一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略

本发明涉及基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略。

背景技术：

1、轨道拦截问题是航天领域内一个十分典型的问题。在该问题中，通常要设计合适的转移轨道，使拦截器和目标器在同一时刻到达同一位置。然而，目前大部分研究均是针对非机动目标进行的。在这些研究中，拦截器只需按优化结果执行相应的脉冲机动即可成功拦截目标。若考虑目标具备一定的机动能力，可在发现拦截器对其造成威胁时进行机动逃逸，上述研究便不再适用。此时，轨道拦截问题也被称为轨道博弈问题。针对轨道博弈问题，通常采用基于微分对策论的双边最优控制方法进行求解。值得注意的是，基于微分对策论研究轨道博弈问题大都是在连续推力模型的假设下进行的。考虑到脉冲推力仍然是当前航天器的一种主要机动形式，有必要针对脉冲推力下的轨道博弈问题进行研究，特别是现有的基于人工智能的方法无法从理论上获得拦截器防止目标逃逸成功的燃料条件。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有的基于人工智能的方法无法从理论上获得拦截器防止目标逃逸成功的燃料条件的问题，而提出一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略。

2、一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略具体过程为：

3、步骤一、给定初始时刻t0以及初始时刻t0拦截器和目标器的标称轨道参数后，采用二维搜索算法寻找目标器无机动情况下燃料最优的脉冲时刻和拦截时刻并计算得到最优拦截器脉冲矢量

4、步骤二、给定目标器在时刻执行幅值为δvtmax的逃逸脉冲机动，基于二体状态转移矩阵计算目标器在拦截时刻的脉冲可达域包络；

5、步骤三、给定拦截器施加第二次脉冲机动的时刻t2，获得拦截器在时刻覆盖目标脉冲可达域所需的最小追逐脉冲幅值；

6、步骤四、构建两种燃料优化问题；

7、基于步骤一、二、三构建优化问题一：

8、针对拦截器的首次脉冲不进行优化，获得满足可达域覆盖约束的最优解，包括最优拦截器追逐脉冲时刻最优拦截器拦截时刻以及拦截器满足可达域覆盖约束的最小追逐脉冲幅值

9、基于步骤二、三构建优化问题二：

10、针对拦截器的首次脉冲进行优化，获得满足可达域覆盖约束的最优解，包括最优拦截器首次脉冲时刻最优拦截器追逐脉冲时刻最优拦截器拦截时刻最优拦截器首次脉冲瞄准点以及拦截器满足可达域覆盖约束的最小追逐脉冲幅值

11、步骤五、对步骤四获得的拦截器满足可达域覆盖约束的最小追逐脉冲幅值进行修正。

12、本发明的有益效果为：

13、本发明设计了一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略。在该策略中采用椭球近似描述目标的可达域包络，进而推导了拦截器覆盖目标可达域包络所需的必要条件。然后，在满足可达域覆盖约束的同时，通过数值优化进一步降低了对拦截器的燃料性能需求。针对采用脉冲推力的两航天器之间的轨道博弈场景，本发明提出的策略可提供有效的解决方案。

14、本发明提出了一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略。在本发明中，基于二体状态转移矩阵，解析地求解了目标器在给定时刻下的脉冲可达域椭球包络。对于给定的追逐脉冲时刻和拦截时刻，通过求解一个非线性方程组获得了满足可达域覆盖约束的最小追逐脉冲幅值。在此基础上，根据是否优化拦截器的首次脉冲构建了可达域覆盖约束下的两个燃料优化问题。最后，基于kepler方程和lambert解对优化结果进行了修正，提升了拦截器对目标可达域的覆盖性能。采用本发明所提出的策略求解两航天器间的脉冲轨道博弈问题，可在理论上给出拦截器捕获目标器所需的燃料条件。

15、现有的是基于人工智能的方法，本发明基于可达域覆盖的方法的好处是如果燃料满足可达域覆盖条件就可以防止目标逃逸成功。

技术特征：

1.一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略，其特征在于：所述方法具体过程为：

2.根据权利要求1所述的一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略，其特征在于：所述步骤一中给定初始时刻t0以及初始时刻t0拦截器和目标器的标称轨道参数，采用二维搜索算法寻找目标无机动情况下燃料最优的脉冲时刻和拦截时刻并计算得到最优拦截器脉冲矢量具体过程为：

3.根据权利要求2所述的一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略，其特征在于：所述步骤二中给定目标器在时刻执行幅值为δvtmax的逃逸脉冲机动，基于二体状态转移矩阵计算目标器在拦截时刻的脉冲可达域包络；具体过程为：

4.根据权利要求3所述的一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略，其特征在于：所述步骤三中给定拦截器施加第二次脉冲机动的时刻t2，获得拦截器在时刻覆盖目标脉冲可达域所需的最小追逐脉冲幅值；具体过程为：

5.根据权利要求4所述的一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略，其特征在于：所述式(14)中

6.根据权利要求5所述的一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略，其特征在于：所述步骤四中构建两种燃料优化问题；

7.根据权利要求6所述的一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略，其特征在于：所述步骤五中对步骤四获得的拦截器满足可达域覆盖约束的最小追逐脉冲幅值进行修正；具体过程为：

8.根据权利要求7所述的一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略，其特征在于：所述式(38)中

技术总结一种基于可达域覆盖的脉冲轨道博弈策略，本发明涉及脉冲轨道博弈策略。本发明的目的是为了解决现有的基于人工智能的方法无法从理论上获得拦截器防止目标逃逸成功的燃料条件的问题。过程为：一、给定初始时刻拦截器和目标器的标称轨道参数后，寻找目标器无机动情况下燃料最优的脉冲时刻和拦截时刻，计算得到最优拦截器脉冲矢量；二、计算目标器在拦截时刻的脉冲可达域包络；三、获得拦截器在t<supgt;*</supgt;<subgt;f</subgt;时刻覆盖目标脉冲可达域所需的最小追逐脉冲幅值；四、分别针对拦截器的首次脉冲不进行优化和拦截器的首次脉冲进行优化，获得满足可达域覆盖约束的最优解；五、对获得的拦截器满足可达域覆盖约束的最小追逐脉冲幅值进行修正。本发明用于航天领域。技术研发人员：张刚,马慧东,叶东,吴宝林受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29