[发明专利]一种用于编队卫星在轨运行安全的防碰控制方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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.[J].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.[J].空间科学学报，2009，29(4)：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.[D].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.[J].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.[J].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。

发明内容

本发明的目的是提出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。

本发明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其中|C_e|表示协方差矩阵C_e的行列式的值，中的T表示相遇平面-相对位置的转置矩阵；

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(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}＝∫_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，v为瞬时相对速度，dt表示对时间的微分；