一种空间对抗性非合作目标集群围捕准则快速求解方法技术

本发明专利技术公开一种空间对抗性非合作目标集群围捕准则快速求解方法，通过微分代数方法能够快速计算出目标和航天器集群的可达范围，并提出了航天器集群对非合作目标的围捕准则，可以分析出航天器集群是否具有追捕非合作目标的充分条件，并快速验证集群围捕构型的有效性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种空间对抗性非合作目标集群围捕准则快速求解方法


[0001]本专利技术涉及涉及航空航天领域，具体为一种空间对抗性非合作目标集群围捕准则快速求解方法。

技术介绍

[0002]空间对抗性非合作目标集群围捕是近来一个新概念的研究热点，航天器集群围捕一个对抗性非合作目标是空间对抗博弈的发展趋势。在航天器追逃博弈对抗领域，一些研究人员和学者采用微分博弈对策方法研究了多种情形。然而这一方法往往是将问题转化为最优控制理论中的两点边值问题，面对一些复杂的非线性动力系统，数值求解过程复杂，有时甚至是不可行的。此外，终端条件并不是总能够满足的。在许多的追逃案例中，追击者其实不具备能够追捕逃逸者的能力。但是在最优控制理论的框架下，很难判断究竟是追击者不具备成功追捕的能力，还是追击策略不够成熟。
[0003]Haoran Gong等人提出了一种基于可达范围方法的一对一航天器追捕充分判别条件。通过打靶法和传统的数值积分方法得到追击者和逃逸者固定时刻的可达范围，通过判断追捕者的可达范围是否能完整包络逃逸者的可达范围从而判定追捕的成败。但是传统的数值积分方法计算时间和打靶数量有关，想要得到精确的分析需要的时间成本较高。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种空间对抗性非合作目标集群围捕准则快速求解方法，以克服现有技术存在的问题，
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种空间对抗性非合作目标集群围捕准则快速求解方法，包括以下步骤：
[0007]S1：在非惯性参考系中建立集群航天器成员和目标航天器的动力学模型，并设计航天器集群的编队构型；基于可达范围方法提出多对一围捕空间非合作目标的准则；
[0008]S2：基于S1的航天器集群成员和目标航天器的动力学模型，结合最优控制方法得到航天器集群成员和目标航天器的可达范围边界点解析形式，并生成航天器集群成员和目标航天器的终端位置的方向集合；
[0009]S3：基于S1建立的集群航天器成员和目标航天器的动力学模型和航天器集群成员和目标航天器的终端位置的方向集合，建立含变量时间的解析形式，再使用遗传算法寻找航天器集群成员围捕目标航天器的最优终端时刻，种群中个体终端时刻满足大于0并且小于最长追击时间，当遗传代数小于等于最大遗传代数，执行S4，否则，判定航天器集群不具备围捕目标条件；
[0010]S4：对S2中的航天器集群成员和目标航天器的可达范围边界点解析形式进行泰勒多项式近似，设置演化时间为终端时刻，在多项式框架下积分动力学模型，得到以终端位置方向为变量的多项式，再代入S2中的终端位置的方向集合，得到航天器集群成员和目标航天器的可达范围，继而执行S5；
[0011]S5：基于S4中的航天器集群成员和目标航天器的可达范围和S1中的多对一围捕空间非合作目标的准则，判定围捕是否有效，如果围捕有效则证明集群具备围捕目标的条件，否则重新执行S3。
[0012]优选地，S1中目标航天器的动力学模型，具体为：
[0013][0014]其中[x
E
,y
E
,z
E
]表示目标航天器位置状态，表示目标航天器速度状态，表示目标航天器加速度状态，n为轨道角速度。
[0015]优选地，S1中
[0016]航天器集群成员的动力学模型：
[0017][0018]其中[x
P
,y
P
,z
P
]表示集群航天器成员的位置状态，表示集群航天器成员的速度状态，表示航天器集群成员的加速度状态，[a
x
,a
y
,a
z
]分别表示x,y,z三轴方向上的加速度分量，n为轨道角速度。
[0019]优选地，S1中，围捕空间非合作目标的准则具体为：某一时刻航天器集群成员的可达范围全面覆盖目标航天器的可达范围，则证明航天器集群成员一定存在机动策略能够成功追捕目标，否则，当任意时刻航天器集群成员的可达范围都无法充分覆盖目标的可达范围，则证明目标航天器一定存在机动策略逃出集群航天器成员的追捕范围，即围捕失效。
[0020]优选地，多对一围捕空间非合作目标的准则的数学表述形式为：
[0021][0022]其中为目标航天器的可达范围，为第i个航天器集群成员的可达范围，N为航天器集群成员数量。
[0023]优选地，S2中，航天器集群成员和目标航天器的终端位置方向集合为：
[0024][0025]其中δ表示终端位置方向，表示终端位置方向在平面上的投影与x轴正方向的夹角，θ表示终端位置方向与z轴正方向的夹角。
[0026]优选地，S2中，目标航天器的可达范围边界点解析形式为：
[0027]maxφ(x
f
)＝δ
·
(x
f
‑
x0)
[0028][0029]其中x
f
表示目标在经过t
f
时间施加最优控制达到的终端位置；x0表示目标的初始位置；T表示加速度矢量；
[0030]优选地，S2中，
[0031]航天器集群成员的可达范围边界点解析形式为：
[0032]maxφ(x
f
)＝δ
·
(x
f
‑
x0)
[0033][0034]其中x
f
表示航天器在经过t
f
时间施加最优控制达到的终端位置；x0表示航天器的初始位置；x
Pi
表示第i个航天器的初始位置；T表示加速度矢量。
[0035]优选地，S4中，泰勒多项式近似是对目标和航天器的终端位置方向角度增量进行多项式形式的近似描述，得到描述其空间运动规律的常微分方程。
[0036]优选地，S4中得到以终端位置方向为变量的多项式为，
[0037][0038]式中，和Δθ分别表示方向δ与标称方向的两个角度偏量，标称方向为Hill坐标系的x轴正方向，j＝j1+j2表示多项式近似解每一项的阶数，d代表状态矢量的索引值，x
f
表示在t
f
时刻对应于初始标准轨道状态x0的碎片状态，[x
f
]表示多项式的解，表示相应的泰勒级数展开系数。
[0039]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供一种空间对抗性非合作目标集群围捕准则快速求解方法，通过微分代数方法能够快速计算出目标和航天器集群的可达范围，并提出了航天器集群对非合作目标的围捕准则，可以分析出航天器集群是否具有追捕非合作目标的充分条件，并快速验证集群围捕构型的有效性。
附图说明
[0040]图1为本专利技术的流程图；
[0041]图2为Hill坐标系Oxyz的位置和方向。
[0042]图3展示了航天器集群伴飞示意图。
[0043]图4展示了围捕准则判定集群对目标围捕成功和失败的3种情况本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间对抗性非合作目标集群围捕准则快速求解方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在非惯性参考系中建立集群航天器成员和目标航天器的动力学模型，并设计航天器集群的编队构型；基于可达范围方法提出多对一围捕空间非合作目标的准则；S2：基于S1的航天器集群成员和目标航天器的动力学模型，结合最优控制方法得到航天器集群成员和目标航天器的可达范围边界点解析形式，并生成航天器集群成员和目标航天器的终端位置的方向集合；S3：基于S1建立的集群航天器成员和目标航天器的动力学模型和航天器集群成员和目标航天器的终端位置的方向集合，建立含变量时间的解析形式，再使用遗传算法寻找航天器集群成员围捕目标航天器的最优终端时刻，种群中个体终端时刻满足大于0并且小于最长追击时间，当遗传代数小于等于最大遗传代数，执行S4，否则，判定航天器集群不具备围捕目标条件；S4：对S2中的航天器集群成员和目标航天器的可达范围边界点解析形式进行泰勒多项式近似，设置演化时间为终端时刻，在多项式框架下积分动力学模型，得到以终端位置方向为变量的多项式，再代入S2中的终端位置的方向集合，得到航天器集群成员和目标航天器的可达范围，继而执行S5；S5：基于S4中的航天器集群成员和目标航天器的可达范围和S1中的多对一围捕空间非合作目标的准则，判定围捕是否有效，如果围捕有效则证明集群具备围捕目标的条件，否则重新执行S3。2.根据权利要求1所述的一种空间对抗性非合作目标集群围捕准则快速求解方法，其特征在于，S1中目标航天器的动力学模型，具体为：其中[x
E
,y
E
,z
E
]表示目标航天器位置状态，表示目标航天器速度状态，表示目标航天器加速度状态，n为轨道角速度。3.根据权利要求1所述的一种空间对抗性非合作目标集群围捕准则快速求解方法，其特征在于，S1中航天器集群成员的动力学模型：其中[x
P
,y
P
,z
P
]表示集群航天器成员的位置状态，表示集群航天器成员的速度状态，表示航天器集群成员的加速度状态，[a
x
,a
y
,a
z
]分别表示x,y,z三轴方向上的加速度分量，n为轨道角速度。4.根据权利要求1所述的一种空间对抗性非合作目标集群围捕准则快速求解方法，其特征在于，所述S1中，围捕空间非合作目标的准则具体为：某一时刻航天器集群成员的可达
范围全面覆盖目标航天器的可达范围，则证明航天器集群成员一定存在机动策略能够成功追捕目标，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙冲，李瑞峰，张力军，常浩，岳晓奎，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：