会计算方法确定近似交会点，计算相对距离，进行敏捷筛选策略中的第三步精确筛选。
S10：用二分法在时间域[ti-1,ti]内寻找航天器k和空间目标j间相对距离变化率为0的时刻tc，找到tc后再计算对应的相对距离；在用二分法计算tc时所需的航天器k和空间目标j的相对位置和速度，利用运动学交会计算模型计算得到。
S11：根据交会距离筛选条件进行交会距离筛选：若tc时刻的相对距离大于交会距离门限，则进入S13；若不大于交会距离门限，则进行步骤S12。
该步骤中交会距离筛选是敏捷筛选方法中的第三步筛选，实现航天器与空间目标组合的精细筛选。
S12：进行精细交会时刻和参数计算：先利用动力学方法计算tc时刻航天器k和空间目标j的位置速度，而后在时间域[tc-ΔT,tc+ΔT]内用二分法搜寻精确的交会时刻，计算相对距离和速度，最后按相应的预警门限确定预警等级参数。
在该步骤中，在二分法计算时航天器和空间目标的相对位置和速度利用运动学交会计算模型进行计算。
S13：若k<N，则k＝k+1，回到步骤S8；反之，进入步骤S14。
S14：若j<M，则j＝j+1，回到步骤S7；反之，则进入步骤S15。
S15：若ti<te，则i＝i+1，跳到步骤S6；反之，则结束预警分析。
为更好理解上述部分步骤中的计算过程，下面对筛选条件和运动学交会计算方法进行说明。
近远地点筛选条件：max(Hp,s,Hp,o)-min(Ha,s,Ha,o)<D(如D＝10千米)
交会点筛选条件：
Figure BDA0003476765610000151
且
Figure BDA0003476765610000152
交会距离筛选条件：ρc≤ΔH
其中，max(*,*)表示取两者的大者，min(*,*)表示取两者的小者；Hp为近地点高度，Ha为远地点高度，下标“s”表示航天器，下标“o”表示空间目标；D为近远地点筛选门限。
Figure BDA0003476765610000153
为当前时刻空间目标相对航天器的距离变化率，
Figure BDA0003476765610000154
为前一预警分析时刻空间目标相对航天器的距离变化率；ρc为运动学交会计算得到空间目标相对航天器的最近距离，下标“c”表示交会。
运动学交会计算方法：对通过交会点筛选的事件，在预警分析的当前时刻ti和前一时刻ti-1之间，利用数值寻根方法确定交会的近似时刻和相对距离。在寻根计算时所需的航天器和空间目标的相对位置和速度利用以下运动学方法计算：
Figure BDA0003476765610000155
Figure BDA0003476765610000156
Figure BDA0003476765610000157
Figure BDA0003476765610000158
Figure BDA0003476765610000159
Figure BDA00034767656100001510
Figure BDA0003476765610000161
其中，
Figure BDA0003476765610000162
为ti时刻航天器的位置速度，
Figure BDA0003476765610000163
为ti时刻空间目标的位置速度，
Figure BDA0003476765610000164
分别为ti时刻空间目标相对航天器的位置、速度和加速度矢量；
Figure BDA0003476765610000165
为ti+dt时刻空间目标相对航天器的位置和速度矢量；μ为地球引力常数；
Figure BDA0003476765610000166
分别为航天器和空间目标在ti+dt时刻的相对距离与相对距离变化率，dt为寻根计算时找到的中间时刻与当前时刻的差。
本实施例中针对算法流程进行优化调整，实现了大步长分析计算、运动学数值寻根，以及基于相对距离变化率筛选和交会距离筛选的敏捷筛选，在不增加漏警风险的情况下显著提高了碰撞预警计算的效率。
与现有技术相比，上述实施例的方法可以进一步提升碰撞预警的计算效率，相对现有技术可以提高计算速度近10倍。图4是在inter CORE i7 1165G7型号的处理器上，用本实施例的方法研制碰撞预警分析软件在对不同数量的航天器预警3天(相应的空间目标数量为21935个)所消耗的计算时间，其中横坐标为航天器数量，纵坐标为消耗的机时(单位秒)，可见平均每个航天器的预警分析时间不超过0.1秒。
相对现有技术，本实施例的方法可以保证预警的可靠性，不遗漏可能的预警事件；同时，本实施的方法不需要进行专门的空间目标编目数据内容的转换，就可适用于基于任何形式的空间目标编目数据进行碰撞预警分析工作。
实施例三
如图5所示，本实施例还提供一种计算设备，包括：存储器和处理器；所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机程序，以实现执行上述实施例一和实施例二任意所述的基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法的步骤。
具体地，如图5所示，本实施例的计算设备可包括：至少一个处理器51、至少一个存储器52、至少一个网络接口54和/或其他的用户接口53。电子设备中的各个组件通过总线***55耦合在一起。可理解，总线***55用于实现这些组件之间的连接通信。总线***55除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图5中将各种总线都标为总线***55。
本实施例的计算设备可以执行图1和图2任意所示的方法，其中，用户接口53可以包括显示器、键盘或者点击设备(例如，鼠标或者触感板等)。
可以理解，本实施例中的存储器52可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。本文描述的存储器52包括任意其它适合类型的存储器。
在一些实施方式中，存储器52存储了如下的元素，可执行单元或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作***521和应用程序522。
其中，操作***521，包含各种***程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序522，包含各种应用程序，例如媒体播放器(MediaPlayer)、浏览器(Browser)等，用于实现各种应用业务。实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序522中。
在本发明实施例中，处理器51通过调用存储器52存储的程序或指令，具体的，可以是应用程序522中存储的程序或指令，处理器51用于执行第一方面所提供的基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法的步骤。
上述本发明实施例揭示的方法可以应用于处理器51中，或者由处理器51实现。处理器51可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器51中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器51可以是通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件单元组合执行完成。软件单元可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器52，处理器51读取存储器52中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
另一方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其用于存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意实施例的基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法的步骤。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法，其特征在于，包括：
101、获取待分析的航天器和空间目标的基本信息，以及碰撞预警分析的初始设置参数，将每一航天器和空间目标进行组合，获取适用所有组合的计算交会距离筛选门限和精细交会计算搜索时间门限；
102、针对航天器和空间目标的所有组合进行基于近远地点筛选的粗筛，获取所有存在碰撞可能的空间目标组合；所述空间目标组合为粗筛选后的每一航天器和每一空间目标的组合；
103、针对所有存在碰撞可能的空间目标组合，采用遍历方法遍历预警时间段的各预警时刻，在每一预警时刻，采用敏捷筛选策略对空间目标组合进行基于交会点筛选条件和交会距离筛选条件的精细筛选；
104、针对通过精细筛选的空间目标组合，在精细交会计算搜索时间门限内进行精细交会计算搜索，计算相对距离和参数，发出预警信息；
其中，所述101包括：
航天器和空间目标的基本信息至少包括：航天器编号及轨道参数，空间目标编号及轨道参数；
碰撞预警分析初始设置参数至少包括：预警风险等级门限、近远地点筛选门限、交会距离筛选基准门限、精细交会计算搜索时间基准门限、预警时间段和预警离散分析步长；
其中，根据预警离散分析步长Δt、交会距离筛选基准门限ΔH0、精细交会计算搜索时间基准门限ΔT0、和预先定义的自适应门限计算模型，计算交会距离筛选门限ΔH和精细交会计算搜索时间门限ΔT：
所述预先定义的自适应门限计算模型包括：
Figure FDA0003768656740000011
Δt0为基础预警离散分析步长，单位为秒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述102包括：
按照近远地点筛选条件对每一个空间目标组合进行粗筛选，符合近远地点筛选条件的空间目标组合作为存在碰撞可能的空间目标组合；
其中，近远地点筛选条件为：
Figure FDA0003768656740000021
Figure FDA0003768656740000022
和
Figure FDA0003768656740000023
为航天器k在近地点高度和远地点高度；
Figure FDA0003768656740000024
和
Figure FDA0003768656740000025
为空间目标j的近地点高度和远地点高度；max(*,*)表示取两者的大者，min(*,*)表示取两者的小者；Hp为近地点高度，Ha为远地点高度，下标“s”表示航天器，下标“o”表示空间目标；D为近远地点筛选门限；k＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M；N和M为大于1的自然数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述103包括：
P1、针对粗筛后的航天器，利用动力学方法，计算ti预警时刻的位置和速度；
P2、针对粗筛后的空间目标，利用动力学方法，计算ti预警时刻的位置和速度；
P3、在预警时刻ti对每一对组合进行基于交会点筛选条件的精细筛选；
P4、对通过交会点筛选条件的空间目标组合，采用数值寻根确定交会时刻，计算对应的相对距离；在数值寻根迭代过程中采用运动学交会计算方法计算空间目标组合的相对位置和相对速度；
P5、基于通过交会点筛选条件的空间目标组合的交会时刻、相对距离，进行基于交会距离筛选条件的精细筛选，得到精细筛选后的空间目标组合。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
P3中，每一预警时刻的交会点筛选条件：
Figure FDA0003768656740000026
且
Figure FDA0003768656740000027
P5中的交会距离筛选条件：ρc≤ΔH；
其中，
Figure FDA0003768656740000031
为当前预警时刻空间目标相对航天器的距离变化率，
Figure FDA0003768656740000032
为前一预警时刻空间目标相对航天器的距离变化率；ρc为计算得到的空间目标和航天器间的最小相对距离，下标“c”表示交会。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，P4中，在数值寻根迭代过程中采用运动学交会计算方法计算空间目标组合的相对位置和相对速度，包括：
在预警分析的当前时刻ti和前一时刻ti-1之间，利用数值寻根方法确定交会的近似时刻和相对距离；在数值寻根计算时所需的航天器和空间目标的相对位置和速度如下：
Figure FDA0003768656740000033
Figure FDA0003768656740000034
Figure FDA0003768656740000035
Figure FDA0003768656740000036
Figure FDA0003768656740000037
Figure FDA0003768656740000038
Figure FDA0003768656740000039
其中，
Figure FDA00037686567400000310
为ti时刻航天器的位置速度，
Figure FDA00037686567400000311
为ti时刻空间目标的位置速度，
Figure FDA00037686567400000312
分别为ti时刻空间目标相对航天器的位置、速度和加速度矢量；
Figure FDA00037686567400000313
为ti+dt时刻空间目标相对航天器的位置和速度矢量；μ为地球引力常数；
Figure FDA00037686567400000314
分别为航天器和空间目标在ti+dt时刻的相对距离与相对距离变化率，dt为寻根计算时找到的中间时刻与当前时刻的差。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述104包括：
针对精细筛选后的空间目标组合，利用动力学方法计算精筛出的交会时刻tc时的航天器和空间目标的位置和速度；并在时间域[tc-ΔT,tc+ΔT]内用数值寻根方法搜寻精确的交会时刻，获取交会时刻的相对位置；
根据所述交会时刻的相对位置和速度，计算相对距离，结合航天器和空间目标的轨道误差信息计算碰撞概率，与预先确定的预警等级信息进行匹配，确定该组合的预警等级，发出预警信息。
7.一种计算设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述存储器中的计算机程序，具体执行上述权利要求1至6任一所述的基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法的步骤。
8.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一所述的基于敏捷筛选策略的空间目标碰撞预警方法的步骤。
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