【技术实现步骤摘要】
本申请实施例涉及深空探测与小行星防御，特别涉及一种考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法。
技术介绍
1、小行星潜在的撞击威胁是人类所面对的巨大威胁之一，随着愈来愈频繁的小行星撞击地球事件，与小行星监测、防御相关策略的发展已被国际列入深空技术的发展重点之一。世界各国建设了多种小行星监测与预警系统来应对小行星潜在的撞击威胁，包括：建立完善的小行星观测系统，通过天文观测、太空探测等手段及时发现和跟踪近地小行星，提前预警可能的碰撞威胁；利用观测数据和数值模拟方法，对近地小行星的轨道、尺寸、速度等参数进行评估，判断其对地球的潜在威胁程度等。
2、除了对小行星监测与预警策略之外，国际社会也一直在研究和探索小行星防御策略。目前已研究的防御策略包括偏转策略和碎片化策略两类，偏转策略旨在对目标小行星施加机动力，使其轨道偏离来规避风险；碎片化策略则是利用一系列超高速动能穿透器对目标小行星进行破坏，使其碎片化，然后使碎片避开地球或降低碎片对地球的破坏性。碎片化策略受不确定性和不可预见性的限制而较难应用，因此偏转策略是小行星防御策略重点研究方向。偏转策略主要包括脉冲偏转策略和持续作用式偏转策略两种，脉冲偏转策略主要包括动能撞击法和核爆法，持续作用式偏转策略主要包括小推力推进法、太阳光压法、引力牵引法和质量驱动法。动能撞击法是目前综合偏转效果、安全性和可行性的唯一选择。
3、然而，本申请的专利技术人发现，传统的动能撞击法受制于运载火箭的运力限制，对于较大质量和体积的小行星防御能力不佳，撞击的过程面临着小行星的破碎风险，
技术实现思路
1、本申请实施例的目的在于提供一种考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，在制定小行星防御时综合考虑小行星的不规则外形结构的影响和航天器命中不确定性的影响，利用求交函数和蒙特卡洛模拟算法，通过定性分析和定量分析确定航天器的最优命中位置，以达到最优偏转效果，大幅提升了对小行星的防御能力。
2、为解决上述技术问题，本申请的实施例提供了一种考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，包括以下步骤：选定具有多面体模型的目标小行星，并获取所述目标小行星的轨道参数和模型数据；根据地球的轨道参数、所述目标小行星的轨道参数和航天器的初始参数，确定所述航天器到达所述目标小行星时的状态矢量；基于所述状态矢量和所述模型数据，利用求交函数和蒙特卡洛模拟算法，建立偏转量相对于第一方向角和第二方向角的函数关系；其中，所述偏转量为所述目标小行星受所述航天器撞击后相对于原轨道产生的偏转量，所述第一方向角和所述第二方向角用于限定所述航天器撞击所述目标小行星的位置；利用遗传算法对所述函数关系进行优化，确定所述偏转量取最大值时对应的最优第一方向角和最优第二方向角，并根据所述最优第一方向角和所述最优第二方向角，制定所述目标小行星的防御策略。
3、本申请的实施例还提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法。
4、本申请的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法。
5、本申请的实施例提供的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法、电子设备和计算机可读存储介质，选择具有不规则外形结构的小行星作为防御对象，引入第一方向角、第二方向角，通过算法确定理想命中点及其所在命中平面，基于蒙特卡洛模拟算法在命中平面上分析航天器撞击的不确定性。通过建立偏转量相对于两个方向角的函数关系来衡量航天器在不同撞击角度下撞击小行星后的偏转能力，从而根据偏转能力最优情况下的第一方向角、第二方向角来制定防御策略。制定出的小行星防御策略符合小行星以及航天器撞击的实际情况，航天器撞击后使得小行星获得最优偏转效果，大幅提升了对小行星的防御能力，降低小行星对地球的威胁。
6、在一些可选的实施例中，所述基于所述状态矢量和所述模型数据，利用求交函数和蒙特卡洛模拟算法，建立偏转量相对于第一方向角和第二方向角的函数关系，包括：将所述状态矢量转换至所述目标小行星的本体坐标系中，引入第一方向角和第二方向角来定位所述航天器撞击所述目标小行星时的命中射线，并利用求交算法确定理想命中点和命中平面；其中，所述模型数据表达在所述本体坐标系中；根据所述命中射线和所述状态矢量确定所述航天器撞击所述目标小行星时的入射速度矢量，并根据所述入射速度矢量和所述命中平面的法向量确定动量增强因子及其约束条件；基于所述入射速度矢量和所述理想命中点建立命中坐标系，利用蒙特卡洛模拟算法在所述命中平面上确定若干个满足二维高斯分布的模拟命中点，并在所述命中坐标系中确定各所述模拟命中点与所述模型数据的相交面元；根据所述入射速度矢量、所述动量增强因子和各所述模拟命中点对应的相交面元的法向量，计算所述理想命中点的速度增量期望值；根据所述速度增量期望值和所述目标小行星对应的偏转模型，建立偏转量相对于所述第一方向角和所述第二方向角的函数关系。考虑到撞击位置不确定性的影响，第一方向角、第二方向角限定的航天器的理想命中点只是理论值，实际上航天器可能会命中其附近的任意位置，因此本申请不深究航天器的实际命中点，而是计算理想命中点的速度增量期望值，用速度增量期望值来代表命中不确定性，通过速度增量期望值可以计算偏转量，由此得到偏转量相对于两个方向角的函数关系。
7、在一些可选的实施例中，所述基于所述入射速度矢量和所述理想命中点建立命中坐标系，包括：以所述理想命中点为原点p、以指向所述目标小行星的北极方向为n轴、以所述入射速度矢量的反方向为o轴，并通过右手定则的方式根据所述n轴和所述o轴确定w轴，建立p-now命中坐标系。now坐标系比xyz坐标系更适合建立命中坐标系。
8、在一些可选的实施例中，通过以下公式，根据所述入射速度矢量和所述命中平面的法向量确定动量增强因子及其约束条件：
9、
10、其中，为所述入射速度矢量，为所述命中平面的法向量，β为所述动量增强因子。
11、在一些可选的实施例中，通过以下公式，根据所述入射速度矢量、所述动量增强因子和各所述模拟命中点对应的相交面元的法向量，计算所述理想命中点的速度增量期望值：
12、
13、
14、其中，γ为所述航天器与所述目标小行星的质量比，β为所述动量增强因子，为所述入射速度矢量，为第g个模拟命中点对应的相交面元的法向量，pg为第g个模拟命中点对应的蒙特卡洛选取概率，g为所述模拟命中点的总数，为所述理想命中点的速度增量期望值。
15、在一些可选的实施例中，通过以下公式，根据所述速度本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于，所述基于所述状态矢量和所述模型数据，利用–Trumbore求交函数和蒙特卡洛模拟算法，建立偏转量相对于第一方向角和第二方向角的函数关系，包括：
3.根据权利要求2所述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于，所述基于所述入射速度矢量和所述理想命中点建立命中坐标系，包括：
4.根据权利要求3所述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于，通过以下公式，根据所述入射速度矢量和所述命中平面的法向量确定动量增强因子及其约束条件：
5.根据权利要求3所述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于，通过以下公式，根据所述入射速度矢量、所述动量增强因子和各所述模拟命中点对应的相交面元的法向量，计算所述理想命中点的速度增量期望值：
6.根据权利要求5所述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于
7.根据权利要求1至6中任一项所述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于，所述遗传算法的参数设置如下：最大代数设置为1000，种群规模设置为1000，交叉概率设置为0.8，容差设置为1×10-6。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于，所述选定具有多面体模型的目标小行星，包括：
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法。
...【技术特征摘要】
1.一种考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于，所述基于所述状态矢量和所述模型数据，利用–trumbore求交函数和蒙特卡洛模拟算法，建立偏转量相对于第一方向角和第二方向角的函数关系，包括：
3.根据权利要求2所述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于，所述基于所述入射速度矢量和所述理想命中点建立命中坐标系，包括：
4.根据权利要求3所述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于，通过以下公式，根据所述入射速度矢量和所述命中平面的法向量确定动量增强因子及其约束条件：
5.根据权利要求3所述的考虑不规则外形结构和命中不确定性的小行星防御方法，其特征在于，通过以下公式，根据所述入射速度矢量、所述动量增强因子和各所述模拟命中点对应的相交面元的法向量，计算所述理想...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭明虎，马冰冰，王靖宇，张科，苏雨，张烨，李浩宇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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