基于非高斯非线性偏差演化的航天器碰撞预警方法研究

With the continuous increase of the resident space objects (RSOs), collision between RSOs happens every now and then. In order to protect the on-orbit spacecraft from colliding with space debris, the conjunction assessment of RSOs becomes more and more important. However, the current conjunction assessment methods widely assumed that the orbital uncertainty is Gaussianly distributed and linearly dispersed, which may result in false alarm in practical mission. To overcome these shortcomings, this study develops some new methods for conjunction assessment and collision avoidance of RSOs, by considering the non-Gaussian and nonlinear characteristics of orbital uncertainty propagation. First, the Gaussian mixture mode is used to propagate the arbitrarily distributed probability density function of orbital uncertainty in a perturbed dynamical system. Second, the methods for computing the collision probability and the warning threshold are investigated by accounting for the non-Gaussian characteristics of orbital uncertainty. Finally, by minimizing the collision probability between RSOs, the optimal collision avoidance method will be developed to ensure the safety of on-orbit spacecraft. This project aims to improving the current collision analysis approaches, and developing non-Gaussian, nonlinear methods for orbital uncertainty propagation, conjunction assessment and collision avoidance, which can provide high-precision solution for space situational awareness missions.

随着空间目标数量急剧增加，碰撞事件时有发生，为了保护在轨航天器安全，空间目标碰撞预警工作变得越来越重要，但现有碰撞预警方法主要基于线性协方差分析和高斯分布假设，应用于实际任务难免产生漏警、虚警等错误警报。本项目拟考虑偏差在非线性轨道动力系统中演化后的非高斯特性，研究空间目标碰撞预警与避撞机动方法。综合轨道摄动、机动影响，采用高斯和模型对任意分布轨道偏差的概率密度函数进行有效表征和非线性演化计算；在此基础上研究面向非高斯分布轨道偏差的碰撞概率计算与预警门限设计方法，量化危险程度并划分危险等级；最后建立最小化碰撞概率的避撞机动优化模型，求解避撞机动冲量，对识别出的潜在碰撞事件进行规避。项目研究将改进和完善现有高斯分布假设下的相关理论，提出非高斯非线性的偏差演化、碰撞预警和避撞机动方法，为空间目标碰撞预警任务提供高精度的解决方案与技术支持。

本项目围绕太空交通安全管理任务需求，考虑偏差在非线性轨道动力系统中演化后的非高斯特性，研究了太空目标碰撞预警与避撞机动方法。综合考虑轨道摄动、机动影响，采用高斯和模型对任意分布轨道偏差的概率密度函数进行有效表征和非线性演化；在此基础上研究了面向非高斯分布轨道偏差的碰撞概率计算方法，量化太空目标碰撞风险；最后建立最小化等效距离或碰撞概率的避撞机动优化模型，求解避撞机动冲量，对识别出的潜在碰撞事件进行规避。项目研究形成了以“非高斯非线性轨道偏差演化方法”为基础，面向太空目标碰撞预警与规避、碎片云密度演化、轨道异常检测、小行星撞击风险分析等问题应用的较为系统的理论方法。在本项目资助下，项目负责人以第一作者或通信作者发表学术期刊论文12篇，其中SCI检索5篇，EI检索5篇。参加国内学术会议3次，国际学术会议2次，发表会议论文3篇，项目负责人在中国力学学会主办的动力学与控制青年学术论坛、力学大会航天动力学与控制专题分别做邀请报告1次。以第一发明人或第二发明人申请专利6项，项目资助期内授权4项。围绕本项目研究内容选题，指导本科毕业设计3篇，其中1篇获第三届全国高等学校航空航天类专业本科毕业设计成果交流会二等奖；作为副导师协助指导博士论文1篇，硕士论文2篇；作为导师指导在读硕士生1人，作为副导师协助指导在读博士生1人、在读硕士生1人。指导学生参加国家级学科竞赛，获二等奖1项、三等奖2项。本项目研究方法在太空态势感知的碰撞预警、卫星长期管理的碰撞规避机动方案制定、控制方案安全性评估等任务中具有潜在应用价值。以这些方法为核心开发的算法软件部分已在我国轨控部门进行测试应用。