天基非合作目标探测中的捕获概率模型
不同推力下的非合作空间目标轨道机动检测
第３７卷第３期２０１６年３月 宇 航 学 报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓＶｏｌ．３７Ｍａｒｃｈ Ｎｏ．３２０１６不同推力下的非合作空间目标轨道机动检测崔红正１，刘文玲２，唐歌实１，宋柏延１，葛茂荣３（１．北京航天飞行控制中心航天飞行动力学技术重点实验室，北京１０００９４；２．北京电子工程总体研究所，北京１００８５４；３．德国地学研究中心，波茨坦１４４７３） 摘 要：针对非合作空间目标轨道机动检测问题，创新性地提出具备普适性的不同推力下的轨道机动检测算法与检测流程。
首先给出不同推力作用下轨道机动动力学模型，在此基础上提出普适性轨道机动检测策略，包括：全模型地基与天基观测数据仿真策略，数据处理软件平台，脉冲推力、连续大推力与连续小推力轨道检测算法与流程，精度评估策略。
该策略利用不同推力作用下的检测算法与流程，可以满足多数非合作目标轨道机动检测需求。
结合地基与天基观测数据，仿真分析不同推力下的非合作目标轨道机动检测情况与轨道精度恢复情况，结果表明该策略能对轨道机动进行有效检测，为工程实际提供了有益借鉴。
关键词：轨道机动检测；非合作目标；脉冲推力；连续大推力；连续小推力；天基与地基观测中图分类号：Ｖ４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００ １３２８（２０１６）０３ ０２５３ ０９ＤＯＩ：１０．３８７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００ １３２８．２０１６．０３．００２ＤｉｆｆｅｒｅｎｔＴｈｒｕｓｔＭａｎｅｕｖｅｒｓＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＵｎｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅＳｐａｃｅＯｂｊｅｃｔｓＣＵＩＨｏｎｇ ｚｈｅｎｇ１，ＬＩＵＷｅｎ ｌｉｎｇ２，ＴＡＮＧＧｅ ｓｈｉ１，ＳＯＮＧＢａｉ ｙａｎ１，ＧＥＭａｏ ｒｏｎｇ３（１．ＦｌｉｇｈｔＤｙｎａｍｉｃｓＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＢｅｉｊｉｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｎｔｒｏｌＣｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ；２．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８５４，Ｃｈｉｎａ；３．ＧｅｒｍａｎＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｐｏｔｓｄａｍ１４４７３，Ｇｅｒｍａｎｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｄｅｔｅｃｔｍａｎｅｕｖｅｒｓｏｆｔｈｅｕｎｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｓｐａｃｅｏｂｊｅｃｔｓ，ｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｎｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｌｙｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｒｕｓｔｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｓａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ，ｂａｓｅｄｏｎｗｈｉｃｈｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｉｅｓａｒｅｐｒｏｖｉｄｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｐａｃｅ ｂａｓｅｄａｎｄｇｒｏｕｎｄ ｂａｓｅｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ，ｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｎｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｆｏｒｉｍｐｕｌｓｅｔｈｒｕｓｔ，ｈｉｇｈａｎｄｌｏｗｆｉｎｉｔｅｔｈｒｕｓｔ，ａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｅｓａｒｅｍａｄｅｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｒｕｓｔｍａｎｅｕｖｅｒｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｏｒｂｉｔａｃｃｕｒａｃｙｒｅｃｏｖｅｒｙｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｐａｃｅ ｂａｓｅｄａｎｄｇｒｏｕｎｄ ｂａｓｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｗｏｒｋｃｏｎｆｉｒｍｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｃａｎｓａｔｉｓｆｙｍｏｓｔｏｆｔａｓｋｓｆｏｒｕｎｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｏｂｊｅｃｔｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓａｓａｌｕｔａｒｙｌｅｓｓｏｎｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔａｓｋｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍａｎｅｕｖｅｒｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；Ｕｎｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｏｂｊｅｃｔｓ；Ｉｍｐｕｌｓｅｔｈｒｕｓｔ；Ｈｉｇｈｆｉｎｉｔｅｔｈｒｕｓｔ；Ｌｏｗｆｉｎｉｔｅｔｈｒｕｓｔ；Ｓｐａｃｅ ｂａｓｅｄａｎｄｇｒｏｕｎｄ ｂａｓｅｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ收稿日期：２０１５ ０５ ０４； 修回日期：２０１５ １０ ０６基金项目：中国博士后科学基金（２０１２Ｍ５２１８８３）；全球连续监测评估系统分析中心建设与运行维护项目（ＧＦＺＸ０３０１０４０３０８－０５）０ 引 言随着卫星应用领域的扩展，卫星种类与数量不断增加，形成了日趋完善的空间应用体系，包括对地观测、定位和导航、空间预警、通信与数据传输、气象探测、科研等多个方面。
目标探测概率估算模型
目标探测概率估算模型全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：目标探测是指在特定区域内识别和定位目标的过程，这在军事、安全、生态和商业领域都有着重要的应用。
目标探测概率估算模型则是一种用来估计探测到目标的概率的数学模型。
在这篇文章中，我们将深入探讨目标探测概率估算模型的原理、应用和发展趋势。
一、目标探测概率估算模型的原理目标探测概率估算模型的原理基于统计学和概率论的基础。
在目标探测过程中，我们通常会收集到一系列的数据，包括目标的特征、环境条件和传感器的性能等。
通过分析这些数据，我们可以建立模型来估计探测到目标的概率。
常见的目标探测概率估算模型包括贝叶斯概率模型、最大似然估计模型等。
这些模型通过分析观测数据和先验信息，计算出目标出现的概率，并根据这一概率来调整我们的行动策略。
目标探测概率估算模型在军事侦察、犯罪预防、自然保护和商业领域等多种领域都有着广泛的应用。
在军事领域，目标探测概率估算模型可以帮助军事情报部门更准确地识别敌方目标，提高作战效率和战略优势。
在犯罪预防中，该模型可以帮助警方预测犯罪活动的发生位置和时间，从而提前采取预防措施。
在自然保护领域，目标探测概率估算模型可以帮助野生动物保护部门监测和保护濒危物种。
在商业领域，该模型可以帮助企业更有效地识别潜在的市场机会和竞争对手。
随着人工智能和大数据技术的不断发展，目标探测概率估算模型正朝着更加智能化和精准化的方向发展。
人工智能技术的应用可以帮助提高目标探测模型的准确性和效率。
通过机器学习算法，可以让模型根据不断积累的数据自动调整和更新，提高模型的预测能力。
大数据技术的应用可以帮助扩展目标探测模型的适用范围和应用场景。
大数据可以为模型提供更多的信息和变量，从而更全面地分析目标探测的概率。
联合多个领域的专家和团队合作，可以促进目标探测概率估算模型的发展。
通过跨学科合作，可以将不同领域的知识和技术结合起来，创造出更具创新性和有效性的模型。
目标探测概率估算模型在现代社会中具有重要的意义和应用价值。
空间目标定轨的模型与参数估计方法研究及应用
空间目标定轨的模型与参数估计方法研究及应用空间目标定轨是指对空间目标的位置、速度和轨道参数进行精确测量和推算的过程。
这个过程对于航天、导航、遥感等领域的应用具有重要意义。
本文将重点介绍空间目标定轨的模型和参数估计方法，并探讨其应用。
一、空间目标定轨模型空间目标定轨的模型包括轨道模型和测量模型。
1.轨道模型轨道模型用来描述空间目标在轨道上的运动规律。
常用的轨道模型包括开普勒模型、球谐模型、中心天体引力模型等。
其中，开普勒模型是最常用的一种模型，通过描述目标在椭圆轨道上运动的六个轨道要素来确定目标的轨道。
2.测量模型测量模型用来描述测量系统对目标位置和速度的测量过程。
常用的测量模型包括单点观测模型、多点观测模型、多传感器融合模型等。
其中，多传感器融合模型是一种综合利用多种不同传感器观测数据的模型，可以提高定轨精度和抗干扰能力。
二、参数估计方法参数估计方法是空间目标定轨的核心内容，根据观测数据对轨道参数进行估计，从而确定目标的位置、速度和轨道。
1.最小二乘法最小二乘法是一种常用的参数估计方法，通过最小化观测数据与模型之间的差异来求解轨道参数。
通过对残差方程进行线性或非线性最小二乘拟合，可以得到目标的轨道参数估计值。
2.卡尔曼滤波卡尔曼滤波是一种递归的参数估计方法，通过动态更新观测数据和状态方程，实现对轨道参数的实时估计。
卡尔曼滤波方法可用于单传感器或多传感器融合的定轨过程，能够提高定轨的精度和稳定性。
三、应用空间目标定轨的应用广泛，主要包括以下几个方面。
1.航天航天任务中，对于卫星、宇宙飞船等空间目标的定轨非常重要。
通过对目标的轨道进行精确测量和推算，可以实现航天器的精确定位、轨道控制和任务规划等功能。
2.导航在导航领域，定轨用于确定导航卫星的位置和速度，以便提供准确的导航信号和定位服务。
通过将多颗导航卫星的定轨结果进行融合，可以提高导航系统的精度和可靠性。
3.遥感在遥感领域，对于地球观测卫星的定轨具有重要意义。
【系统仿真学报】_末制导_期刊发文热词逐年推荐_20140727
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
科研热词 高抛弹道 舰舰导弹 空空导弹 末制导雷达 捕捉概率 复合制导律 可攻性 卫星目标指示 动态模型 军事运筹 仿真
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
科研热词 高度控制 风标导引头 自动驾驶仪 自主编队飞行 空地导弹 比例导引头 无线自组织网络 攻角 捕获概率 协同航路规划 协同制导 中制导
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
2009年 科研热词 末制导炮弹 仿真 鲁棒制导 预测制导 预测交班点 非奇异terminal滑模 质心干扰 箔条 横向散布 模拟激光指示器 末制导 最优制导律 数字仿真 攻击过程 惯性制导 建模 射击模拟训练 导引头 天基对地打击武器 多目标 命中条件 反舰导弹 动能拦截器 制导炸弹 制导交班 再入 仿真模型 交接班 中制导律 vr技术 ins/gps aerospace blockset 推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
科研热词 跟踪质心变化 质心干扰 覆盖概率 海杂波 检测概率 末制导雷达 捕捉概率 切割效应 冲淡干扰 仿真 stc电路
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
空间非合作目标的天基光学组合探测系统
Ｓ ｃ － ａ ｅ ｐ ｉ ａ ｏ ｂ ｎ ｔｏ ｔ ｃ ｉ ｎ ｓ ｓｅ ｆ ｓ ｃ ｐａ ｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｔｃ ｌｃ ｍ ｉ ａ ｉ ｎ ｄｅ ｅ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｏ ｐａ ｅ ｎ ｎ－ ｏ ｐ ｒ ｔｖ ａ ｇ ｔ ｏ ｃ ｏ ｅ ａ ｉ ｅ ｔ ｒ ｅ
２ ｉａ ｎｔ ｕｅ Ｏｐｉｓａ ｄ Ｐ ｅ ｉ ｏ ｃ ａ ｉｓ Ｃ ｉｅ ｅ Ａｃ ｄ ｍｙ ｏ ｃｅ ｃ ｓ Ｘｉａ １ １ ９ Ｃ ｉａ ．Ｘ ｎ Ｉ ｓ ｔｔ ｔ ｎ ｒｃｓ ｎ Ｍｅ ｈ ｎ ｃ ， ｈｎ ｓ ａ ｅ ｆ Ｓ ｉｎ ｅ ， ’ ７ ０ １ ， ｈ ｎ ） ｉ ｃ ｉ ｎ
第 ４ １卷 第 ５期
Ｖ Ｏ ． Ｎｏ． １ ４ｌ ５
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红 外 与 激 光 工 程
Ｉ ｆａｅ ｎ ｓ ｒＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｎ ｒ ｒｄ ａ ｄ Ｌａ ｅ ｇｎ ｅ ｉｇ
２１ ０ ２年 ５ 月
Ｍａ ２ ２ ｙ．０１
空 间非 合 作 目标 的 天基 光 学 组 合探 测 系统
常凌颖 ， 陈荣利 ， 汶德 胜 赵葆 常 ２雷广 智 ２ ， ，
（．西安 邮 电学 院 电子工程 学院 ， １ 陕西 西安 ７０ ２ ： １ １ １ ２ ．中国科 学院西安 光 学精 密机械 研 究所 ． 西 西安 ７ ０ １ １ 陕 １ １９
摘 要 ：为 了实现 对 天基 空 间非合作 目标探 测 、 成像 ， 出了一种 空间非 合作 目标 的光 学探 测 、 像 提 成 组 合 系统 。 系统 由两套光 学子 系统和 转 台子 系统组成 ， 该 成像 相机 子 系统能 够对 宽视 场相机 给 出的重
空间机器人捕获动力学与控制
第２１卷第１２期２０２３年１２月动力学与控制学报J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O LV o l ．２１N o ．１２D e c ．２０２３文章编号:１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ２１(１２)Ｇ０２２Ｇ０１５D O I :１０．６０５２/１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ１３２㊀２０２２Ｇ１２Ｇ２９收到第１稿,２０２３Ｇ０３Ｇ２６收到修改稿．∗国家自然科学基金面上基金资助项目(１２１７２２１４),N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (１２１７２２１４)．†通信作者E Ｇm a i l :c a i g p ＠s jt u ．e d u ．c n 空间机器人捕获动力学与控制∗蔡国平†㊀刘晓峰㊀刘元卿(上海交通大学工程力学系,上海㊀２００２４０)摘要㊀空间目标的在轨捕获是航天器在轨服务的重要内容,无论是太空碎片清理还是对航天器进行维修等,都首先需要解决捕获这个极具挑战性的问题．本文对空间机器人捕获空间目标的动力学与控制问题进行综述,首先介绍国内外主要的空间机器人计划,然后介绍捕获前㊁捕获中㊁捕获后三个阶段的动力学与控制问题,寄望于本文内容能够对从事空间机器人技术研究的学者有所裨益．关键词㊀空间机器人,㊀捕获,㊀空间目标,㊀动力学与控制中图分类号:O ３２文献标志码:AC a p t u r i n gD y n a m i c s a n dC o n t r o l o f S pa c eR ob o t s ∗C a iG u o p i n g †㊀L i uX i a o f e n g ㊀L i uY u a n q i n g(D e p a r t m e n t o fE n g i n e e r i n g M e c h a n i c s ,S h a n g h a i J i a oT o n g U n i v e r s i t y ,S h a n gh a i ㊀２００２４０)A b s t r a c t ㊀I n Ｇo r b i t c a p t u r e o f s p a c e o b j e c t s i s a c r u c i a l a s p e c t o f s p a c e c r a f t s e r v i c i n g,w h e t h e r i t i n v o l v e s s p a c e d e b r i s r e m o v a l o r s p a c e c r a f tm a i n t e n a n c e ．T h e c h a l l e n g i n g t a s ko f c a p t u r i n g o b j e c t s i n s pa c e i s t h e p r i m a r y f o c u s o f t h i s a r t i c l e ．T h i s p a p e r p r o v i d e s a c o m p r e h e n s i v e r e v i e wo f t h e d yn a m i c s a n d c o n t r o l i s Ｇs u e s r e l a t e d t o s p a c e r o b o t c a p t u r e ．I t b e g i n s b y i n t r o d u c i n g m a j o r s p a c e r o b o t p r o gr a m s b o t h d o m e s t i c a l Ｇl y a n d i n t e r n a t i o n a l l y ．S u b s e q u e n t l y ,i td e l v e s i n t ot h ed y n a m i c sa n dc o n t r o l p r o b l e m sd u r i n g t h e p r e Ｇc a p t u r e ,m i d Ｇc a p t u r e ,a n d p o s t Ｇc a p t u r e p h a s e s ．I t i s h o p e d t h a t t h e c o n t e n t o f t h i s a r t i c l ew i l l b e b e n e f i Ｇc i a l t o s c h o l a r s e n g a g e d i n s p a c e r o b o t t e c h n o l o g y re s e a r c h ．K e y wo r d s ㊀s p a c e r o b o t ,㊀c a p t u r e ,㊀s p a c e o b j e c t ,㊀d y n a m i c s a n d c o n t r o l 引言随着人类对外太空探索的逐渐深入,空间领域相关技术引起了人们的更多关注,它不仅是一个国家荣誉的象征,也是一个国家科技水平的标志,它的发展关系着未来空间资源利用以及国家空间安全等重大问题．由于太空环境的强辐射㊁微重力㊁大温差㊁高真空等特点,宇航员在太空的活动存在着很多威胁和困难,空间机器人便成为代替宇航员完成太空任务的重要选择之一[１,２]．空间机器人具有如下优势与特点[３]:(１)不需要考虑维持人类生命的生态系统,(２)可以大幅度提升空间环境的适应能力,(３)可以长时间地在太空中执行任务,(４)能够降低成本和提高空间任务的效率,(５)能够完成很多情况下人类无法胜任的高精度㊁高可靠度的操作任务．正是由于空间机器人所具有的诸多优势,各个航天技术大国都在大力开展空间机器人相关技术的研第１２期蔡国平等:空间机器人捕获动力学与控制究．空间机器人主要是由航天器的本体及装载在本体上的机械臂所构成,主要用于太空垃圾清除㊁空间站建造及维护㊁航天器组装与维修㊁空间探测㊁空间攻防以及太空实验等[３,４],以空间机器人为核心的在轨服务技术逐渐成为当下空间技术发展和应用的热点之一[５]．以下从四方面简略阐述空间机器人的用途．太空垃圾清理．随着空间技术的不断发展,人类向太空中发射的航天器数量也在不断增多,太空垃圾数量呈现出爆发式增长．太空垃圾包括达到使用年限而报废或失效失控的人造卫星㊁火箭末级㊁箭星分离所产生的碎片㊁太空中漂浮的废弃物相互撞击所产生的小碎片等．世界各国目前每年发射的航天器的数量大约是８０~１３０颗,其中约有２％的航天器没有成功进入指定轨道,并且有８％左右的航天器在进入指定轨道后一个月后就发生失效[６]．据估计,在太空中环绕地球飞行㊁长度大于１０c m 的各种太空垃圾的数量不少于２１０００件．这些太空垃圾长期占据着有限的轨道资源,对正常在轨运转的航天器带来严重威胁,如何清理太空垃圾已成为人们关注的热点问题[７,８],利用空间机器人来对太空垃圾进行捕获㊁然后将其拉进坟墓轨道或者将其拉至更低轨道进入大气层销毁,是太空垃圾治理的重要手段之一．在轨修理维护与燃料添加．卫星从研制㊁生产㊁及在轨使用等整个过程的投入是巨大的．卫星在发射之前都经过了周密设计,并且充分考虑了各种可能会导致卫星失效的因素．但是由于太空环境的恶劣等因素,有些卫星在未到达设计寿命时就发生故障[９,１０]．另一方面,卫星所能携带的燃料有限,太阳能设备也存在着使用寿命,当燃料耗尽或者太阳能设备使用寿命到期后,卫星成为了 废星 ．利用空间机器人则可以对卫星进行维修与添加燃料,使其重新正常工作．失效卫星再利用．卫星发射升空后有可能出现太阳翼无法正常展开,也有可能出现通讯设施无法对地正常通讯等问题,从而导致卫星失效[１１,１２]．１９９７年６月,价值４．７４亿美元㊁原本设计寿命３年的日本A d e o s卫星在工作一年后,由于太阳翼故障而导致卫星完全失效,它是日本公开的已发射的最大和最复杂的卫星之一．２００６年１０月,西昌卫星发射中心发射的 鑫诺二号 通信广播卫星由于太阳能帆板和收发信号的天线没能成功展开,导致这颗耗费２０亿元的卫星失效．以上这些问题可以利用空间机器人而得以解决,相比再次发射新卫星可以大大节约成本．空间军事攻防[１３]．由于空间技术的飞速发展,军用卫星也在不断涌现,使得现代战争发生了巨大变革．军事力量对通信㊁气象㊁导航及定位等有着绝对依赖,可以讲空间技术能够决定现代战争的成败．如何削弱敌方空间设备的能力㊁保证己方空间设备的安全和正常工作,是未来战争的一个重要课题,利用空间机器人技术来提升空间攻防的能力是其中的焦点之一．１㊀国内外空间机器人发展概况近几十年来,空间机器人技术得了迅速发展,取得了很多成果,以下对各个航天大国的主要空间机器人计划做一简介．１．１㊀美国早在２０世纪８０年代,美国就已逐步着手空间机器人相关项目的科研工作,他们的主要项目包含如下,项目示意图如图１所示．(１)F T S项目(F l i g h t T e l e r o b o t i cS e r v i c eＧF T S)[１４]．F T S是１９８６年由N A S A主导发起的,它是美国最早的空间机器人项目,原定于１９９３年对项目中的D T FＧ１空间机器人进行测试飞行实验,以评估机器人系统在太空中的性能．它的主要目标是把机器人带出实验室而将其应用于恶劣的太空中环境,使其朝着自主的方向发展,从而替代宇航员完成在轨任务．虽然该项目于１９９１年被取消了,但是D T FＧ１空间机器人的设计已经基本结束,并且完成了机器人末端执行机构的制作．此外,该项目在各阶段相关飞行硬件方面的研究也取得了一些成果．(２)R T F X项目(R a n g e rT e l e r o b o t i cF l i g h t E x p e r i m e n tＧR T F X)[１５,１６]．该项目开始于１９９２年,计划于１９９８年从地球低轨道上的航天飞机上发射,主要目的是验证空间遥操作机器人对航天器的各种服务功能,为将来执行对近地轨道上航天器的在轨任务做准备．项目中的机器人是高度先进的,并且在太空环境中具有自由飞行能力．３２动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷图１㊀美国空间机器人项目示意图F i g．１㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo f t h eU S s p a c e r o b o t p r o j e c t㊀㊀(３)S k y w o r k e r项目[１７]．S k y w o r k e r是由C a rＧn e g i eM e l l o n大学自主研制的,主要用于大规模有效载荷的运输和装配任务,它是一个具有１１个自由度的可移动空间机器人．(４)A E R C a m项目(T h eA u t o n o m o u sE x t r aＧv e h i c u l a rA c t i v i t y R o b o t i cC a m e r aＧA E R C a m)[１８]．A E R C a m是一个沙滩球大小㊁具有６个自由度的摄像机器人,主要用来对空间站和航天飞机内外部进行观察,从而帮助宇航员完成空间在轨任务．它是由美国N A S A约翰逊航天中心设计开发的,机器人的半径为１４c m,总重为１５．３３K g,其中带有重为０．５４４K g的燃料．上面装有用来传送视频流到电脑和地面的两个摄像机㊁１２个小型氮气动力推进器和航电设备．１９９７年１２月,A E R C a m进行了在轨测试,由舱外宇航员手动释放后飞行了约３０分钟,由舱内宇航员对它进行操纵拍摄图片并回传相关数据[１９]．(５)R o b o n a u t项目[２０,２１]．R o b o n a u t是由美国N A S A约翰逊航天中心研制的,是一款用来取代航天员完成舱段外工作的空间机器人．R o b o n a u t在外形和运动能力上基本与人类的上半身一样,主要包含头部㊁躯体和手臂等部分,它能够使用多种工具完成大量复杂的操作．(６)S C O U T项目(S p a c e C o n s t r u c t i o na n d O r b i t a lU t i l i t y T r a n s p o r tＧS C O U T)[２２]．由于现有的E V A(e x t r a v e h i c u l a r a c t i v i t y)压力服系统对太阳辐射和空间辐射的防护有限而不能满足在深空环境中的使用,同时为了在舱外活动中最大程度地利用人类灵活的手工操作,美国M a r y l a n d大学在结合压力服系统设计㊁航天器技术及机器人服务系４２第１２期蔡国平等:空间机器人捕获动力学与控制统的基础上,开发了S C O U T系统,该系统的高㊁宽及深分别约为２m㊁１．５m和２m,可为宇航员在太空作业中提供良好的工作环境．(７) 轨道快车 项目[２３,２４]．该项目是由美国国防部高级研究计划局在１９９９年提出的,主要是为了检验航天器在轨操作的一些相关核心技术,主要包括:短程及远程自动交汇对接技术,捕捉及停靠,太空中的电力电子设备升级和在轨加注燃料等．２００７年３月８日成功发射了轨道快车项目相关的航天器,２００７年７月２２日实现了所有在轨项目的演示[２５]．(８) 凤凰(P h o e n i x) 计划项目[２６]．该计划是由美国国防部高级研究计划局于２０１１年发起的,整个系统由服务星(空间机器人)㊁细胞星(S a t l e t)和在轨投送设备(P O D)三部分组成．主要任务是通过空间机器人将商业卫星上弹出的S a t l e t和P O D捕获后存放起来,然后携带它们至目标星附近并捕获目标星,最后通过P O D的相关工具将S a t l e t安装在目标星上并激活．(９) 在轨服务㊁装配与维修(O nＧO r b i tS e r v iＧc i n g,A s s e m b l y a n dM a n u f a c t u r i n gＧO S AM) 计划项目[２７]．该项目是由美国航天局于２０２０年发起的,计划于发射两个在轨服务卫星,分别是O S AMＧ１与O S AMＧ２．O S AMＧ１卫星计划于２０２５年后发射,旨在使用机械臂为L a n d s a t７地球成像卫星进行轨道捕获与燃料加注工作,完成主要任务后,由麦克萨科技公司(M a x a rT e c h n o l o g i e s)制造的空间基础设施灵巧机器人(S p a c eI n f r a s t r u c t u r eD e xＧt e r o u sR o b o t,S P I D E R)进行在轨组装与制造任务．O S AMＧ２卫星预计不早于２０２４年发射,正在开发与O S AMＧ１任务互补的技术．该卫星将在轨道上建造并部署一个替代太阳能电池阵列．在轨准备就绪后,O S AMＧ２将３D打印一个从航天器一侧延伸１０米的横梁,完成后将来到航天器的另一侧打印一个延伸６米的横梁．１．２㊀加拿大(１)加拿大S R M S(S h u t t l eR e m o t eM a n i p u l a t o r S y s t e mＧS R M S)[２８]．S R M S是由加拿大M D R o b o t i c 公司于１９８１年开发的,也是全球上首个成功应用的远程遥操控的空间机械臂,主要用于航天飞机检查维修㊁操纵以及在轨构筑和组装等在轨任务,目前已经成功完成了几十个航天飞行器上的任务．它由上臂和下臂㊁终端执行机构和位于航天飞行器终端甲板上的控制台所组成,机械臂的总长为５０英寸,包含有６个可以实现转动和平移运动的关节．(２)加拿大M S S(M o b i l eS e r v i n g S y s t e mＧM S S)[２９]．在S R M S的基础上,M D R o b o t i c公司又研制了在空间站上使用的远程遥操控的机器人系统．该系统主要由移动本体[３０,３１](M o b i l eB a s eS y sＧt e mＧM B S)㊁空间站远程遥操控机械臂系统[３２,３３] (S p a c eS t a t i o n R e m o t e M a n i p u l a t o rS y s t e mＧS SＧR M S)和专用灵巧机械手[３４Ｇ３６](S p e c i a lP u r p o s e D e x t e r o u sM a n i p u l a t o rＧS P D M)三部分组成．其中, M B S相当于整个系统的基座,系统运行的能源由它来提供;S S R M S主要用来搬运和组装大型物件,它由总共有７个自由度的两臂杆所组成;S P D M可以执行一些更加复杂和精细的任务．(３)加拿大机械臂３号(C a n a d a r m３)[３７]．C a n aＧd a r m３是加拿大航天局为美国月球空间站设计的空间机械臂系统,其一个８．５m长的机械臂㊁一个灵巧机械臂和一套在轨替换单元构成,主要用于完成空间站的维护㊁修理和检查㊁访问飞船的捕获㊁航天员的太空行走辅助以及科学实验．图２㊀加拿大空间机器人项目示意图F i g．２㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo fC a n a d i a n s p a c e r o b o t p r o j e c t５２动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷１．３㊀欧洲欧洲的德国㊁欧空局㊁俄罗斯及意大利等国家针对空间机器人技术都进行了研究和实验,相关项目如下所述,项目示意图如图３所示．图３㊀欧州空间机器人项目示意图F i g ．３㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo fE u r o p e a ns p a c e r o b o t p r o je c t ㊀㊀(１)德国R O T E X 项目(R o b o t i cT e c h n o l o g y E x pe r i m e n t ＧR O T E X )[３８]．该项目发起于１９８６年,并在１９９３年从哥伦比亚航天飞机上成功发射,进行了结构组装㊁连接/断开开关动作及捕获空间漂浮目标等实验,并在多传感器融合的夹持技术及遥操作的延时补偿技术等方面取得了重大成果．R O ＧT E X 使用了一个小型６轴的空间机器人(太空中第一个遥操作机器人),抓手上安装有很多的传感器,包含两个６轴的腕关节力(力和力矩)传感设备㊁触觉阵列㊁一组９个激光测距仪设备和一个小型的深度摄像机等．(２)德国E S S 项目(E x p e r i m e n t a lS e r v i c i n gS a t e l l i t e ＧE S S )[３９]．该项目的主要目的是以G E O 轨道上T V ＧS a t １为服务对象,利用服务星验证R O ＧT E X 中的遥操作思想在目标星检测㊁接近㊁抓取㊁停泊㊁维修及释放等操作的应用．(３)德国R O K V I S S 项目(R o b o tK o m po n e n t V e r i f i c a t i o no n I S S ＧR O K V I S S )[４０Ｇ４２]．２００２年D L R(G e r m a nS p a c eC e n t e r )发起了R O K V I S S 项目,并于２００４年随俄罗斯进步号宇宙飞船升空,２００５年实现了在国际空间站的俄罗斯舱段上的装配,它主要是为了验证模块化轻型机器人关节在实际外太空条件下的性能㊁持续时间下的动力学和摩擦行为㊁以及远程遥操作监控方法的可行性．R O K V I S S 中包含一个两关节力控的小型机器人㊁一个控制器㊁一个深度相机㊁一套光照系统㊁一个地球探测相６２第１２期蔡国平等:空间机器人捕获动力学与控制机㊁一套电力能源设备以及其他用于机器人性能验证的相关装置．(４)德国T E C S A S项目(T e c h n o l o g y S a t e lＧl i t e s f o rd e m o n s t r a t i o na n dv e r i f i c a t i o no fS p a c e s y s t e m sＧT E C S A S)[４３,４４]．该项目是由德国于２００３年发起㊁加拿大参与的,整个项目由德国安装有７个自由度的服务卫星和加拿大的客户端卫星构成,主要目标是验证远程汇合㊁近距离交汇㊁绕飞观察㊁捕获合作与非合作目标㊁稳定组合体和辨识被捕获目标㊁组合体的机动飞行㊁分离目标星和编队分行等．(５)德国D E O S项目(D e u t s c h e O r b i t a l e S e r v i c i n g M i s s i o nＧD E O S)[４５]．T E C S A S项目在２００６年被中止后,D L R后续又发起了D E O S项目．D E O S同样包含服务和客户端两颗卫星,他们同时被发射到初始轨道．D E O S的主要任务包括利用服务星的机械臂捕获翻滚非合作客户端卫星和捕获后组合体再入预先定义的轨道．(６)欧空局G S V项目(G e o s t a t i o n a r y S e r v i c e V e h i c l eＧG S V)[４６]．G S V项目是于１９９０年发起的,它本质上是一带有机器人系统的服务航天器．它在发射后,一直处在静止轨道上直到生命期结束,一旦有任务时才会被激活并去执行任务．G S V的主要任务是针对地球静止轨道的卫星进行在轨操作,包括近距离对问题卫星进行观测检查及维修㊁将失效卫星拖入坟墓轨道等．(７)欧空局E R A项目(E u r o p e a n R o b o t i c A r mＧE R A)[４７,４８]．该项目是由欧空局与俄罗斯航天局共同合作主导的,主要用于国际空间站俄罗斯舱段的装配和维修等任务．E R A是一个长１１m㊁结构完全对称的７关节机械系统．(８)意大利S P I D E R项目(S P I D E R m a n i p uＧl a t o rS y s t e mＧS M S)[４９]．S P I D E R项目是一个由意大利航天局(I S A)主导的在空间机器人领域长久的战略性项目,项目中设计了用于轨道附近执行检查和修理任务㊁并且具有７个旋转自由度的高度自治自由漂浮空间机器人．(９)欧空局 主动碎片清除/在轨服务 项目(A c t i v eD e b r i sR e m o v a l/I nＧO r b i tS e r v i c i n gＧA DＧR I O S)[５０]．２０２０年,欧空局将第一个A D R I O S任务分配给C l e a rS p a c e公司,该公司是一家由洛桑联邦理工学院(E P F L)研究人员成立的初创公司．在第一个A D R I O S任务中,C l e a rS p a c e公司计划发射一颗名为 清洁太空 一号(C l e a r S p a c eＧ１)的航天器．C l e a r S p a c eＧ１将是欧洲首个实用性空间碎片主动清除系统,这是２０１２年E S A 欧洲离轨 (e．D eＧo r b i t)任务的延续,计划在２０２５年发射,通过其四重机械臂进行在处置轨道上进行一个太空垃圾的捕获与销毁任务．１．４㊀日本日本在空间机器人领域的研究工作始于上世纪８０年代,是首先倡导在轨自主服务技术的国家之一[５１],并在这个领域取得了重大成就,主要项目如下所述,,项目示意图如图４所示．(１)M F D项目(M a n i p u l a t o rF l i g h tD e m o nＧs t r a t i o nＧM F D)[５２]．M F D是日本首个与空间机器人相关的试验项目．它作为N A S A肯尼迪航天中心(K S C)s t sＧ８５其中的一个任务,于１９９７年从 发现号 航天飞机上成功发射,并进行了在轨实验．M F D 整个系统主要由空间的机载设备和地面的操控系统构成,该项目主要用于评价和估计空间环境对材料性能退化的影响㊁收集宇宙尘埃㊁两相流体循环实验的热控技术㊁评定在空间微小重力条件下机械臂系统的各种性能㊁评定机械臂控制系统的人机接口性能㊁以及验证机械臂对O R U的调试装卸等．(２)OM S项目(O r b i t a lM a i n t e n a n c e S y s t e mＧOM S)[５３]．日本通信研究实验室(C R L)于２００４年提出了在轨执行监控测量㊁修理和清除等任务的轨道维护项目OM S,并且为其开发了一套可以实现各种图像处理功能的机械臂模块,该项目的首要任务是能够自主识别并实现与目标航天器的交汇对接．(３)E T SＧV I I(E n g i n e e r i n g T e s t S a t e l l i t eV I IＧE T SＧV I I)[５４]．１９９７年１１月２８号,日本宇航局(N A S D A)成功发射世界上第一颗使用了机械臂系统的卫星．E T SＧV I I由质量为２．５t的追踪星和质量为０．４t的目标星所组成,其中机械臂机构安装在追踪星上,长度为２m,有６个旋转自由度,在末端执行机构上和第一个关节上配置有摄像设备．E T SＧV I I的主要任务是验证自主交会对接等在轨关键技术[５５Ｇ５７]．(４)J E M R M S(J a p a n e s eE x p e r i m e n tM o d u l e R e m o t e M a n i p u l a t o rS y s t e mＧJ E M R M S)[５８]．J E MＧ７２动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷R M S是日本宇航局为国际空间站中日本实验舱段设计的遥操作机器人系统．该系统主要由主臂杆(MA)和小臂杆(S F A)所构成,其中主臂(MA)安装在舱段P M上,它有９．８m长,４２０K g,６个自由度,主要用来传递㊁取回及停泊有效载荷[５９];小臂(S F A)初始时放在外部设备E F上备用,使用时就安装在主臂终端上,它有１．６m长,１１００K g,也是６个自由度,主要用来完成一些比较精细的工作,如天线安装等．(５)C D R２项目(C o mm e r c i a l R e m o v a lo f D e b r i sD e m o n s t r a t i o n)[６０]．C D R２是日本宇航局主导空间碎片移除任务,目前东京宇宙尺度公司(A sＧt r o s c a l e)来发射一颗卫星;对一台废弃的日本火箭上面级进行检查,从而为后续清理任务铺路．合同要求该公司在２０２３年前完成这项检查任务．若能再拿到J A X A＂商业碎片清理验证＂(C R D)２计划下的一项后续合同,宇宙尺度公司将需要在２０２６年３月３１日前把这台废弃上面级清出轨道．图４㊀日本空间机器人项目示意图F i g．４㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo f J a p a n e s e s p a c e r o b o t p r o j e c t１．５㊀中国我国在空间机器人技术方面的探索研究工作起步比较晚,直到上世纪八十年代末才开始了空间机器人的相关项目．到目前为止,国内的一些研究所和高校已经对空间机器人技术的许多基础问题进行了研究,在一些关键技术上也取得了突破[６１],其中 舱外自由移动空间机器人的地面模拟演示系统 (E M R系统)是这些研究当中影响力比较大的．E MR系统包括重力抵消系统㊁可以实现走动和操控运动的机构㊁及可以模拟舱内外环境的机器人作业平台[６２]．近年来,在众多空间需求的引导下,比如空间站建设㊁在轨维护㊁空间碎片清除㊁月球/火星/小行星探测㊁空间太阳能电站的建设等,我国空间机器人及空间人工智能技术也在蓬勃的发展,并在在轨服务㊁空间组装与生产㊁月球与深空勘探等方面也获得了一系列的成绩．嫦娥三号的成功发射实现了 玉兔 号月球车对月面的勘探计划,火星表面巡视监测机器人也在积极地进行研制,一系列航天器的在轨能源补给关键技术也获得了重大突破．２０２２年,美媒体证实我国与２０２１年发生实践二十一号卫星在１月２２日成功捕获了失效的北斗２号G２卫星,１月２６日将其拖到 墓地轨道 后,自己又回到了地球静止轨道(G E O)．自此,中国的 空间碎片减缓技术 实验取得圆满成功．２㊀空间非合作目标抓捕措施在轨服务任务中,被捕获目标可以分为两类:合作目标,非合作目标．合作目标具有合作性,是指目标可以向服务机器人传递相对运动信息,或向服８２第１２期蔡国平等:空间机器人捕获动力学与控制务航天器提供便于进行交会对接等操作的条件．这类航天器通常安装有用于测量的特征表示和机械臂抓持或对接的装置．相对而言,非合作目标是指那些无法向服务机器人提供相对状态信息㊁而且交互对接所需信息都未知的目标．美国空间研究委员会(S S B)㊁航空与空间工程局(A S E B)在哈勃望远镜修复计划的评估报告中曾这样定义过非合作目标的概念[６３]: 非合作目标是指那些没有安装通讯应答机或其它主动传感器的空间目标,其它航天器不能通过电子讯问或发射信号等方式实现对此类目标的识别或定位 ．非合作目标不能向服务航天器提供有效的信息,这就给交互测量㊁抓捕和对接等操作带来了极大的挑战．如何在没有合作信息的情况下对目标进行识别㊁测量和抓捕便成为了非合作在轨服务的一项关键技术,同时也是任务中面临的难点技术．目前各国实际在轨运行的航天器和在研型号,并没有专门设计用于接受在轨服务的抓捕手柄和测量标志器(发光标识器或角反射镜),即是非合作的,因此基于合作目标的在轨服务技术无法用于此类目标．在轨捕获技术是航天高技术领域中的一项极具前瞻性和挑战性的课题,同时也具有极高的军民两用双重价值．美国宇航局(N A S A)㊁欧洲航天局(E S A)以及日本N A S D A等航天科研机构都对该技术表现出了高度关注,国内哈尔滨工业大学㊁清华大学㊁上海交通大学㊁北京理工大学㊁南京航空航天大学㊁西北工业大学㊁北京邮电大学㊁福州大学㊁中国空间技术研究院和上海航天技术研究院等单位也对相关技术进行了长期研究．在国内外学者的共同努力下,相关研究已经取得了不错的研究进展,并提出了多种行之有效的捕获方法．如图５所示,这些捕获方法可分为:刚性连接捕获和柔性连接捕获．刚性连接捕获方法主要指利用直接利用机械臂和其末端的刚性适配器来完成非合作目标捕获的方法[６４]．该类方法主要针对各类非合作航天器,且要求目标具有星箭对接环或卫星发动机喷管等结构[６５Ｇ６７]．相对柔性连接捕获方法,其在技术成熟度㊁可控性和重复使用性上具有一定优势．不过由于该类方法所采用的末端执行器往往具有较高的刚度,因此当末端执行器与目标发生接触碰撞后存在接触分离和损伤目标结构的风险．柔性连接捕获方法主要指利用飞网[６８Ｇ７４]㊁鱼叉[７５Ｇ７９]㊁飞爪[８０,８１]等来完成非合作目标捕获的方法．由于柔性连接捕获方法不再要求目标上具有特殊机构,因此该类方法具有通用性更高的优点．不过相对第一类捕获方法,该类方法的可重复使用性较低．另外,由于柔性连接捕获方法所采用的抓捕机构往往具有较高的自由度,所以此类方法可控性也较低．以飞网为例,其在捕获过程中会面临无法展开和无法包裹住目标的风险．图５㊀捕获方法分类F i g．５㊀C l a s s i f i c a t i o no f c a p t u r em e t h o d s３㊀空间机器人动力学与控制空间机器人的在轨服务中蕴含着大量的动力学与控制问题,它涉及到力学㊁材料㊁信息㊁自动化等多个学科,是需要这些学科技术的有效综合．总体上讲,动力学的问题是根本,控制问题是目的,动力学问题的有效解决可以为控制设计提供参数与模型保障,减轻控制设计的难度．空间机器人一般用于空间大质量目标的捕获,过程可以分为捕获前㊁捕获中和捕获后三个阶段．捕获前的主要任务通常是空间机器人与空间目标的远距离交会㊁运动观测与运动预测㊁近距离交会㊁消旋㊁捕获点确定等,以便规划空间机器人的作业路径．捕获中的核心问题是空间机器人和空间目标之间的接触碰撞,该过程冲击载荷大㊁作用时间短㊁存在碰撞后再次分离的可能,是复杂的非线性动力学问题．捕获后的主要问题是系统姿态的快速稳定控制．上海交通大学蔡国平教授课题组对这三个阶段的主要动力学与控制问题进行了深入研究,出版了«空间机器人捕获动力学与控制»学术专著[８２],下面对这三个阶段的动力学与控制问题做一简介．捕获前的动力学与控制问题．(１)首先表现在空间机器人与空间目标的远距离交会,此时两者相距较远,可达几百甚至上千公里．当目标为报废卫星等的无动力目标时,远距离交会的轨迹规划与控制设计较为容易．但当目标为有动力的非合作目标时,远距离交会则变成了零和博弈问题,需要采用９２。
空间非合作目标形式概念分析
吉 首 大 学 学 报 （自然 科 学 版 ） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｓｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
ＶｏＩ． ３３ ＮＯ． ４ Ｊｕ１． ２０１２
文章 编号 ：１００７—２９８５（２０１２）０４—００８７—０４
空 间非 合 作 目标 形 式 概 念科 技 大 学 航 天 与 材 料 工 程 学 院 ，湖 南 长 沙 ４１００７３）
摘 要 ：非 合作 目标 泛指 不 能提 供 有 效 信 息 的 空 间 目标 ，在 对 近 年 来 关 于 非 合 作 目标 定 义 范 畴 的 局 限性 进 行 分 析 基 础
文 献 标 志 码 ：Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—２９８５．２０１２．０４．０２０
非合作 目标 （Ｎｏｎ－ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｔａｒｇｅｔ）泛指不 能提 供有 效合 作信 息 的空 间 目标．对非 合 作 目标 进 行研 究 ，是 未来 自主导航 、天基精 确测 量 、星际 飞行 、自主交 会对 接 、空 间对抗 、小 卫星绕 飞 等多 项 空 间热 门技术 的基 本前 提 ．然 而 ，到 目前 为 止 ，非 合作 目标 还没 有 相对 统 一 严格 的定 义 ，因不 能 对其 进 行 精确 描 述 和界 定 ，相应 的局 限性 已开始显 现 ，所 以对 非合 作 目标进行 数学 意义 上 的定 义 已十分 迫切 ．
上 ，通 过 运 用 形 式概 念理 论 ，对 非 合 作 目标 的 形 式 概 念 进 行 了 分 析 讨 论 ，所 得 描 述 基 本 可 以体 现 非 合 作 目标 的 范 畴 及 功 能
属 性 ．
高精度空间非合作式相对轨道状态预报
高精度空间非合作式相对轨道状态预报*朱正龙，闫野，杨跃能（国防科技大学 航天科学与工程学院，湖南 长沙 410073）摘 要：本文提出了一种基于相对轨道动力学方程和二阶龙格库塔积分公式的高精度空间非合作目标相对轨道预报模型。
考虑地球J2摄动加速度，将目标轨道方程在参考轨道附近展开，保留至引力加速度差的二阶展开项，并进一步推导考虑J2摄动的参考轨道角速度和角加速度，建立相对轨道动力学微分方程；在给定相对轨道初值的情况下，采用二阶龙格库塔积分公式进行相对轨道预报。
该模型采用数值积分方法，对相对轨道动力学模型形式没有限制，通用性好，适用范围广；选择低阶龙格库塔公式积分预报，既减小了计算量又保证了计算精度。
设置了高轨和低轨两种相对运动仿真场景，仿真结果表明了模型的通用性和精确性。
关键词：相对轨道动力学、J2摄动、相对轨道预报中图分类号：V412.4 文献标志码：A 文章编号：High Accurate State Propagation of Non-Cooperate RelativeOrbit in SpaceZHU Zhenglong, YAN Ye, Yang Yueneng(College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) Abstract ：Based on relative orbit dynamics equations and second order Runge-Kutta method, a highly accurate state propagation model of non-cooperative relative orbit motion is proposed. Taking the J2 perturbation into account and expanding the target orbit equations into second order Taylor series beside the reference orbit, the relative orbit dynamics equations is built. Then the second order Runge-Kutta method is used to propagate the relative orbit motion. With the use of second order Runge-Kutta method, the computing efficiency is improved while calculation accuracy is guaranteed. What ’s more, the model can be widely used without any limiting condition because of numerical integral method is used. Two simulation scenarios, a low Earth orbit scenario and a high Earth orbit scenario, are designed to testify the generality and precision.Keywords ：relative orbit dynamics, J2 perturbation, relative orbit propagation*收稿日期：2015-XX-XX基金项目：国家863计划资助项目作者简介：朱正龙（1987-），湖北宜昌人，博士研究生，E-mail:long420521@闫野（通信作者），男，博士，博士生导师，E-mail:yynudt@空间相对轨道状态预报技术是完成空间接近操作任务的关键技术之一。
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国 际 上 ， 间 目标 按 其 性 质 一 般 分 为 合 作 目标 与 空
非 合 作 目标 。 前 者 是 指 空 间 中 我 方 的 在 轨 卫 星 、 间 空
站 、 间 光 通 信 中 的 合 作 卫 星 。后 者 是 指 空 间 卫 星 对 星
抗 中 的对 方 卫 星 和 空 间 飞 行 器 碎 片 等 。 系 统 功 能 方 在
周彦 平 ， 付 森 ， 思 源 ， 于 王 健 ， 王 强 ， 启 文 ， 质 斌 冉 严 （ 尔 滨 工 业 大 学 航 天 学 院 ，黑 龙 江 哈 尔 滨 １ ０ ０ ） 哈 ５ ０ １
摘 要 ：针 对 空 间 目标 瞄 准 捕 获 系统 中 的 捕 获 概 率 问 题 ， 设 计 空 间 卫 星 光 电探 测 平 台 时 ． 用 在 采 常 用 的 捕 获 方 式 进 行 建 模 ， 析 了 空 间 光 电 探 测 系 统 在 不 确 定 区 域 中 对 不 同机 动 目标 的捕 获 概 率 分 首
面 ， 星 捕 获 跟 踪 技 术 与 星 间 光 通 信 中 的 瞄 准 捕 获 跟 卫 踪 （Ａ 技 术 类 似 。 如 ． 系 统 结 构 方 面 ， 者 都 具 Ｐ Ｔ） 例 在 两 有 瞄 准 装 置 、 学 发 射 接 收 装 置 和 光 学 偏 差 信 号 检 测 光
装 置 ： 工 作模 式方 面 ， 是 由粗 瞄准 、 获和跟 踪 ３ 在 都 捕
的机 械带宽 、 终端 指 向精 度 、 星平 台振动 等 。为此 ， 卫
在 研 究 捕 获 方 法 时 ， 先 做 以 下 考 虑 ：１ 首 （）参 照 某 卫 星 的 实 测 振 动 谱 ， 电探 测 终 端 的 固 有 扰 动 与 随 机 扰 动 光
带 来 的 影 响 的 幅 值 数 量 级 为 ｌ ～ ０ ｔａ ０ ６ ｘ ｄ、频 率 为 １ ｒ ～ １ ０ Ｈｚ （ ）参 照 ＳＬ Ｘ 计 划 中提 供 的 光 电 探 测 终 端 ０ ；２ ＩＥ
先提 出 了 空 间 机 动 目标 的 时 间 相 关 运 动 模 型 ， 后 以 空 间 螺 旋 扫 描 的 捕 获 方 式 为 例 ． 立 了 捕 获一目 然 建 标 的 捕 获概 率 模 型 并且 针 对 实 际 应 用 ， 捕 获 分 辨 角 范 围 为 ０６ ０８ ｍｒｄ， 取 ．～ ． ａ 则对 应 的 扫 描 角度 间 隔 ， 范 ．
ｍｏ ｅ ｏ ｐ ｃ ａ ｅ ｖ ｒｎ ａ ｇ ｔ ｗａ ｒ ｐ ｓ ｄ．Ｔｈ ｎ，ｔ ｅ ｐ ｒ ｌ ｓ ａ ｍｅ ｈ ｄ ｗａ ｓ ｄ ｔ ｓａ ｌ ｈ ｈ ｄ ｌ ｆ ｓ ａ ｅ ｍ ｎ ｕ ｅ ｉ ｇ ｔｒ ｅ ｓｐｏ ｏ ｅ ｅ ｈ ｓ ｉａ ｃ ｎ ｔｏ ｓ ｕ ｅ ｏ ｅ ｔ ｂ ｉ ｔ ｅ ｓ
符 为 空 间 卫 星 光 电 目标 捕 获 跟 踪 系 统 的 设 计 提 供 了 一 定 的 理 论 依 据
关 键 词 ：捕 获 概 率 ： 不确 定 区 域 ： 机 动 目标
中 图 分 类 号 ： Ｎ９９ １ Ｔ ２ ．ｌ
文 献 标 志 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１０ — ２ ６２ １ ）４ ０ ３ — ５ ０ ７ ２ ７ （０ ００ — ６ ９ ０
ｔ ａ ａ ｙ ｅ ｈ ａ ｑ ｉ ｎ ｐ ｏ ｅ ｕ ｅ ｗｉｈ ｅ ｏ ｕ ｉ ｎ ｎ ｌ ｒ ｎ ｅ ｒ ｍ ０． ｍｒ ｄ ｏ （． ｍｒ ｄ． ｔ ｅ ｃ ｎ ｏ ｎ ｌ ｚ ｔ ｅ ｃ ｕ ｒ ｇ ｒ ｃ ｄ ｒ ， ｉ ｔ ｒ ｓ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ａ ｇ ｆ ｏ ｏ ６ ａ ｔ ）８ ａ ｈ ｓ ａ
一
些 较 成 熟 的技 术 ， 短 研 究 进 度 。 很 多 学 者 都 借 鉴 缩
通 常 ， 响 捕 获 成 功 的 因 素 有 很 多 ， 捕 获 系 统 影 如
了卫星 光通 信 中的 Ｐ Ｔ技 术 ，研究 了卫 星激 光 通信 Ａ
中 卫 星 平 台 引 起 的 扰 动 对 捕 获 带 来 的 影 响 ［２ 又 如 １１ －。 在 美 国 Ｓ ＲＶ一 和 欧 空 局 ＳＬ Ｘ 空 间 实 验 中， 采 用 Ｔ ２ ＩＥ 均
Ｅｍａ ｌｙ ｚ ｏ ＠ ｈ ｔｅ ｕ ｃ ｉ： ｐ ｈ ｕ ｉ ｄ ｎ
红 外 与 激 光 工 程
第 ３ 卷 ９
电 系 统 的 视 轴 ） 指 定 的水 平 或 者 俯 仰 角 度 范 围 内摆 在
０ 引 言
随着 空 问 探 测 任 务 的 日益 增 多 ，需 要 卫 星 及 时 机 动 变 轨 的情 况 正 在 逐 年 增 加 ，对 空 间 目标 进 行 实 时 监 测 、 获 和跟 踪 的技 术 难 度 也 随之 提 高 。在 卫 星 探 测 系 捕 统设 计 中 ， 间 目标 跟 瞄 系统 的捕 获 性 能 正 成 为 研 究 热 空 点 ， 其 是 卫 星 对在 轨 目标 或 非 在 轨 目标 的捕 获 能 力 。 尤
围 为 ０４ ～ ．（ ａ 设 计 了扫 描 、 获 的 Ｍｏ ｔ — ａｌ ．２ ０７） ｍｒｄ， ２ 捕 ｎｅ Ｃ ｒ ｏ计 算 机 仿 真 实验 模 型 经 过 ５ ０ ０次 捕 获 验 ０
证 ， 得 到 了 在 不 同 时 刻 进 入 视 场 的 任 意 方 向 的 非 合 作 目 标 的 捕 获 概 率 模 型 ． 与 室 内 捕 获 实 验 结 果 相
ｓ ｓｅ ｙ ｔ ｍ ｏ ｓｔ ｌ ｔ — ａ ｅ ｐ ｏｏ ｌｃｒｃ ｅｅ ｔｏ ｐ ａｆ ｒ ， ａ ｈ ｏ ｅ ｉａ ｍｏ ｅ ｏ ｔ ａ ｑ ｓｔ ｎ ｗａ ｎ ａｅ ｌｅ ｂ ｓ ｄ ｈ ｔ ｅｅ ｔｉ ｄ ｔ ｃｉ ｎ ｌｔｏ ｍ ｉ ｔｅ ｒ ｔ ｌ ｃ ｄ ｌ ｆ ｈｅ ｃ ｕｉｉｉ ｏ ｓ ｆ ｕ ｄ ｄ， ｔ ｅ ａ ｑ ｉｉｉ — ｒ ｂａ ｉ ｔ ｓ ｏ ｐ ｏｏ ｌｃｒｃ ｅ ｅ ｔｏ ｓ ｓｅ ｏ ｓ ｔ ｌ ｔ ・ ａ ｅ ｐ ａｆ ｒ ｉ ｏ ｎ ｅ ｈ ｃ ｕ ｓｔ ｏｎ ｐ ｏ ｂ ｌ ｉ ｆ ｈ ｔｅｅ ｔｉ ｄ ｔｃｉ ｎ ｙ ｔｍ ｉｅ ｎ ａｅｌ ｅ ｂ ｓ ｄ ｌｔｏ ｉ ｍ ｎ ｕ ｃ ｒａｎ ｒ ｇ ｏ ａ ｄ ｄ ｆ ｃ ｌ ｍ ａ ｅ ｖ ｒｎ ｃ ｎ ｉｉｎｓ ｗｅ ｅ ｎ ｌ ｚ ｄ．Ａｔ ｆｒｔ ｈ ｔ ｅ—ｅａｅ ｍ ｏ ｅ ｅ ｔ ｎ ｅ ｔｉ ｅ ｉ ｎ ｎ ｉ ｕｔ ｉ ｎ ｕ ｅ ｇ ｏ ｄｔ ｉ ｏ ｒ ａ ａｙ ｅ ｓ ，ｔｅ ｉ ｉ ｍ ｒ ｌｔｄ ｖ ｍ ｎ
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Ａｂｓｒ ｃ ：Ｉ ｏ ｄ ｒ ｏ ｅ ｌ ｔ ｔ ｅ ｃ ｕ ｓｔ ｎ— ｒ ｂ ｂｉ ｔ ｏ ｏ ｎ ｉｇ，ａ ｑ ｉｉｉｎ，ｔａ ｋｎ （ ＡＴ） ｔ ａ ｔ ｎ ｒ ｅ ｔ ｄ ａ ｗｉ ｈ ａ ｑ ｉｉｉ ｐ ｏ ａ ｌ ｙ ｆ ｐ ｉ ｔ ｈ ｏ ｉ ｎ ｃ ｕ ｓｔ ｏ ｒｃ ｉｇ Ｐ
Ｚ ＨＯＵ Ｙａ ｐｎ ， Ｕ Ｓ ｎ ｎ—ｉｇ Ｆ ｅ ，ＹＵ Ｓ —ｕ ｎ， ＡＮＧ ｉｎ ＷＡＮＧ ａ ｇ ｉｙ ａ Ｗ Ｊ ， ａ Ｑｉ ， ｎ
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第３ ９卷 第 ４ 期
Ｖｏ１３ Ｏ． ．９ Ｎ ４
红 外 与 激 光 工 程
Ｉ ｆａ ｅ ｎｄ Ｌａ ｅ ｎ ｒ ｄ ａ ｓ ｒＥｎｇ ｎｅ ｒｎ ｒ ｉ ｅ ｉｇ
２ １） ８ 月 ０ （年
Ａｕ ２ ０ ｇ．０１
天基 非 合 作 目标 探 测 中 的捕 获 概 率模 型
图 ２对不 确定 区域扫 描的示 意 图
Ｆ ｇ ２ Ｓ ｈ ｍａ ｉ ｆ ｓ ａ ｎ ｎ ｎ ｅ ｔｉ ｅ ｄ ｉ ． ｃ ｅ ｔ ｏ ｃ ｎ ｉ ｇ ｏｆ ｕ ｃ ｒａ ｎ ｆ ｌ ｃ ｉ
大 部 分 组 成 ， 且 工 作 方 式 非 常 相 似 。 此 ． 对 卫 星 并 因 在 捕 获 跟 踪 技 术 进 行 研 究 时 ． 以借 鉴 星 间 光 通 信 中 的 可
动 ， 物 理 空 问 中 的 一 定 区域 实 现 覆 盖 。 对
１ １ 基 本 物 理 图 像 。
为 解 释 捕 获 过 程 ， 图 ｌ中 探 测 卫 星 Ａ 对 目标 Ｂ 对 可 能 出 现 的 不 确 定 区 域 进 行 扫 描 ． 目标 与 捕 获 系 统 当 的 视 阈 中 心 距 离 小 于 系统 设 计 的视 阈 半 径 时 ． 为 捕 认 获 成 功 ， 图 ２所 示 。 如