基于空间绳网协同捕获的动态轨道博弈优化方法及系统

本发明涉及航天器，具体涉及一种基于空间绳网协同捕获的动态轨道博弈优化方法及系统。

背景技术：

1、随着各国对太空资源的竞争日益激烈，太空航天器之间的博弈对抗在未来是不可避免的。目前，各国学者已对太空航天器的轨道追逃博弈进行了大量研究，其中追踪航天器想要接近并捕获逃逸航天器，而逃逸航天器则试图远离追踪航天器。然而，这些研究并未考虑特定的捕获方法，而是以相对距离的远近作为成功捕获的标准。在当代空间碎片清除技术研究中，空间绳网相比于机器臂、鱼叉等捕获技术，具有更大的捕获范围和更低的精度需求，使其更适合捕获非合作航天器。

2、轨道追逃问题可描述为一个零和微分博弈问题，其核心问题是找到纳什均衡策略，从而使得任何一方主观改变该策略都会导致该方处于不利地位。微分博弈问题的求解通常涉及两种主要方法。一方面，基于动态规划原理，可将该问题转化为哈密尔顿-雅克比-贝尔曼偏微分方程，求解该偏微分方程则能为参与博弈的各方提供纳什均衡下的优化策略。另一面，通过采用极大值原理构建哈密尔顿函数，从而将微分博弈问题转化为一个高维的两点边值问题，各方优化策略可以通过求解该两点边值问题获得。然而，在实际的追逃问题中，参与的各方不一定理性地遵循纳什均衡策略，而展现出一定程度的非理性行为。针对此，需要考虑对博弈策略的实时动态求解。

3、另外，当前轨道追逃问题的研究场景主要集中在单个追踪航天器和单个逃逸航天器；然而，随着航天器向着集群化和小型化发展，多个航天器参与的协同捕获也成为轨道追逃的一种方式。多个航天器的协同引入了额外的约束，包括航天器之间的通信、碰撞规避、构型约束等，增加了轨道追逃问题的求解难度。传统的微分博弈求解方法难以直接求解多航天器参与的轨道追逃博弈问题。

4、综上，面向轨道追逃博弈问题，传统研究没有考虑具体的空间捕获方式，只能针对单个追踪航天器和单个逃逸航天器。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的只能通过单个追踪航天器对单个逃逸航天器进行捕捉的问题。本发明提供了一种基于空间绳网协同捕获的动态轨道博弈优化方法，通过若干个追踪航天器形成空间绳网，用空间绳网作为追踪方，实现了多个追踪航天器对多个逃逸航天器的捕捉。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

3、一种基于空间绳网协同捕获的动态轨道博弈优化方法，包括：

4、根据逃逸航天器的运动状态，以及轨道追逃博弈的航天器相对动力学模型，预测逃逸航天器的控制输入信息；

5、根据预测逃逸航天器的控制输入信息，获取逃逸航天器的运动轨迹；

6、基于逃逸航天器的运动轨迹调整追踪航天器的控制输入信息，得到追踪航天器调整后的控制输入信息；

7、若干个追踪航天器根据调整后的控制输入信息拖曳空间绳网，完成对逃逸航天器的捕捉。

8、作为本发明的进一步改进，所述航天器相对动力学模型包括：

9、

10、

11、

12、其中，x,y,z分别表示在坐标轴xc,yc,zc位置分量，表示其对时间的一阶导，表示其对时间的二阶导，ω0是轨道参考坐标系的平均角速度，ux,uy,uz分别表示航天器在坐标轴xc,yc,zc的加速度分量。

13、作为本发明的进一步改进，所述预测逃逸航天器的控制输入信息，并对逃逸航天器的控制输入信息进行优化，得到逃逸航天器的博弈策略，通过逃逸航天器的博弈策略预测逃逸航天器的运动轨迹，具体表示如下：

14、逃逸航天器的博弈策略，具体表示如下：

15、

16、式中，je为逃逸航天器的性能指标函数；ue为逃逸航天器的控制输入；rp为若干个追踪航天器的几何中心在轨道坐标系下的位置矢量；re为逃逸航天器在轨道坐标系下的位置矢量；q为导航性能的权重矩阵；r为能耗优化的权重矩阵；

17、通过逃逸航天器的博弈策略所获取的逃逸航天器的控制输入ue，输入进航天器相对动力学模中，预测逃逸航天器的运动轨迹。

18、作为本发明的进一步改进，所述基于逃逸航天器的运动轨迹调整追踪航天器的控制输入信息，是根据逃逸航天器的运动轨迹得到追踪航天器的优化策略，根据追踪航天器的优化策略调整若干个追踪航天器的控制输入信息，具体表示如下：

19、

20、式中：jpi为第i个追踪航天器的性能指标函数；rp为若干个追踪航天器的几何中心在轨道坐标系下的位置矢量；re为逃逸航天器在轨道坐标系下的位置矢量；q为导航性能的权重矩阵；upi表示第i个追踪航天器的控制输入；eij＝rpi-rpj+cij，eij为追踪航天器i和追踪航天器j的期望相对位置与期望相对位置之间的误差，cij表示追踪航天器i和追踪航天器j的相对位置矢量，i≠j；r为能耗优化的权重矩阵，rpi为追踪航天器i在轨道坐标系下的位置矢量，rpj为追踪航天器j在轨道坐标系下的位置矢量。

21、作为本发明的进一步改进，所述根据追踪航天器的优化策略调整若干个追踪航天器的控制输入信息，获取到调整后若干个追踪航天器的控制输入信息，获取到若干个追踪航天器的预测状态，逃逸航天器通过调整后若干个追踪航天器的预测状态，得到预测时域内逃逸航天器的博弈优化策略，更改逃逸航天器的运行轨迹。

22、作为本发明的进一步改进，所述通过空间绳网对逃逸航天器进行捕捉，包括：

23、在博弈时间内，当空间绳网中若干个追踪航天器几何中心与逃逸航天器的距离小于捕获阈值，则完成空间绳网对逃逸航天器进行捕捉；

24、在博弈时间结束时，空间绳网中若干个追踪航天器几何中心与逃逸航天器的距离大于捕获阈值，则更新逃逸航天器的运动状态，重新获取追踪航天器的运动轨迹，形成新的空间绳网，对逃逸航天器进行捕捉，直至空间绳网对逃逸航天器完成捕捉。

25、一种基于空间绳网协同捕获的动态轨道博弈优化系统，包括：

26、初始模块：用于根据逃逸航天器的运动状态，以及轨道追逃博弈的航天器相对动力学模型，预测逃逸航天器的控制输入信息；

27、逃方轨迹模块：用于根据预测逃逸航天器的控制输入信息，获取逃逸航天器的运动轨迹；

28、追方控制模块：用于基于逃逸航天器的运动轨迹调整追踪航天器的控制输入信息，得到追踪航天器调整后的控制输入信息；

29、捕捉模块：用于若干个追踪航天器根据调整后的控制输入信息拖曳空间绳网，完成对逃逸航天器的捕捉。

30、一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于空间绳网协同捕获的动态轨道博弈优化方法的步骤。

31、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述一种基于空间绳网协同捕获的动态轨道博弈优化方法的步骤。

32、一种计算机程序产品，包括计算机指令，该计算机指令被处理器执行时实现所述一种基于空间绳网协同捕获的动态轨道博弈优化方法的步骤。

33、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

34、本发明一种基于空间绳网协同捕获的动态轨道博弈优化方法针对空间轨道博弈没有考虑具体捕获方式的问题，引入空间绳网作为轨道追踪方，形成了基于空间绳网协同的轨道追逃博弈方案，通过建立空间绳网，并基于逃逸航天器的运动轨迹设计追踪航天器的运行轨迹，对逃逸航天器的具体捕获。这种捕获方式不仅具有高度的可行性和实用性，而且能够显著提高捕获的准确性和成功率。并且，本发明复杂的轨道环境中，根据逃逸航天器的运动状态和相对动力学模型，动态地调整和优化追踪航天器的运行轨迹，实现对逃逸航天器的有效追踪和捕获，使得整个系统在面对逃逸航天器的变化行为或其他不确定性因素时，快速调整多个追踪航天器的位置，迅速作出响应并调整追踪策略。这种动态优化的方式显著增强了系统的鲁棒性和适应性，提高了捕获的成功率和稳定性。相比于传统的轨道博弈优化方法，本发明能够处理多个追踪航天器对多个逃逸航天器的捕捉之间的博弈问题，有助于维护空间轨道的安全和稳定，防止因逃逸航天器可能造成的碰撞风险或安全威胁，还保护太空资产和维持空间秩序。

35、进一步的，通过设定捕获阈值，本发明能够精确地判断空间绳网是否成功捕获逃逸航天器。当空间绳网中若干个追踪航天器的几何中心与逃逸航天器的距离小于捕获阈值时，即判定完成捕获，这大大提高了捕获的准确性和可靠性。在博弈时间结束时，如果逃逸航天器仍未被捕获，本发明能够自动更新逃逸航天器的运动状态，并重新获取追踪航天器的运动轨迹。这种持续追踪与更新策略确保了捕获过程的连续性和有效性，提高了捕获的成功率。因此，本发明具有强大的自适应调整能力。当逃逸航天器改变其运动轨迹或采取其他逃逸策略时，本发明能够迅速作出响应，通过更新追踪航天器的运动轨迹和形成新的空间绳网，无论逃逸航天器如何变化其运动状态或采取何种逃逸策略，本发明都能够通过调整追踪航天器的运动轨迹和捕获方式，保持对逃逸航天器的有效追踪和捕获能力，实现对逃逸航天器的持续追踪和捕获。