基于调相机制的航天器碰撞规避策略设计

罗宇飞; 孟云鹤

doi:10.13471/j.cnki.acta.snus.ZR20240025

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于调相机制的航天器碰撞规避策略设计

研究论文 | 更新时间：2024-09-29

- 基于调相机制的航天器碰撞规避策略设计
- Design of collision avoidance strategies based on phase modulation mechanism for spacecraft in circular orbit
- 中山大学学报(自然科学版)(中英文) 2024年63卷第4期页码：97-106
- 作者机构：
  
  中山大学人工智能学院，广东珠海 519082
- 作者简介：
  
  罗宇飞（1998年生），男；研究方向：轨道动力学；E-mail：luoyf37@mail2.sysu.edu.cn
  孟云鹤（1978年生），男；研究方向：轨道动力学、空天智能；E-mail：mengyh7@mail.sysu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(61673390)
- DOI：10.13471/j.cnki.acta.snus.ZR20240025
  中图分类号： V412.4
- 纸质出版日期：2024-07-25，
  
  网络出版日期：2024-04-01，
  
  收稿日期：2024-01-13，
  
  录用日期：2024-03-01
- 稿件说明：
移动端阅览
罗宇飞,孟云鹤.基于调相机制的航天器碰撞规避策略设计[J].中山大学学报(自然科学版)(中英文),2024,63(04):97-106.

LUO Yufei,MENG Yunhe.Design of collision avoidance strategies based on phase modulation mechanism for spacecraft in circular orbit[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2024,63(04):97-106.
罗宇飞,孟云鹤.基于调相机制的航天器碰撞规避策略设计[J].中山大学学报(自然科学版)(中英文),2024,63(04):97-106. DOI： 10.13471/j.cnki.acta.snus.ZR20240025.

LUO Yufei,MENG Yunhe.Design of collision avoidance strategies based on phase modulation mechanism for spacecraft in circular orbit[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2024,63(04):97-106. DOI： 10.13471/j.cnki.acta.snus.ZR20240025.

摘要

针对携带电推进等小推力推进系统工作的航天器，提出一种利用连续推力调相机制的在轨碰撞规避机动策略。首先，采用混沌多项式展开方法对初始状态不确定性的航天器碰撞概率进行分析，并以此作为碰撞规避策略的评价指标；进而推导了一种适用于小推力的轨道机动的解析解。利用这一解析结果可以提出一种新的避碰方法，即通过航天器轨道相位的微调减小航天器碰撞概率，并且在机动后能够迅速恢复原轨道相位。数值仿真表明：基于所提出的避碰机动策略，可以在较短时间内减小碰撞概率。数值仿真还揭示了避碰时间、燃耗和推力加速度之间的关系。

Abstract

This paper proposed a collision avoidance maneuver strategy using a continuous thrust phasing mechanism for spacecraft equipped with low-thrust propulsion systems， such as electric propulsion. Firstly， the spacecraft collision probability based on the uncertainty of the initial state using chaotic polynomial expansion was analyzed， which served as an evaluation metric for collision avoidance strategies. Subsequently， an analytical solution for orbital maneuver applicable to low-thrust propulsion was derived. This analytical solution introduces a novel collision avoidance method， which involved fine-tuning the spacecraft's orbital phase to reduce collision probability. Besides， this method could swiftly restore the original orbital phase post-maneuver. Numerical simulations demonstrate that the proposed collision avoidance strategy effectively reduced collision probability within a short time. The simulations also revealed the relation between collision avoidance time， fuel consumption， and thrust acceleration.

关键词

碰撞规避策略碰撞概率小推力推进系统解析控制律

Keywords

collision avoidance strategycollision probabilitylow-thrust propulsion systemanalytical control law

references

黄悦琛，2018.火星进入不确定性最优轨迹规划与制导方法研究［D］.长沙：国防科技大学.

李翠兰，唐歌实，胡松杰，等，2014.交会对接任务碰撞规避策略制定研究［J］.载人航天，20（1）：9-15.

李春来，欧阳自远，都亨，2002. 空间碎片与空间环境3［J］．第四纪研究， 22（6）： 540-551．

刘佳，田雷超，张岩，等， 2023.大功率霍尔电推进技术发展与思考［J］.中国航天，（11）：59-65.

吴启星，陈雨，2020.Walker星座碰撞检测及碰撞概率分析［J］.上海航天（中英文），37（5）：73-78+85.

ALARCÓN-RODRIGUEZ J R， MARTINEZ-FADRIQUE F M， KLINKRAD H， 2004. Development of a collision risk assessment tool［J］. Adv Space Res， 34（5）： 1120-1124.

CARPENTER J R， MARKLEY F L， ALFRIEND K T， et al，2011. Sequential probability ratio test for collision avoidance maneuver decisions based on a bank of norm-inequality-constrained epoch-state filters［C］//Astrodynamics Specialist Conference. AAS.

CHAO W，ZHANG Z L， YONG L， et al， 2019. Improved hybrid bounding box collision detection algorithm［J］. J Syst Simulat， 30 （11）： 4236-4243.

CHU X， ZHANG J， LU S， et al， 2016. Optimised collision avoidance for an ultra-close rendezvous with a failed satellite based on the Gauss pseudospectral method［J］. Acta Astronaut， 128： 363-376.

de VITTORI A， PALERMO M F， LIZIA P D， et al， 2022. Low-thrust collision avoidance maneuver optimization［J］. J Guid Control Dyn， 45（10）： 1815-1829.

FLORIJN D W，2015. Collision analysis and mitigation for distributed space systems［D］. Delft， Nederland： Delft University of Technology.

GHANEM R G， SPANOS P D， 2003. Stochastic finite elements： A spectral approach［M］. New York：Springer-Verlag.

HERNANDO-AYUSO J， BOMBARDELLI C， 2021. Low-thrust collision avoidance in circular orbits［J］. J Guid Control Dyn， 44（5）： 983-995.

JOHNSON N L， 2007. Current characteristics and trends of the tracked satellite population in the human space flight regime［J］. Acta Astronaut， 61（1/2/3/4/5/6）： 257-264.

JONES B A， DOOSTAN A， 2013. Satellite collision probability estimation using polynomial chaos expansions［J］. Adv Space Res， 52（11）： 1860-1875.

LEE B S，2012. GEO satellite collision avoidance maneuver strategy against inclied GSO satellite［C］// SpaceOps. Reston，Virigina：AIAA： 1294441.

LEI C， BOZHAO Z， LEI H，2004. An analytic method of collision detection for active spacecrafts［C］//55th International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation.The International Academy of Astronautics， and The International Institute of Space Law. IAA：2.

LI， J S， ZHEN Y， LUO Y Z， 2022. A review of space-object collision probability computation methods［J］. Astrodynamics， 6（2）： 95-120.

McDOWELL J C， 2020. The low earth orbit satellite population and impacts of the SpaceX Starlink constellation［J］. Astrophys J Lett， 892（2）： L36.

O’REILLY D， HERDRICH G， KAVANAGH D F， 2021. Electric propulsion methods for small satellites： A review［J］. Aerospace， 8（1）： 22.

QI Y， JIA Y， 2011. Active collision avoidance maneuver under constant thrust［J］. Adv Space Res， 48（2）： 349-361.

STRÖBEL R， STOLL E， 2023. Analytical assessment of short-duration low-thrust collision-avoidance maneuvers［J］. J Guid Control Dyn，47（2）： 358-365.

SPACEX. SpaceXs approach to space sustaniability and safety ［EB/OL］. （20220222）. https：//www.spacex.com/updates/#sustainabilityhttps://www.spacex.com/updates/#sustainability.

SLATER G L， BYRAM S M， WILLIAMS T W， 2006. Collision avoidance for satellites in formation flight［J］. J Guid Control Dyn， 29（5）： 1140-1146.

SONG M Z， WANG Y D， ZHENG W， et al， 2023. Fast period estimation of X-ray pulsar signals using an improved fast folding algorithm［J］. Chinese Journal of Aeronautics（CJA）， 36（10）： 309-316.

SWEETING M N， HASHIDA Y， BEAN N P， et al， 2004. CERISE microsatellite recovery from first detected collision in low earth orbit［J］. Acta Astronaut， 55（2）： 139-147.

WANG T， 2010. Analysis of debris from the collision of the Cosmos 2251 and the Iridium 33 satellites［J］. Sci Glob Secur， 18（2）： 87-118.

WANG Y D， ZHENG W， ZHANG S N，et al， 2023a. Review of X-ray pulsar spacecraft autonomous navigation［J］. Chinese Journal of Aeronautics（CJA）， 36（10）， 44-63.

WANG Y D， ZHANG S N， GE M Y， et al， 2023b. Fast on-orbit pulse phase estimation of X-ray crab pulsar for XNAV flight experiments［J］. IEEE Transa Aerosp Electron Syst， 59（3）， 3395-3404.

WANG Y D， ZHENG W， GE M Y， et al， 2023c. Use of statistical linearization for nonlinear Least-Squares problems in pulsar navigation［J］. J Guid Control Dyn， 46（9）， 1850-1856.

YOON Z， LIM Y， GRAU S， et al， 2020. Orbit deployment and drag control strategy for formation flight while minimizing collision probability and drift［J］. CEAS Space J，12（3）：397-410.

ZHANG S， FU T， CHEN D， et al， 2020. Satellite instantaneous collision probability computation using equivalent volume cuboids［J］. J Guid Control Dyn， 43（9）： 1757-1763.

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

暂无数据