[发明专利]一种航天器规避空间碎片的轨道设计方法、系统及装置

说明书

本发明公开了一种航天器规避空间碎片的轨道设计方法、系统及装置，方法包括：构建在摄动情况下，航天器和空间碎片的动力学模型；对航天器和空间碎片的动力学模型进行数据处理，获取航天器和空间碎片的位置信息；对航天器的脉冲速度增量进行建模，获取航天器初始状态增量集合；根据航天器和空间碎片的位置信息，对不同机动脉冲速度增量进行数据处理，得到不同状态下航天器与空间碎片的位置信息；对比不同状态下航天器与空间碎片的位置信息，选取航天器最优规避方案。该方法可以通过计算航天器的脉冲速度增量，选取最优的规避方案，且在考虑摄动力的情况下保证运算精度，对不同高度不同情况下的轨道具有普适性。

技术领域

本发明属于航天器技术领域，涉及一种航天器规避空间碎片的轨道设计方法、系统及装置。

背景技术

随着航天技术的飞速发展，近地轨道空间碎片的数量持续增加。根据欧洲空间监视网的数据显示，截至2021年1月，直径超过10cm的空间碎片超过34000个，太空碎片造成的碰撞或解体等危险事件超过560次。一般来说，由于空间碎片与人造航天器之间的相对速度极大，一旦发生空间碰撞，在轨航天器将受到严重损坏甚至爆炸解体。历史上曾发生多起空间碰撞事件，如1991年俄罗斯的COSMOS1934航天器与编目的13475号空间碎片发生碰撞；1996年法国“樱桃”号航天器和编目的18208号空间碎片碰撞；2005年THOR BURNER2A火箭体与编目的26207号空间碎片碰撞；2009年COSMOS2251航天器与IRIDIUM33航天器发生碰撞。每次超高速空间碰撞，都极易造成空间物体解体，产生更多空间碎片，造成恶性循环，如2009年COSMOS2251航天器与IRIDIUM33航天器发生碰撞，总共产生2201个编目碎片。空间物体之间的相互碰撞不仅会对在轨航天器造成巨大的威胁，而且成为当前空间碎片增长的最主要因素。随着空间碰撞、解体产生的碎片不断累积，空间碰撞的级联效应(凯斯勒现象)将会愈发明显。凯斯勒现象将造成近地轨道被危险的太空垃圾所覆盖，失去能够安全运行的轨道。因此，如何针对已有的空间碎片进行航天器规避轨道设计是减少空间碰撞的重要前提，也是对空间安全的重要保证。

Patera和Russell P在文献《General Method for Calculating SatelliteCollision Probability》中基于概率计算模型，通过一维碰撞概率积分方法推导速度增量的最优解，并利用两体轨道积分代替高精度轨道积分研究碰撞规避机动策略，该方法通过忽略部分摄动项得到规避轨道设计的解析方案，但其忽略的摄动项将会导致计算精度大大降低；为了提高运算精度，Lee S C、Kim H D以及Suk J在文献《Collision avoidancemaneuver planning using GA for LEO and GEO satellite maintained in keepingarea》中针对燃料消耗和机动时长，采用遗传算法对多目标优化问题进行求解，得到碰撞规避机动策略，该方法采用了一种启发式算法的方式自主搜索结果，但启发式算法往往容易陷入局部最优，自身存在诸如轨道高度、轨道形状等的限制条件。

目前主流的在轨航天器规避轨道设计方法分为如下两种：第一种是通过忽略月球引力、太阳引力、太阳光压以及稀薄大气阻力等摄动项的影响，得到解析形式的规避轨道设计方案；第二种是通过启发式算法自主搜索规避策略。为了保证在轨航天器规避空间碎片的规避轨道设计的准确性，使计算偏差带来的不良影响尽可能小，需要考虑摄动项的影响，但会增加计算的复杂度，使得轨道动力学方程呈强非线性。此外，还应避免规避轨道设计过程中受到局部最优、诸如轨道高度等的一系列外因限制或高昂的搜索结果，进而使得所提出的规避轨道设计方法具有通用性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种航天器规避空间碎片的轨道设计方法、系统及装置；在摄动的情况下，通过建立航天器和空间碎片的动力学模型，得到航天器和空间碎片的位置信息，当空间碎片靠近航天器时，航天器通过脉冲机动规避空间碎片从而保证航天器的安全。该方法可以通过计算航天器的脉冲速度增量，选取最优的规避方案，且在考虑摄动力的情况下保证运算精度，对不同高度不同情况下的轨道具有普适性。