一种碰撞风险卫星组合处理排序优化方法技术

本发明专利技术提出了一种碰撞风险卫星组合处理排序优化方法，步骤为：根据TLE轨道根数数据进行轨道预划分，将位于同一轨道面的卫星划分到一起；采用近地点远地点预筛选方法进行卫星碰撞组合的预筛选，得到产生碰撞风险的卫星和碎片组合；利用TLE轨道根数数据结合轨道预报模型与快速筛选轨迹空间交点算法，确定其空间中轨迹交叉重叠的位置；确定高碰撞风险卫星组合和高碰撞风险区域；结合卫星状态与卫星自身特性，构造碰撞组合优先处理排序模型；采用梯度下降法对多因素碰撞组合优先处理排序模型进行参数优化。本发明专利技术通过相交两轨道之角度几何关系的几何筛选法和梯度下降法优化多因素参数，提高了高碰撞风险组合的筛选速度，提升卫星星座的整体安全性。星星座的整体安全性。星星座的整体安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种碰撞风险卫星组合处理排序优化方法


[0001]本专利技术涉及卫星通信可靠性的
，尤其涉及一种碰撞风险卫星组合处理排序优化方法，基于天地一体化网络中的卫星，当需要预测在轨卫星产生碰撞风险的概率时，使用基于卫星轨道参数确定风险较高的空间区域与卫星组合，并基于梯度下降进行多因素、自反馈、自调节的卫星高碰撞风险组合处理的排序，以达到长期最优的效果，为卫星避碰奠定良好的基础。

技术介绍

[0002]随着世界各国航天事业的高速发展，全球范围内航天器发射次数逐年攀升，总计超过三十多个国家和地区相继执行了发射任务，进入太空的航天器已多达10000多个。进入21世纪，出于国家安全的战略需求，世界各国部署宇宙空间战略整体布局的任务愈加迫切，发射次数随之愈发增多。近地空间碎片数目不断增加，近地卫星运行环境不断恶化，对卫星的成功发射与安全稳定运行的威胁日益严重。
[0003]随着低轨卫星制造与发射技术的飞速发展，低轨卫星发射成本愈加降低，其还具有轨道高度低、传输时延短、路径损耗小等优点。因此，低轨巨型星座处于高速发展阶段。国外的SpaceX、波音、OneWeb、开普勒通信、三星、亚马逊等商业公司均相继提出了低轨星座计划，其中最具代表性的是Starlink、Telesat、Oneweb。国内卫星互联网计划已被纳入“新基建”，意味着该项目已经上升为国家战略性工程。
[0004]空间碎片对卫星安全运行造成了极大地威胁。在近地轨道上，大小在1
‑
10厘米之间的碎片约有75万块，大小超过10厘米的碎片约有3万块，而小于1厘米的碎片数量在一亿块以上。且碎片不具有机动能力，不能自主避碰。
[0005]为了确保卫星的安全运行与正常工作，目前还有以下问题需解决：
[0006](1)卫星在轨运行期间，需要对卫星运行轨道高碰撞风险区域进行快速、高效、准确的定位筛选，减少预测碰撞的空间范围。
[0007](2)对位于卫星运行轨道碰撞高风险空间区域的卫星高碰撞风险组合，进行计算其碰撞概率的总体危险最小的计算处理顺序排序。
[0008]综上，为了确保低轨巨型星座卫星的安全稳定运行，提高多颗卫星碰撞计算速度，为产生碰撞预警的卫星留有充足避碰时间，有必要提供一种能够优化卫星高碰撞风险组合处理排序的方法。

技术实现思路

[0009]针对巨型低轨星座中高碰撞风险组合筛选慢，处理排序考虑因素不够全面，不能满足实际需求的技术问题，本专利技术提出一种碰撞风险卫星组合处理排序优化方法，采用基于轨道参数的高风险区域计算算法确定高风险区域位置，通过梯度下降法进行多因素下的最优排序策略选择，最终选出整体碰撞风险最低的处理排序方案，减少了计算量，提高了星座碰撞风险的评估速度。
[0010]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种碰撞风险卫星组合处理排序优化方法，其步骤如下：
[0011]步骤一：根据TLE轨道根数数据进行轨道预划分，将位于同一轨道面的卫星划分到一起；
[0012]步骤二：根据卫星轨道面的数据采用近地点远地点预筛选方法，进行卫星碰撞组合的预筛选，得到可能会产生碰撞风险的卫星和碎片组合；
[0013]步骤三：基于得到的卫星和碎片组合，利用TLE轨道根数数据结合轨道预报模型与快速筛选轨迹空间交点算法，确定其空间中轨迹交叉重叠的位置；计算同一轨道多颗卫星之间的空间距离，当空间位置距离小于安全距离时，将该卫星与碎片标记为高碰撞风险卫星组合，此时碎片坐标对应的空间区域为高碰撞风险区域；
[0014]步骤四：根据步骤三生成的空间高碰撞风险区域与空间高碰撞风险卫星组合，结合卫星状态与卫星自身特性，构造碰撞组合优先处理排序模型；
[0015]步骤五：采用梯度下降法对多因素碰撞组合优先处理排序模型进行参数优化，得到卫星避碰时间总和最长、等级高卫星优先处理、卫星星座整体安全性最高的优化结果。
[0016]优选地，每个TLE轨道根数数据由三行数据内容组成，其中包括开普勒定律的6个轨道参数：轨道倾角i、轨道半长轴a、轨道离心率e、升交点赤经Ω、近日点俯角α、平近点角β；
[0017]根据TLE轨道根数数据中所包含轨道参数实现轨道预划分的方法为：根据每个卫星或碎片的轨道倾角i、升交点赤经Ω、轨道偏心率e以及每天环绕地球圈数建立一个数组；按照读入数组的顺序，筛选所有轨道数据中轨道倾角差值小于0.1、升交点赤经差值小于0.1、轨道偏心率相等且周期差值小于0.0001的卫星，划分为同一轨道面。
[0018]优选地，所述近地点远地点预筛选方法为：将卫星轨道面的数据两两对比，当卫星和碎片近远地点满足条件时，所对应的卫星轨道面之间可能会产生碰撞，将其存储，为进行下一步的精细筛选做数据准备；其中，卫星轨道的近地点为Perigee1、远地点为Apogee1，碎片轨道的近地点为Perigee2，远地点为Apogee2。
[0019]优选地，所述轨道预报模型是SGP4空间轨道预测模型，将TLE轨道根数数据代入SGP4空间轨道预测模型，根据物理原理得到指定时刻的极坐标，再转换为地心坐标系，最后可以得出指定时刻下卫星的位置向量和速度向量；
[0020]所述快速筛选轨迹空间交点算法的实现方法为：利用TLE轨道根数数据获取两个卫星轨道面各自的升交点赤经Ω和轨道倾角i，通过轨道面空间几何关系计算两个重要角度，使用这两个重要角度进行高碰撞风险的判别筛选；所述两个重要角度分别为交点、地心之间的连线与交点在赤道平面垂直投影点、地心之间的连线所形成的夹角的度数，用以筛选卫星轨道上可能的交点；交点在赤道平面垂直投影点、地心之间的连线与J2000地心坐标系的x轴所形成的夹角ω的度数，用以进行“真交点”的判别。
[0021]优选地，所述步骤二中确定其空间中轨迹交叉重叠的位置的实现方法为：
[0022]将TLE轨道根数数据代入SGP4空间轨道预测模型，设置时间段为一个周期，设置时间间隔为1分钟，输出J2000坐标系下一个周期的卫星位置坐标列表；
[0023]进行象限的判断：根据夹角ω确定空间交点所处的象限：若0
°
＜ω＜90
°
，则空间
交点位于第一象限或第五象限，0＜x且0＜y；若90
°
＜ω＜180
°
，则空间交点位于第二象限或第六象限，0＞x且0＜y；若180
°
＜ω＜270
°
，则空间交点位于第三象限或第七象限，0＞x且0＞y；若270
°
＜ω＜360
°
，则空间交点位于第四象限或第八象限，0＜x且0＞y；
[0024]当满足象限对应的x，y坐标范围时，与夹角的值进行比对，调整时间间隔为1s，查找满足成立的坐标值的位置，为空间交点在卫星轨迹上的对应位置；其中，x1、y1、z1为卫星在J2000坐标系下的位置坐标值；
[0025]查找公式成立的坐标值的位置，即为空间交点在碎片轨迹上的对应位置；其中，x2、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碰撞风险卫星组合处理排序优化方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：根据TLE轨道根数数据进行轨道预划分，将位于同一轨道面的卫星划分到一起；步骤二：根据卫星轨道面的数据采用近地点远地点预筛选方法，进行卫星碰撞组合的预筛选，得到可能会产生碰撞风险的卫星和碎片组合；步骤三：基于得到的卫星和碎片组合，利用TLE轨道根数数据结合轨道预报模型与快速筛选轨迹空间交点算法，确定其空间中轨迹交叉重叠的位置；计算同一轨道多颗卫星之间的空间距离，当空间位置距离小于安全距离时，将该卫星与碎片标记为高碰撞风险卫星组合，此时碎片坐标对应的空间区域为高碰撞风险区域；步骤四：根据步骤三生成的空间高碰撞风险区域与空间高碰撞风险卫星组合，结合卫星状态与卫星自身特性，构造碰撞组合优先处理排序模型；步骤五：采用梯度下降法对多因素碰撞组合优先处理排序模型进行参数优化，得到卫星避碰时间总和最长、等级高卫星优先处理、卫星星座整体安全性最高的优化结果。2.根据权利要求1所述的碰撞风险卫星组合处理排序优化方法，其特征在于，每个TLE轨道根数数据由三行数据内容组成，其中包括开普勒定律的6个轨道参数：轨道倾角i、轨道半长轴a、轨道离心率e、升交点赤经Ω、近日点俯角α、平近点角β；根据TLE轨道根数数据中所包含轨道参数实现轨道预划分的方法为：根据每个卫星或碎片的轨道倾角i、升交点赤经Ω、轨道偏心率e以及每天环绕地球圈数建立一个数组；按照读入数组的顺序，筛选所有轨道数据中轨道倾角差值小于0.1、升交点赤经差值小于0.1、轨道偏心率相等且周期差值小于0.0001的卫星，划分为同一轨道面。3.根据权利要求2所述的碰撞风险卫星组合处理排序优化方法，其特征在于，所述近地点远地点预筛选方法为：将卫星轨道面的数据两两对比，当卫星和碎片近远地点满足条件时，所对应的卫星轨道面之间可能会产生碰撞，将其存储，为进行下一步的精细筛选做数据准备；其中，卫星轨道的近地点为Perigee1、远地点为Apogee1，碎片轨道的近地点为Perigee2，远地点为Apogee2。4.根据权利要求2或3所述的碰撞风险卫星组合处理排序优化方法，其特征在于，所述轨道预报模型是SGP4空间轨道预测模型，将TLE轨道根数数据代入SGP4空间轨道预测模型，根据物理原理得到指定时刻的极坐标，再转换为地心坐标系，最后可以得出指定时刻下卫星的位置向量和速度向量；所述快速筛选轨迹空间交点算法的实现方法为：利用TLE轨道根数数据获取两个卫星轨道面各自的升交点赤经Ω和轨道倾角i，通过轨道面空间几何关系计算两个重要角度，使用这两个重要角度进行高碰撞风险的判别筛选；所述两个重要角度分别为交点、地心之间的连线与交点在赤道平面垂直投影点、地心之间的连线所形成的夹角的度数，用以筛选卫星轨道上可能的交点；交点在赤道平面垂直投影点、地心之间的连线与J2000地心坐标系的x轴所形成的夹角ω的度数，用以进行“真交点”的判别。5.根据权利要求4所述的碰撞风险卫星组合处理排序优化方法，其特征在于，所述步骤二中确定其空间中轨迹交叉重叠的位置的实现方法为：将TLE轨道根数数据代入SGP4空间轨道预测模型，设置时间段为一个周期，设置时间间
隔为1分钟，输出J2000坐标系下一个周期的卫星位置坐标列表；进行象限的判断：根据夹角ω确定空间交点所处的象限：若0
°
＜ω＜90
°
，则空间交点位于第一象限或第五象限，0＜x且0＜y；若90
°
＜ω＜180
°
，则空间交点位于第二象限或第六象限，0＞x且0＜y；若180
°
＜ω＜270
°
，则空间交点位于第三象限或第七象限，0＞x且0＞y；若270
°
＜ω＜360
°
，则空间交点位于第四象限或第八象限，0＜x且0＞y；当满足象限对应的x，y坐标范围时，与夹角的值进行比对，调整时间间隔为1s，查找满足成立的坐标值的位置，为空间交点在卫星轨迹上的对应位置；其中，x1、y1、z1为卫星在J2000坐标系下的位置坐标值；查找公式成立的坐标值的位置，即为空间交点在碎片轨迹上的对应位置；其中，x2、y2、z2为碎片在J2000坐标系下的位置坐标值。6.根据权利要求4所述的碰撞风险卫星组合处理排序优化方法，其特征在于，所述SGP4空间轨道预测模型的时间和位置是一一对应的，且卫星与碎片的运动都具有周期性，到达交点的时间加上一个周期的时间可得下一次经过这个交点的时间；以每次碎片到达轨迹的交点处的时间为准，周期性地计算同一轨道多颗卫星之间的空间位置距离：其中，x
sat
、y
sat
、z
sat
为J2000坐标系下卫星对应的坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱睿杰，魏雅婷，张文超，张玉东，乔雪原，席超，杨博，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：