(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111264714.X (22)申请日 2021.10.28 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市碑林区友谊西 路127号 (72)发明人 张震　方群　陈建林　孙冲　 朱战霞　王小龙　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 代理人 白文佳 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种航天器规避空间碎片的轨道设计方法、 系统及装置 (57)摘要 本发明公开了一种航天器规避空间碎片的 轨道设计方法、 系统及装置， 方法包括： 构建在摄 动情况下， 航天器和空间碎片 的动力学模型； 对 航天器和空间碎片的动力学模型进行数据处理， 获取航天器和空间碎片的位置信息； 对航天器的 脉冲速度增量进行建模， 获取航天器初始状态增 量集合； 根据航天器和空间碎片的位置信息， 对 不同机动脉冲速度增量进行数据处理， 得到不同 状态下航天器与空间碎片的位置信息； 对比不同 状态下航天器与空间碎片的位置信息， 选取航天 器最优规避方案。 该方法可以通过计算航天器的 脉冲速度增量， 选取最优的规避方案， 且在考虑 摄动力的情况下保证运算精度， 对不同高度不同 情况下的轨道具有 普适性。 权利要求书3页 说明书9页 附图2页 CN 113987675 A 2022.01.28 CN 113987675 A 1.一种航天器规避空间碎片的轨道设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 构建在摄动情况 下， 航天器和空间碎片的动力学模型； 对航天器和空间碎片的动力学模型进行数据处理， 获取航天器和空间碎片的位置信 息； 对航天器的脉冲速度增量进行建模， 获取航天器初始状态增量 集合； 根据航天器和 空间碎片的位置信息， 对不同机动脉冲速度增量进行数据处理， 得到不 同状态下航天器与空间碎片的位置信息； 对比不同状态下航天器与空间碎片的位置信息， 选取航天器最优规避方案 。 2.根据权利要求1所述的航天器规避空间碎片的轨道设计方法， 其特征在于， 所述摄动 情况包含地球非球形扁状摄动、 太阳引力摄动、 月球引力摄动、 太阳光压摄动和大气阻力摄 动。 3.根据权利要求1所述的航天器规避空间碎片的轨道设计方法， 其特征在于， 所述航天 器和空间碎片的动力学模型为： 其中， 矢量v为空间物体的速度矢量； 矢量r为空间物体的位置矢量； 标量r为空间物体 距离轨道中心的距离； 标量μ＝GM为中心天体引力常数， G为万有引力常数， M为中心天体质 量； 代表速度矢量的一阶导； 代表距离矢量的一阶导； 为地球非球形扁状摄动导致的 加速度变化矢量； 为太阳引力摄动导致的加速度变化矢量； 为月球引力摄动导致的 加速度变化矢量； 为太阳光压摄动导致的加速度变化矢量； 为大气阻力摄动导致的 加速度变化矢量； Δv为航天器进行机动时的脉冲速度增量， 对于空间碎片来说， Δv为0矢 量。 4.根据权利要求3所述的航天器规避空间碎片的轨道设计方法， 其特征在于， 所述对航 天器和空间碎片的动力学模型进 行数据处理， 获取航 天器和空间碎片的位置信息的具体方 式为： 根据空间物体所处的轨道高度选择合适的摄动， 并取Δv为0矢量， 通过采用四阶龙格 库塔法对公式(1)进行数值积分得到航天器和空间碎片的运动轨迹， 并确定在没有轨道机 动的时候， 两者间距离最近的时刻tf； 四阶龙格库塔法为： 具体的有 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 113987675 A 2其中， h为时间间隔； k1是时间段开始时的斜率； k2是时间段中点的斜率， 通过欧拉法对 斜率k1进行处理来决定x在点 的值； k3是中点的斜率， 采用斜率k2决定x值； k4是时间段 终点的斜率， 其x值用k3决定； f(·)为需要进行数值积分的微分方程； 下标n为数值积分的 第n步； xn为数值积分第n步的自变 量； xn+1为数值积分第n+1步的自变 量； tn为第n步积分的累 计时间； 通过 龙格库塔法， xn+1由当前的函数值xn计算出来， 以此 得到微分方程的数值 解。 5.根据权利要求1所述的航天器规避空间碎片的轨道设计方法， 其特征在于， 所述对航 天器的脉冲速度增量进行建模， 获取航天器初始状态增量 集合的具体方式为： 任取轨道面内三点P1(x1,y1,z1)， P2(x2,y2,z2)及P3(x3,y3,z3)， 则P1P2(x1‑x2,y1‑y2,z1‑ z2)， P1P3(x1‑x3,y1‑y3,z1‑z3)， 轨道面的法向量记为 初始状态增量 在ECI系下x、 y、 z三轴上的分量 为： 其中， U表示均匀分布； ECI系为地心惯性坐标系OXYZ； Δvx‑和Δvx+分别表示航天器在x 轴方向负向和正向所能提供的最大 脉冲速度增量， 由航天器自身决定； Δvy‑和Δvy+同理； 根据航天器所携带的脉冲发动机所能提供的最大脉冲速度增量和最小脉冲间隔进行 蒙特卡洛打靶， 对速度增量进行建模， 得到航天器初始状态增量 集合为 6.根据权利要求3所述的航天器规避空间碎片的轨道设计方法， 其特征在于， 所述根据 航天器和空间碎片的位置信息， 对不同机动脉冲速度增量进行数据 处理， 得到不同状态下 航天器与空间碎片的位置信息的具体方法为： 首先， 对公式(1)进行泰勒多项式近似分解， 采用多项式形式的龙格库塔积分器沿时间 轴将初始多项式状态映射到某一特定时刻的轨道状态， 得到以初始状态增量Δx0为变量的 多项式形式的解[xf]： 其中， j＝j1+…+j6表示多项式近似解每一项的阶数； d表示状态矢量的索引值， xf＝Φ (tf； t0,x0)表示在tf时刻对应于初始标准轨道状态x0的航天器的状态； P表示多项式状态矢 量集； [xf]表示多项式解； 表示相应 的泰勒展开系数， 由多项式计算工具直接给出； 时间 轴用来表述每 个时间下航天器的位置； 然后， 通过四阶龙格库塔法对公式(1)进行数值积分， 获得的航天器在近距离接触时刻 tf的状态矢量， 由公式(4)表示 航天器在近距离 接触时刻tf与空间碎片的状态差为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 113987675 A 3