一种非合作目标全自主防撞规避方法与流程

1.本发明涉及卫星制导、导航与控制技术，特别是涉及一种在轨卫星自主运行防撞规避的方法。


背景技术：

2.当卫星在境外长工作时没有地面测控，如若受到未知目标撞击或者空间碎片碰撞均无法及时依靠地面策略进行规避，将带来巨大损失。为了保障高价值卫星在轨自主安全运行，一般卫星在总体设计时安装告警雷达，提供未知目标的相对位置信息，告警雷达工作为全空域范围，可以预报全方位的威胁。
3.告警雷达仅能测量未知目标信息，需要卫星控制系统对测量信息进行处理，并制定相应的规避策略，基于上述问题在此对卫星在轨长期自主运行提出了新的挑战。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种在轨卫星自主运行防撞规避的方法，实现卫星在轨自主运行时，对空间碎片或者异常未知目标的规避。
5.为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
6.一种非合作目标全自主防撞规避方法，包括：
7.步骤s1、星上告警雷达发现未知目标，捕获跟踪所述未知目标，获取所述未知目标相对主星的相对位置、相对速度；
8.步骤s2、根据所述相对位置和相对速度，采用变尺度直接逼近算法计算所述未知目标与主星之间的最近距离，以及到达所述最近距离的间隔时间，在此称为碰撞时间；
9.步骤s3、根据所述主星的卫星尺寸、未知目标运动估计精度和碰撞间隔，计算完全规避所述未知目标所需机动的最小距离，在此称为安全距离；
10.步骤s4、根据所述碰撞时间，制定分级规避策略；根据所述安全距离，计算规避所需的速度脉冲；根据所述未知目标来袭速度方向，确定规避的速度方向；根据当前所述主星的机动能力，计算喷气时长；喷气执行完成后，当所述主星与所述未知目标最近相对距离大于安全距离，则规避成功。
11.可选地，所述步骤s1包括：通过所述星上告警设备获取测距测角信息，数据处理后得到相对位置信息，采用基于cw方程的衰减卡尔曼滤波算法对所述相对位置信息进行滤波估计，得到所述相对位置和所述相对速度。
12.可选地，所述步骤s2包括：根据cw方程解析解表达式和已知条件可以得到两星相对运动方程式：
[0013][0014]
其中，t表示递推时长(距离初始时刻的间隔时间)；w为平均轨道角速度，[x0 y0 z0 v
x0 v
y0 v
z0
]为初始未知目标相对主星的相对位置和相对速度。
[0015]
可选地，所述步骤s2还包括：求解所述碰撞时间tp步骤包括：
[0016]
步骤s2.1、根据当前相对位置和速度，得到主星运行到所述最近距离所需要的时间tf；
[0017][0018]
步骤s2.2、时间从0～tf，采用变步长搜索法得到距离精度高于0.01m时，对应的tmz，tmz表示两星距离最近的时间间隔：
[0019]
步骤s2.2.1、初始搜索步长step1设为100s；t从0～tf，分别计算
[0020]
xt0＝cwditui(rv0,n,t-step1)
[0021]
其中，式中，xt0表示t-step1时刻的相对位置速度矢量；rv0表示初始相对位置速度矢量；cwditui表示cw方程解析解函数，第一拍xt0＝rv0，n表示平均轨道角速度，t表示距离初始时刻的间隔时间；
[0022]
xt1＝cwditui(rv0,n,t+step1)
[0023]
其中，式中，xt1＝表示t+step1时刻的相对位置速度矢量；若t+step1》 tf，则令递推时长为tf；
[0024]
xt＝cwditui(rv0,n,t)
[0025]
其中，式中，xt表示t时刻的相对位置速度矢量；
[0026]
比较递推到时刻t，t+step1，判断碰撞时间是否在该范围内
[0027]
(norm(xt1(1:3))-norm(xt (1:3)))*(norm(xt (1:3))-norm(xt0(1:3)))《0；
[0028]
若是，则进入步骤s2.2.2；
[0029]
若否，则返回步骤s2.2.1、且令t＝t+step1，重新进行判断；
[0030]
步骤s2.2.2、第二级搜索步长step2设为10s，t1从t～t+step1，分别计算xt0＝cwditui(rv0,n,t1)；
[0031]
xt1＝cwditui(rv0,n,t1+step2)
[0032]
其中， 若t1+step2＞t+step1， 则令递推时长为 t+step1，xt0＝cwditui(rv0,n,t1-step2)；
[0033]
比较递推到时刻t1-step2，t1，t1+step2，判断碰撞时刻是否在该范围内；
[0034]
abs(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))＞0.01且
[0035]
(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))*(norm(xt0(1:3))-norm(xt00(1:3)))《0
[0036]
若是，则返回步骤s2.2.2，且令step2＝step2/2重新开始判断；
[0037]
若否，则未到碰撞时刻
[0038]
abs(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))＞0.01且(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))*(norm(xt0(1:3))-norm(xt00(1:3)))》0且令t1＝t1+step2，返回所述步骤s2.2.2；
[0039]
否则，即满足条件abs(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))≤0.01，即当前迭代时刻t1为碰撞时间tp，完成解算。
[0040]
可选地，还包括：根据碰撞时间tp求解到达最近距离的位置速度矢量rvp：
[0041]
rvp＝cwditui(rv0,n,tp)
[0042]
求解最近距离r
min
：r
min
＝norm(rvp(1:3))。
[0043]
可选地，所述步骤s3包括：根据碰撞时间tp和目标运动估计算法的位置速度精度r和速度精度v，计算安全距离r
safe
＝r+v
·
tp+s；其中，s为卫星尺寸。
[0044]
可选地，所述步骤s4包括：根据所述碰撞时间，制定分级规避策略：
[0045]
步骤s4.1、进行碰撞概率和时间计算；
[0046]
步骤s4.2、碰撞时间小于50s的不采取规避机动；
[0047]
步骤s4.3、碰撞时间大于50s，且最近距离持续1分钟小于安全距离，置碰撞预警标志，并采取规避机动；当卫星处于安全距离以外时候，解除碰撞预警；
[0048]
步骤s4.4、碰撞时间大于250s的，采用分级预警策略；
[0049]
所述分级预警策略包括：
[0050]
碰撞时间2000s时刻，最近距离持续1分钟小于安全距离，卫星给出第一次碰撞预警信号，卫星由地面决策是否进行规避机动；
[0051]
碰撞时间1000s时刻，最近距离持续1分钟小于安全距离，卫星给出第二次碰撞预警信号，卫星由地面决策是否进行规避机动；当卫星处于安全距离以外时候，卫星解除碰撞预警；
[0052]
碰撞时间500s时刻，最近距离持续1分钟小于安全距离，卫星自主进行规避机动。
[0053]
可选地，所述步骤s4还包括：根据所述安全距离，计算规避所需的速度脉冲vy：
[0054]
vy＝a*tj
[0055]
其中，规避时长a为卫星的机动加速度，r
safe
为需要规避的安全距离。
[0056]
可选地，所述步骤s4还包括：根据所述未知目标来袭速度方向，确定规避的速度方向：
[0057][0058]
根据当前卫星平赤经lb大小，确定卫星的喷气方向，当lb∈(0,π)，vy＝atj否则vy＝-a
·
tj，rvp(5)表示两星最近距离时的y方向相对速度；rvp(6)表示两星最近距离时的z方向相对速度。
[0059]
可选地，所述步骤s4还包括：根据当前所述主星各轴的机动能力，计算对应喷气时长；喷气执行完成后，基于当前的相对位置和相对速度，重复步骤s2计算两星最近相对距离，当所述主星与所述未知目标最近相对距离大于安全距离，则规避成功。
[0060]
本发明采用的方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：实现了星上全自主的安全防撞规避机动，减小了对地面测定轨的依赖，提高了卫星运行的安全性和时效性；通过算法原理及相对运动动力学方程推导可知：只需要知道当前目标的相对位置速度信息，便可得到两星相距的最近距离和时间，是否存在碰撞风险，实现算法简单；该方法仅对y轴方向施加控制脉冲，并未改变x轴方向的距离速度，因此未改变伴飞轨迹的稳定关系，还可继续执行原来的编队任务，和原目标没有安全风险；由于规避过程中仅y轴方向施加控制脉冲，控制方向为南北位保的方向，有效节约了南北位保的燃料消耗。
附图说明
[0061]
图1为本发明一实施例提供的一种非合作目标全自主防撞规避方法的流程示意图；
[0062]
图2为本发明一实施例提供的一种非合作目标全自主防撞规避方法中的告警规避相对运动变化示意图；
[0063]
图3为本发明一实施例提供的一种非合作目标全自主防撞规避方法中的规避方向示意图。
具体实施方式
[0064]
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种非合作目标全自主防撞规避方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0065]
非合作目标全自主防撞规避方法目的要实现卫星对空间碎片或者异常未知目标的规避。本发明给出了以基于星上告警雷达测量信息，滤波得到未知目标的相对位置、相对速度信息和相对运动动力学构建最近距离和碰撞时间的表达式，建立了以星上目标运动估计数据进行防撞规避的理论依据，基于此设计了防撞规避策略。
[0066]
本发明基于星上告警雷达测量信息，解决了地面对非合作目标测定轨精度低，境外无法测控，地面轨控策略制定慢等技术难点，实现了非合作目标全自主防撞规避方法目的。
[0067]
如图1所示，本实施例提供的一种非合作目标全自主防撞规避方法，包括：步骤s1、星上告警雷达发现未知目标，捕获跟踪所述未知目标，获取所述未知目标相对主星的相对位置、相对速度。
[0068]
在本实施例中，所述步骤s1包括：通过所述星上告警设备获取测距测角信息，数据
处理后得到相对位置信息，采用基于cw方程的衰减卡尔曼滤波算法对所述相对位置信息进行滤波估计，得到所述相对位置和所述相对速度。
[0069]
步骤s2、根据所述相对位置和相对速度，采用变尺度直接逼近算法计算所述未知目标与主星之间的最近距离，以及到达所述最近距离的间隔时间，在此称为碰撞时间。
[0070]
在本实施例中，所述步骤s2包括：根据cw方程解析解表达式和已知条件可以得到两星相对运动方程式：
[0071][0072]
其中，t表示递推时长(距离初始时刻的间隔时间)；w为平均轨道角速度，[x0 y0 z0 v
x0 v
y0 v
z0
]为初始未知目标相对主星的相对位置和相对速度。
[0073]
所述步骤s2还包括：求解所述碰撞时间tp步骤包括：步骤s2.1、根据当前相对位置和速度，得到主星运行到所述最近距离所需要的时间tf；
[0074][0075]
步骤s2.2、时间从0～tf，采用变步长搜索法得到距离精度(搜索到前后两拍距离精度优于0.01m)高于0.01m(0.01m表示变步长搜索阈值，可修改)对应的tmz(tmz表示两星距离最近的时间间隔)：即，变步长计算得到两星未来距离最近的时间和相对位置速度(和二分法类似)。
[0076]
步骤s2.2.1、初始搜索步长step1设为100s；t从0～tf，分别计算
[0077]
xt0＝cwditui(rv0,n,t-step1)
[0078]
其中，式中，xt0表示t-step1时刻的相对位置速度矢量；rv0表示初始相对位置速度矢量；cwditui表示cw方程的解析解函数，第一拍xt0＝rv0，n表示平均轨道角速度，t表示距离初始时刻的间隔时间；
[0079]
xt1＝cwditui(rv0,n,t+step1)
[0080]
其中，式中，xt1＝表示t+step1时刻的相对位置速度矢量；若t+step1》tf，则令递推时长为tf；
[0081]
xt＝cwditui(rv0,n,t)
[0082]
其中，式中，xt表示t时刻的相对位置速度矢量；
[0083]
比较递推到时刻t，t+step1，判断碰撞时间是否在该范围内
[0084]
(norm(xt1(1:3))-norm(xt(1:3)))*(norm(xt(1:3))-norm(xt0(1:3)))《0；此公
式表示最近距离时刻在t～t+step1范围内。
[0085]
若是，则进入步骤s2.2.2；
[0086]
若否，则返回步骤s2.2.1、且令t＝t+step1，重新进行判断；
[0087]
步骤s2.2.2、第二级搜索步长step2设为10s，t1从t～t+step1，分别计算
[0088]
xt0＝cwditui(rv0,n,t1)
[0089]
xt1＝cwditui(rv0,n,t1+step2)
[0090]
其中，若t1+step2＞t+step1，则令递推时长为t+step1，
[0091]
xt0＝cwditui(rv0,n,t1-step2)
[0092]
比较递推到时刻t1-step2，t1，t1+step2，判断碰撞时刻是否在该范围内；
[0093]
abs(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))＞0.01且(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))*(norm(xt0(1:3))-norm(xt00(1:3)))《0，此公式表示最近距离时刻在t-step2～t+step2范围内。
[0094]
若是，则返回步骤s2.2.2，且令step2＝step2/2重新开始判断；
[0095]
若否，则未到碰撞时刻
[0096]
abs(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))＞0.01且(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))*(norm(xt0(1:3))-norm(xt00(1:3)))》0且令t1＝t1+step2，返回所述步骤s2.2.2；
[0097]
否则，即满足条件abs(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))≤0.01，即当前迭代时刻t1为碰撞时间tp，完成解算。
[0098]
步骤s3、根据所述主星的卫星尺寸、未知目标运动估计精度和碰撞间隔，计算完全规避所述未知目标所需机动的最小距离，在此称为安全距离。
[0099]
根据碰撞时间tp求解到达最近距离的位置速度矢量rvp：
[0100]
rvp＝cwditui(rv0,n,tp)
[0101]
求解最近距离rmin：rmin＝norm(rvp(1:3))。
[0102]
所述步骤s3包括：根据碰撞时间tp和目标运动估计算法的位置速度精度r和速度精度v，计算安全距离r
safe
＝r+v
·
tp+s；其中，s为卫星尺寸。
[0103]
步骤s4、根据所述碰撞时间，制定分级规避策略；根据所述安全距离，计算规避所需的速度脉冲；根据所述未知目标来袭速度方向，确定规避的速度方向；根据当前所述主星的机动能力，计算喷气时长；喷气执行完成后，当所述主星与所述未知目标最近相对距离大于安全距离，则规避成功。
[0104]
所述步骤s4包括：根据所述碰撞时间，制定分级规避策略：
[0105]
步骤s4.1、进行碰撞概率和时间计算；
[0106]
步骤s4.2、碰撞时间小于50s的不采取规避机动；
[0107]
步骤s4.3、碰撞时间大于50s，且最近距离持续1分钟小于安全距离，置碰撞预警标志，并采取规避机动；当卫星处于安全距离以外时候，解除碰撞预警；
[0108]
步骤s4.4、碰撞时间大于250s的，采用分级预警策略；
[0109]
分级预警策略设计原则是降低虚警率，避免误操作；
[0110]
所述分级预警策略包括：
[0111]
碰撞时间2000s时刻，最近距离持续1分钟小于安全距离，卫星给出第一次碰撞预警信号，卫星由地面决策是否进行规避机动；
[0112]
碰撞时间1000s时刻，最近距离持续1分钟小于安全距离，卫星给出第二次碰撞预警信号，卫星由地面决策是否进行规避机动；当卫星处于安全距离以外时候，卫星解除碰撞预警；
[0113]
碰撞时间500s时刻，最近距离持续1分钟小于安全距离，卫星自主进行规避机动。
[0114]
所述步骤s4还包括：根据所述安全距离，计算规避所需的速度脉冲vy：
[0115]
vy＝a*tj
[0116]
其中，规避时长a为卫星的机动加速度，r
safe
为需要规避的安全距离。
[0117]
所述步骤s4还包括：根据所述未知目标来袭速度方向，确定规避的速度方向vz：
[0118][0119]
根据当前卫星平赤经lb大小，确定卫星的喷气方向(即卫星是沿y轴正方向或负方向喷气)，当lb∈(0,π)，vy＝a
·
tj否则vy＝-a
·
tj，rvp(5)表示两星最近距离时的y方向相对速度；rvp(6)表示两星最近距离时的z方向相对速度。x方向，y方向和z方向分别表示主星vvlh坐标系下的对应的三个坐标轴的方向。
[0120]
所述步骤s4还包括：根据当前所述主星各轴的机动能力，计算对应喷气时长；喷气执行完成后，基于当前的相对位置和相对速度，重复步骤s2计算两星最近相对距离，当所述主星与所述未知目标最近相对距离大于安全距离，则规避成功。
[0121]
为了便于理解上述实施例，下面以一个具体的示例进行说明：
[0122]
如图2所示，为告警规避相对运动变化示意图，a点两星距离100km告警雷达发现未知目标，b点基于告警信息的运动估计滤波算法收敛，t1时刻开始规避机动，机动结束后预测t2时刻最近距离大于安全距离，规避成功。如图3所示，为规避方向示意图，规避方向为目标来袭方向在最近距离时刻速度的垂直方向。具体通过以下实施步骤，实现基于告警信息的非合作目标全自主防撞规避。
[0123]
星上告警雷达发现未知目标，捕获跟踪目标，开启未知目标相对主星的相对运动估计算法：
[0124]
相对量测方程为星载测量设备的输出，例如微波雷达量测的相对距离，相对视线方位角和相对视线仰角，对于其它种类的测量设备，测量原理相似，只是精度不同，由此得到测量方程为
[0125][0126]
其中ρ为两星的相对距离，α为目标星在伴飞卫星轨道坐标下的俯仰角，β为目标星在伴飞卫星轨道坐标下的方位角，x、y、z分别是目标星伴飞卫星轨道坐标下的三轴相对位置，在v是观测噪声。
[0127]
设计导航滤波算法，根据姿态测量系统提供的相对参考轨道系的姿态和相对导航敏感器的输出完成滤波计算。最终输出得到两星的相对位置相对速度信息。
[0128]
实现未知目标的全自主防撞规避，采用变尺度直接逼近算法计算两星最近距离和对应时长：
[0129]
cw方程是一种基于相对位置描述圆轨道卫星相对运动的方法，理论上证明了cw方程描述高轨卫星的相对运动是可行的，根据cw方程解析解表达式和已知条件可以得到两星相对运动方程式，计算公式为：
[0130][0131]
其中，w为平均轨道角速度，[x0 y0 z0 v
x0 v
y0 v
z0
]为初始目标相对主星的位置速度
[0132]
求解到达最近距离的时间tp：
[0133]
1)根据当前相对距离和速度，得到卫星运行到最近距离所需要的时间tf；
[0134][0135]
2)时间从0～tf，变步长搜索法得到距离精度高于0.01m(变步长搜索阈值，可修改)对应的tmz：
[0136]
第一步：初始搜索步长step1设为100s；t从0～tf，分别计算xt0＝cwditui(rv0,n,t-step1)(第一拍xt0＝rv0)，xt1＝cwditui(rv0,n,t+step1)(若t+step1》tf，则令递推时长为tf)，xt＝cwditui(rv0,n,t)，比较递推到时刻t，t+step1，判断碰撞时刻是否在该范围内
[0137]
(norm(xt1(1:3))-norm(xt(1:3)))*(norm(xt(1:3))-norm(xt0(1:3)))《0
[0138]
满足则进入第二步，否则t＝t+step1从第一步重新判断；
[0139]
第二步：第二级搜索步长step2设为10s，t1从t～t+step1，分别计算xt0＝cwditui(rv0,n,t1)，xt1＝cwditui(rv0,n,t1+step2)(若t1+step2＞t+step1，则令递推时长为t+step1)，xt0＝cwditui(rv0,n,t1-step2)
[0140]
比较递推到时刻t1-step2，t1，t1+step2，判断碰撞时刻是否在该范围内；
[0141]
(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))*(norm(xt0(1:3))-norm(xt00(1:3)))《0
[0142]
满足则step2＝step2/2重新开始进入第二步，否则判断未到碰撞时刻
[0143]
(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))*(norm(xt0(1:3))-norm(xt00(1:3)))》0
[0144]
t1＝t1+step2重新开始进入第二步；
[0145]
否则满足条件(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))》0，即当前时刻t1为碰撞时间tp，完成解算；
[0146]
求解到达最近距离的位置速度矢量rvp：
[0147]
rvp＝cwditui(rv0,n,tp)
[0148]
求解最近距离rmin：rmin＝norm(rvp(1:3))；
[0149]
实现未知目标的全自主防撞规避，基于相对运动估计得到的相对位置和速度精度计算完全规避未知目标所需的安全距离：
[0150]
根据碰撞时间tp和目标运动估计算法的位置速度精度r和速度精度v，计算安全距离r
safe
＝r+v
·
tp+s；其中，s为卫星尺寸。
[0151]
实现未知目标的全自主防撞规避，制定规避策略和计算规避所需的速度脉冲：
[0152]
规避策略如下：
[0153]
1.进行碰撞概率和时间计算；
[0154]
2.碰撞时间小于50s的不采取规避机动；
[0155]
3.碰撞时间大于50s，且最近距离持续1分钟小于安全距离，置碰撞预警标志，并采取规避机动。当卫星处于安全距离以外时候，解除碰撞预警；
[0156]
4.碰撞时间大于250s的，采用分级预警策略；
[0157]
分级预警策略设计原则是降低虚警率，避免误操作。
[0158]
碰撞时间2000s时刻，最近距离持续1分钟小于安全距离，卫星给出第一次碰撞预警信号，卫星由地面决策是否进行规避机动。
[0159]
碰撞时间1000s时刻，最近距离持续1分钟小于安全距离，卫星给出第二次碰撞预警信号，卫星由地面决策是否进行规避机动。当卫星处于安全距离以外时候，卫星解除碰撞预警。
[0160]
碰撞时间500s时刻，最近距离持续1分钟小于安全距离，卫星自主进行规避机动。
[0161]
规避脉冲计算：
[0162]
规避时长其中a为卫星的机动加速度。
[0163][0164]
根据当前平赤经lb大小，确定y的喷气方向，当lb∈(0,π)，vy＝a
·
tj否则vy＝-a
·
tj。
[0165]
综上所述，本实施例公开了一种非合作目标全自主防撞规避方法。当卫星在境外工作时没有地面测控，如若受到未知目标(如失效卫星或者空间碎片)碰撞均无法及时依靠地面策略进行规避，将带来巨大损失。为了保障高价值卫星在轨自主安全运行，一般卫星在总体设计时采用告警雷达，提供未知目标的相对位置信息，告警雷达工作为全空域范围，可以预报全方位的威胁。本发明基于该告警雷达的测量信息，设计了星上的自主碰撞告警算法及相应的规避策略，实现了适用于全任务阶段的自主防撞规避功能。本方法选择轨道面外方向的推力器进行规避控制，规避的同时可以调整主星自身的倾角，节省燃料。
[0166]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有
的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0167]
应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0168]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种非合作目标全自主防撞规避方法，其特征在于，包括：步骤s1、星上告警雷达发现未知目标，捕获跟踪所述未知目标，获取所述未知目标相对主星的相对位置、相对速度；步骤s2、根据所述相对位置和相对速度，采用变尺度直接逼近算法计算所述未知目标与主星之间的最近距离，以及到达所述最近距离的间隔时间，在此称为碰撞时间；步骤s3、根据所述主星的卫星尺寸、未知目标运动估计精度和碰撞间隔，计算完全规避所述未知目标所需机动的最小距离，在此称为安全距离；步骤s4、根据所述碰撞时间，制定分级规避策略；根据所述安全距离，计算规避所需的速度脉冲；根据所述未知目标来袭速度方向，确定规避的速度方向；根据当前所述主星的机动能力，计算喷气时长；喷气执行完成后，当所述主星与所述未知目标最近相对距离大于安全距离，则规避成功。2.如权利要求1所述的非合作目标全自主防撞规避方法，其特征在于，所述步骤s1包括：通过所述星上告警设备获取测距测角信息，数据处理后得到相对位置信息，采用基于cw方程的衰减卡尔曼滤波算法对所述相对位置信息进行滤波估计，得到所述相对位置和所述相对速度。3.如权利要求2所述的非合作目标全自主防撞规避方法，其特征在于，所述步骤s2包括：根据cw方程解析解表达式和已知条件可以得到两星相对运动方程式：其中，t表示递推时长(距离初始时刻的间隔时间)；w为平均轨道角速度，[x0 y0 z0 v
x0 v
y0 v
z0
]为初始未知目标相对主星的相对位置和相对速度。4.如权利要求3所述的非合作目标全自主防撞规避方法，其特征在于，所述步骤s2还包括：求解所述碰撞时间tp步骤包括：步骤s2.1、根据当前相对位置和速度，得到主星运行到所述最近距离所需要的时间tf；步骤s2.2、时间从0～tf，采用变步长搜索法得到距离精度高于0.01m时，对应的tmz，tmz表示两星距离最近的时间间隔：步骤s2.2.1、初始搜索步长step1设为100s；t从0～tf，分别计算xt0＝cwditui(rv0,n,t-step1)
其中，式中，xt0表示t-step1时刻的相对位置速度矢量；rv0表示初始相对位置速度矢量；cwditui表示cw方程解析解函数，第一拍xt0＝rv0，n表示平均轨道角速度，t表示距离初始时刻的间隔时间；xt1＝cwditui(rv0,n,t+step1)其中，式中，xt1＝表示t+step1时刻的相对位置速度矢量；若t+step1>tf，则令递推时长为tf；xt＝cwditui(rv0,n,t)其中，式中，xt表示t时刻的相对位置速度矢量；比较递推到时刻t，t+step1，判断碰撞时间是否在该范围内(norm(xt1(1:3))-norm(xt(1:3)))*(norm(xt(1:3))-norm(xt0(1:3)))<0；若是，则进入步骤s2.2.2；若否，则返回步骤s2.2.1、且令t＝t+step1，重新进行判断；步骤s2.2.2、第二级搜索步长step2设为10s，t1从t～t+step1，分别计算xt0＝cwditui(rv0,n,t1)；xt1＝cwditui(rv0,n,t1+step2)其中，若t1+step2＞t+step1，则令递推时长为t+step1，xt0＝cwditui(rv0,n,t1-step2)；比较递推到时刻t1-step2，t1，t1+step2，判断碰撞时刻是否在该范围内；abs(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))＞0.01且(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))*(norm(xt0(1:3))-norm(xt00(1:3)))<0若是，则返回步骤s2.2.2，且令step2＝step2/2重新开始判断；若否，则未到碰撞时刻abs(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))＞0.01且(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))*(norm(xt0(1:3))-norm(xt00(1:3)))>0且令t1＝t1+step2，返回所述步骤s2.2.2；否则，即满足条件abs(norm(xt1(1:3))-norm(xt0(1:3)))≤0.01，即当前迭代时刻t1为碰撞时间tp，完成解算。5.如权利要求4所述的非合作目标全自主防撞规避方法，其特征在于，还包括：根据碰撞时间tp求解到达最近距离的位置速度矢量rvp：rvp＝cwditui(rv0,n,tp)求解最近距离r
min
：r
min
＝norm(rvp(1:3))。6.如权利要求5所述的非合作目标全自主防撞规避方法，其特征在于，所述步骤s3包括：根据碰撞时间tp和目标运动估计算法的位置速度精度r和速度精度v，计算安全距离r
safe
＝r+vtp+s；其中，s为卫星尺寸。7.如权利要求6所述的非合作目标全自主防撞规避方法，其特征在于，所述步骤s4包括：根据所述碰撞时间，制定分级规避策略：步骤s4.1、进行碰撞概率和时间计算；步骤s4.2、碰撞时间小于50s的不采取规避机动；步骤s4.3、碰撞时间大于50s，且最近距离持续1分钟小于安全距离，置碰撞预警标志，
并采取规避机动；当卫星处于安全距离以外时候，解除碰撞预警；步骤s4.4、碰撞时间大于250s的，采用分级预警策略；所述分级预警策略包括：碰撞时间2000s时刻，最近距离持续1分钟小于安全距离，卫星给出第一次碰撞预警信号，卫星由地面决策是否进行规避机动；碰撞时间1000s时刻，最近距离持续1分钟小于安全距离，卫星给出第二次碰撞预警信号，卫星由地面决策是否进行规避机动；当卫星处于安全距离以外时候，卫星解除碰撞预警；碰撞时间500s时刻，最近距离持续1分钟小于安全距离，卫星自主进行规避机动。8.如权利要求7所述的非合作目标全自主防撞规避方法，其特征在于，所述步骤s4还包括：根据所述安全距离，计算规避所需的速度脉冲vy：vy＝a*tj其中，规避时长a为卫星的机动加速度，r
safe
为需要规避的安全距离。9.如权利要求8所述的非合作目标全自主防撞规避方法，其特征在于，所述步骤s4还包括：根据所述未知目标来袭速度方向，确定规避的速度方向：根据当前卫星平赤经l
b
大小，确定卫星的喷气方向，当l
b
∈(0,π)，vy＝a
·
tj否则vy＝-a
·
tj，rvp(5)表示两星最近距离时的y方向相对速度；rvp(6)表示两星最近距离时的z方向相对速度。10.如权利要求9所述的非合作目标全自主防撞规避方法，其特征在于，所述步骤s4还包括：根据当前所述主星各轴的机动能力，计算对应喷气时长；喷气执行完成后，基于当前的相对位置和相对速度，重复步骤s2计算两星最近相对距离，当所述主星与所述未知目标最近相对距离大于安全距离，则规避成功。

技术总结
本发明公开了一种非合作目标全自主防撞规避方法，包括：星上告警雷达发现未知目标，捕获跟踪未知目标，获取未知目标相对主星的相对位置、相对速度；采用变尺度直接逼近算法计算未知目标与主星之间的最近距离，以及到达最近距离的间隔时间；计算完全规避所述未知目标所需机动的最小距离，在此称为安全距离；根据碰撞时间，制定分级规避策略；根据安全距离，计算规避所需的速度脉冲；根据未知目标来袭速度方向，确定规避的速度方向；根据当前主星的机动能力，计算喷气时长；喷气执行完成后，当主星与未知目标最近相对距离大于安全距离，则规避成功。本发明实现卫星在轨自主运行时，对空间碎片或者异常未知目标的规避。片或者异常未知目标的规避。片或者异常未知目标的规避。


技术研发人员：黄京梅 祝贺 查理 周维 尹俊雄 丰保民 郭正勇 邵志杰 万海音 王静吉
受保护的技术使用者：上海航天控制技术研究所
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/4/25