一种天基轻气炮清除空间碎片瞄准方法与流程

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1.本发明涉及一种天基轻气炮清除空间碎片瞄准方法，属于空间碎片清除技术领域。

背景技术：

2.空间碎片是指人类航天活动在太空产生的各种废弃物与残骸，随着人类航天活动的不断增加，空间碎片的数量也在迅速增加，对人类进入太空与航天活动造成严重的碰撞威胁。
3.空间碎片清除技术是航天技术的前沿热点之一；发展空间碎片清除技术服务于太空环境治理，有助于支持航天事业可持续发展。因此各国学者提出了多种技术手段，主要分为抓捕清除与激光清除两类。抓捕类如机械臂抓捕和飞网网捕；激光类如烧蚀和操控。然而抓捕类需要近距离接触，存在一定风险；激光类需要有持续的观测窗口，设备复杂且清除效率较低。文献“天基轻气炮发射清除低轨碎片方案及关键技术分析，航天器环境工程，2018，35(1)”提出了一种天基轻气炮发射清除低轨碎片的方法，即使用天基轻气炮对碎片发射粘性弹丸，粘性弹丸与碎片结合传递动量，从而使碎片降速坠入大气层烧毁；但该文献没有讨论清除碎片的瞄准方法。
4.天基轻气炮清除空间碎片无需接触，可以远距离发射；通过调节弹丸的速度与质量，可以适应不同质量大小的空间碎片；且一次可以对多个碎片进行清除。由于发射后弹丸只能做惯性飞行，因此，瞄准技术是天基轻气炮清除空间碎片核心关键技术之一。由轨道的相对运动关系，当空间碎片距离较远时，比如数公里以上，弹丸的相对飞行轨迹将不再是直线。此时，轻气炮如果直接瞄准会带来较大的脱靶量。目前其他现有技术中也未发现天基轻气炮清除空间碎片瞄准方法相似或相关的技术方案。

技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了清除空间碎片的瞄准问题。
6.本发明目的通过以下技术方案予以实现：
7.一种天基轻气炮清除空间碎片瞄准方法，包括：
8.通过相对测量，获取空间平台和空间碎片的轨道数据；
9.设定延时发射时间，对空间平台和空间碎片进行延时轨道推算；
10.确定发射时刻弹丸的轨道数据模型；
11.建立弹丸飞行方程并求解；
12.确定发射瞄准方向。
13.优选的，空间平台和空间碎片的轨道数据包括空间平台在惯性系下的位置与速度、轨道六根数，空间碎片在惯性系下的位置与速度、轨道六根数。
14.优选的，进行延时轨道推算包括根据延时发射时间，将空间平台与空间碎片的绝
对轨道数据由当前时刻推算至发射时刻，获得发射时刻空间平台与空间碎片的绝对轨道数据。
15.优选的，确定发射时刻弹丸的轨道数据模型包括：
16.确定发射时刻空间平台相对轨道数据；
17.建立发射时刻弹丸在空间碎片轨道坐标系下的相对位置与相对速度模型；
18.建立发射时刻弹丸的绝对轨道数据模型。
19.优选的，确定发射时刻空间平台相对轨道数据的方法为：根据发射时刻空间平台在惯性系下的位置与速度，及发射时刻空间碎片轨道六根数，求解得到发射时刻空间平台在空间碎片轨道坐标系下的相对位置与相对速度。
20.优选的，发射时刻弹丸相对位置取为空间平台相对位置；以发射瞄准方向在空间碎片轨道坐标系下的高低角与方位角为待求量建立发射时刻弹丸相对速度模型。
21.优选的，根据发射时刻空间碎片轨道六根数，将发射时刻弹丸在空间碎片轨道坐标系下的相对位置与相对速度转换为发射时刻弹丸在惯性系下的位置与速度、轨道六根数，即建立发射时刻弹丸的绝对轨道数据模型。
22.优选的，建立弹丸飞行方程包括：
23.使用解析的二体轨道推算方程分别建立弹丸与空间碎片在弹丸飞行过程中的轨道推算方程；
24.将命中时刻的弹丸的惯性位置转换为相对位置；
25.根据弹丸命中空间碎片条件，建立弹丸飞行方程。
26.优选的，采用非线性方程组数值算法求解弹丸飞行方程，获得飞行时间及发射瞄准方向在空间碎片轨道坐标系下的高低角与方位角的数值解。
27.优选的，瞄准方向包括发射瞄准方向矢量于发射时刻在空间碎片轨道坐标系下的分量、发射瞄准方向矢量于发射时刻在空间平台轨道系下的分量、发射瞄准方向矢量于当前时刻在空间平台本体系下的分量。
28.本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
29.(1)本发明能够消除天基轻气炮直接瞄准发射的命中误差：尽管天基轻气炮发发射弹丸的初速很高，在距离数十公里以上时，直接瞄准空间碎片发射仍会带来米级以上误差。本发明通过建立并求解弹丸飞行方程，计算得到发射姿态修正量，给出了天基轻气炮在姿态修正基础上延时发射的瞄准方法。不计测量误差情形下，方法本身的模型精度达到毫米级，可以有效消除直接瞄准带来的命中误差。
30.(2)本发明提出的方法轨道类型与相对距离适应性强：本发明提出的方法轨道类型适应性强，可以适用于圆轨道或椭圆轨道，并无偏心率为0的限制；本发明提出的方法相对距离适应性强，可适用于相对距离数米至数百公里的空间碎片清除任务。
31.(3)本发明提出的方法计算量小易于星上解算：本发明提出方法所包含的算法简单，二体解析轨道推算与三维非线性方解组数值求解均有成熟的算法，计算量小，易于星上编码实现。
附图说明
32.图1为本发明的天基轻气炮清除空间碎片瞄准方法示意图。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
34.一种天基轻气炮清除空间碎片瞄准方法，步骤如下：
35.(1)建立相对测量,完成轨道数据准备。碎片清除卫星(即空间平台)通过相对测量，结合自身轨道确定，获得当前时刻碎片清除卫星与空间碎片的绝对轨道数据，包括：碎片清除卫星在惯性系下的位置与速度、轨道六根数，空间碎片在惯性系下的位置与速度、轨道六根数。
36.(2)设定延时发射时间，完成延时轨道推算。根据延时发射时间，将碎片清除卫星与空间碎片的绝对轨道数据由当前时刻推算至发射时刻，获得发射时刻碎片清除卫星与空间碎片的绝对轨道数据，包括：碎片清除卫星在惯性系下的位置与速度、轨道六根数，空间碎片在惯性系下的位置与速度、轨道六根数。
37.(3)建立发射时刻弹丸的轨道数据模型。发射时刻弹丸轨道数据包括：发射时刻弹丸在惯性系下的位置与速度、轨道六根数。
38.(3.1)计算发射时刻碎片清除卫星相对轨道数据。根据发射时刻碎片清除卫星在惯性系下的位置与速度,及发射时刻空间碎片轨道六根数，求解得到发射时刻碎片清除卫星在空间碎片轨道坐标系下的相对位置与相对速度。
39.(3.2)建立发射时刻弹丸在空间碎片轨道坐标系下的相对位置与相对速度模型。发射时刻弹丸相对位置取为碎片清除卫星相对位置；以发射瞄准方向在空间碎片轨道坐标系下的高低角与方位角为待求量建立发射时刻弹丸相对速度模型。
40.(3.3)建立发射时刻弹丸的绝对轨道数据模型。根据发射时刻空间碎片轨道六根数，将发射时刻弹丸在空间碎片轨道坐标系下的相对位置与相对速度转换为发射时刻弹丸在惯性系下的位置与速度、轨道六根数。
41.(4)建立弹丸飞行方程并求解。根据弹丸飞行轨迹与空间碎片交会，建立弹丸飞行方程并求解。弹丸飞行方程包含三个未知数：飞行时间，发射瞄准方向在空间碎片轨道坐标系下的高低角与方位角。
42.(4.1)使用解析的二体轨道推算方程分别建立弹丸与空间碎片在弹丸飞行过程中的轨道推算方程。
43.(4.2)将命中时刻的弹丸的惯性位置转换为相对位置。根据命中时刻空间碎片的轨道六根数，将命中时刻弹丸的惯性位置转换为命中时刻弹丸在空间碎片轨道坐标系下的相对位置。
44.(4.3)根据弹丸命中空间碎片条件，建立弹丸飞行方程，包含三个方程与三个未知量：飞行时间及发射瞄准方向在空间碎片轨道坐标系下的高低角与方位角。
45.(4.4)求解弹丸飞行方程。采用非线性方程组数值算法求解弹丸飞行方程，获得飞行时间及发射瞄准方向在空间碎片轨道坐标系下的高低角与方位角的数值解。
46.(5)计算发射瞄准方向，完成发射姿态修正与弹丸激发。计算求得发射瞄准方向矢量，在当前时刻至发射时刻时段内完成发射姿态修正并保持发射姿态，并在发射时刻激发弹丸。
47.(5.1)计算发射瞄准方向矢量于发射时刻在空间碎片轨道坐标系下的分量。
48.(5.2)计算发射瞄准方向矢量于发射时刻在空间碎片清除卫星轨道坐标系下的分量。
49.(5.3)计算发射瞄准方向矢量于当前时刻在空间碎片清除卫星本体系下的分量。
50.(5.4)计算空间碎片清除卫星发射姿态，即所期望发射时刻空间碎片清除卫星本体系相对于惯性系的转换四元数。
51.(5.5)空间碎片清除卫星在发射时间前将姿态修正至发射姿态并保持，等待至发射时刻激发弹丸完成发射。
52.实施例：
53.一种天基轻气炮清除空间碎片瞄准方法，包括：
54.(1)建立相对测量,完成轨道数据准备。碎片清除卫星(c)通过相对测量，结合自身轨道确定，获得当前时刻t0碎片清除卫星(c)与空间碎片(s)的绝对轨道数据，包括：t0时刻碎片清除卫星(c)在惯性系下的位置r
ic0
与速度v
ic0
、轨道六根数oe
c0
，t0时刻s在惯性系下的位置r
is0
与速度v
is0
、轨道六根数oe
s0
。
55.(2)设定延时发射时间，完成延时轨道推算。设定延时发射时间t，即发射时刻为t0+t；根据延时发射时间，将碎片清除卫星(c)与空间碎片(s)的绝对轨道数据由t0推算至t0+t，获得发射时刻碎片清除卫星(c)与空间碎片(s)的绝对轨道数据，包括：t0+t时刻碎片清除卫星(c)在惯性系下的位置r
ict
与速度v
ict
、轨道六根数oe
ct
，t0+t时刻s在惯性系下的位置r
ist
与速度v
ist
、轨道六根数oe
st
。
56.(3)建立发射时刻弹丸的轨道数据模型。发射时刻弹丸(b)轨道数据包括：t0+t时刻弹丸(b)在惯性系下的位置r
ibt
与速度v
ibt
、轨道六根数oe
bt
。
57.(3.1)计算发射时刻碎片清除卫星相对轨道数据。根据t0+t时刻碎片清除卫星(c)在惯性系下的位置r
ict
与速度v
ict
,及t0+t时刻空间碎片(s)轨道六根数oe
st
，求解得到t0+t时刻碎片清除卫星(c)在空间碎片轨道坐标系x
syszs
下的相对位置r
ct
与相对速度v
ct
。
58.(3.2)建立发射时刻弹丸在空间碎片轨道坐标系x
syszs
下的相对位置与相对速度模型。t0+t时刻弹丸(b)在空间碎片轨道坐标系x
syszs
下的相对位置取为r
bt
＝r
ct
，即认为弹丸(b)在发射时刻位置与碎片清除卫星(c)位置重合；建立t0+t时刻弹丸(b)在空间碎片轨道坐标系x
syszs
下的相对速度模型如下式所示
[0059][0060]
式中，dv为弹丸发射初速率，λ、分别为发射瞄准方向在空间碎片轨道坐标系x
syszs
下的高低角与方位角，为待求量。
[0061]
(3.3)建立发射时刻弹丸的绝对轨道数据模型。根据t0+t时刻空间碎片(s)轨道六根数oe
st
，将t0+t时刻弹丸(b)在空间碎片轨道坐标系x
syszs
下的相对位置r
bt
与相对速度v
bt
转换为t0+t时刻弹丸(b)在惯性系下的位置r
ibt
与速度v
ibt
、轨道六根数oe
bt
。
[0062]
(4)建立弹丸飞行方程并求解。根据弹丸飞行轨迹与空间碎片交会，建立弹丸飞行方程并求解(参见图1)。弹丸飞行方程包含三个未知数：飞行时间t，发射瞄准方向在空间碎片轨道坐标系x
syszs
下的高低角λ与方位角
[0063]
(4.1)建立飞行过程轨道推算方程，形如：
[0064][0065]
式中，tb表示解析的二体轨道推算方程，对于弹丸飞行时间几十秒量级，精度可达毫米级；r
ibt
,v
ibt
,oe
bt
分别为弹丸(b)在命中时刻t0+t+t的惯性位置、惯性速度及轨道六根数；r
ist
,v
ist
,oe
st
分别为空间碎片(s)在t0+t+t时刻的惯性位置、惯性速度及轨道六根数。
[0066]
(4.2)将命中时刻的弹丸的惯性位置转换为相对位置。根据命中时刻t0+t+t空间碎片(s)的轨道六根数oe
st
，将t0+t+t时刻弹丸(b)的惯性位置r
ibt
转换为t0+t+t时刻弹丸(b)在空间碎片轨道坐标系x
syszs
下的相对位置r
bt
。
[0067]
(4.3)根据弹丸命中空间碎片条件r
bt
＝0，联立步骤(3)，步骤(4.1)与步骤(4.2)所建立模型或方程，建立弹丸飞行方程，其形如包含三个方程与三个未知量
[0068]
(4.4)求解弹丸飞行方程。采用非线性方程组数值算法求解步骤(4.3)所得的弹丸飞行方程获得的数值解。
[0069]
(5)计算发射瞄准方向，完成发射姿态修正与弹丸激发。计算求得发射瞄准方向矢量，在当前时刻至发射时刻时段(t0～t0+t)内完成发射姿态修正并保持发射姿态，并在发射时刻t0+t激发弹丸。
[0070]
(5.1)计算发射瞄准方向矢量于发射时刻t0+t在空间碎片轨道坐标系x
syszs
下的分量计算公为式中由步骤(4)获得。
[0071]
(5.2)计算发射瞄准方向矢量于发射时刻t0+t在空间碎片清除卫星轨道坐标系xcyczc下的分量先据发射时刻空间碎片清除卫星(c)轨道六根数oe
ct
与发射时刻空间碎片(s)轨道六根数oe
st
求得发射时刻空间碎片轨道坐标系x
syszs
至空间碎片清除卫星轨道坐标系xcyczc的坐标转换四元数q
cst
；再通过公式求得
[0072]
(5.3)计算发射瞄准方向矢量于当前时刻t0在空间碎片清除卫星本体系下的分量先根据发射时刻空间碎片清除卫星(c)轨道六根数oe
ct
与当前时刻空间碎片清除卫星(c)轨道六根数oe
c0
求得t0+t时刻空间碎片清除卫星轨道坐标系xcyczc至t0时刻空间碎片清除卫星轨道坐标系xcyczc的坐标转换四元数q
c0t
；再计算求得计算公式为式中q
cbo
为t0+t时刻空间碎片清除卫星本体系相对于空间碎片清除卫星轨道坐标系xcyczc的的转换四元数。
[0073]
(5.4)计算空间碎片清除卫星发射姿态，即所期望发射时刻空间碎片清除卫星本体系相对于惯性系的转换四元数先计算发射姿态修正四元数公式为式中q
eu
表示四元数的欧拉轴角式，为天
基轻气炮炮管在空间碎片清除卫星本体系下的方向矢量；再计算公式为式中q
cbi0
为当前时刻空间碎片清除卫星本体系相对于惯性系的转换四元数。
[0074]
(5.5)空间碎片清除卫星在发射时间t0+t前将姿态修正至并保持此姿态，等待至t0+t时刻激发弹丸完成发射。
[0075]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
[0076]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：

1.一种天基轻气炮清除空间碎片瞄准方法，其特征在于，包括：通过相对测量，获取空间平台和空间碎片的轨道数据；设定延时发射时间，对空间平台和空间碎片进行延时轨道推算；确定发射时刻弹丸的轨道数据模型；建立弹丸飞行方程并求解；确定发射瞄准方向。2.根据权利要求1所述的瞄准方法，其特征在于，空间平台和空间碎片的轨道数据包括空间平台在惯性系下的位置与速度、轨道六根数，空间碎片在惯性系下的位置与速度、轨道六根数。3.根据权利要求1所述的瞄准方法，其特征在于，进行延时轨道推算包括根据延时发射时间，将空间平台与空间碎片的绝对轨道数据由当前时刻推算至发射时刻，获得发射时刻空间平台与空间碎片的绝对轨道数据。4.根据权利要求1所述的瞄准方法，其特征在于，确定发射时刻弹丸的轨道数据模型包括：确定发射时刻空间平台相对轨道数据；建立发射时刻弹丸在空间碎片轨道坐标系下的相对位置与相对速度模型；建立发射时刻弹丸的绝对轨道数据模型。5.根据权利要求4所述的瞄准方法，其特征在于，确定发射时刻空间平台相对轨道数据的方法为：根据发射时刻空间平台在惯性系下的位置与速度，及发射时刻空间碎片轨道六根数，求解得到发射时刻空间平台在空间碎片轨道坐标系下的相对位置与相对速度。6.根据权利要求4所述的瞄准方法，其特征在于，发射时刻弹丸相对位置取为空间平台相对位置；以发射瞄准方向在空间碎片轨道坐标系下的高低角与方位角为待求量建立发射时刻弹丸相对速度模型。7.根据权利要求4所述的瞄准方法，其特征在于，根据发射时刻空间碎片轨道六根数，将发射时刻弹丸在空间碎片轨道坐标系下的相对位置与相对速度转换为发射时刻弹丸在惯性系下的位置与速度、轨道六根数，即建立发射时刻弹丸的绝对轨道数据模型。8.根据权利要求1至7中任一项所述的瞄准方法，其特征在于，建立弹丸飞行方程包括：使用解析的二体轨道推算方程分别建立弹丸与空间碎片在弹丸飞行过程中的轨道推算方程；将命中时刻的弹丸的惯性位置转换为相对位置；根据弹丸命中空间碎片条件，建立弹丸飞行方程。9.根据权利要求1至7中任一项所述的瞄准方法，其特征在于，采用非线性方程组数值算法求解弹丸飞行方程，获得飞行时间及发射瞄准方向在空间碎片轨道坐标系下的高低角与方位角的数值解。10.根据权利要求1至7中任一项所述的瞄准方法，其特征在于，瞄准方向包括发射瞄准方向矢量于发射时刻在空间碎片轨道坐标系下的分量、发射瞄准方向矢量于发射时刻在空间平台轨道系下的分量、发射瞄准方向矢量于当前时刻在空间平台本体系下的分量。

技术总结

一种天基轻气炮清除空间碎片瞄准方法，包括：通过相对测量，获取空间平台和空间碎片的轨道数据；设定延时发射时间，对空间平台和空间碎片进行延时轨道推算；确定发射时刻弹丸的轨道数据模型；建立弹丸飞行方程并求解；确定发射瞄准方向。本发明通过建立并求解弹丸飞行方程，计算得到发射姿态修正量，给出了天基轻气炮在姿态修正基础上延时发射的瞄准方法。不计测量误差情形下，方法本身的模型精度达到毫米级，可以有效消除直接瞄准带来的命中误差。可以有效消除直接瞄准带来的命中误差。可以有效消除直接瞄准带来的命中误差。