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航天器碰撞概率简化计算方法的比较与应用

王宁 郭建新 周敬博

王宁, 郭建新, 周敬博. 航天器碰撞概率简化计算方法的比较与应用[J]. 空间科学学报, 2025, 45(1): 226-234. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0031
引用本文: 王宁, 郭建新, 周敬博. 航天器碰撞概率简化计算方法的比较与应用[J]. 空间科学学报, 2025, 45(1): 226-234. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0031
WANG Ning, GUO Jianxin, ZHOU Jingbo. Comparison and Application of Simplified Calculation Methods for Spacecraft Collision Probability (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(1): 226-234 doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0031
Citation: WANG Ning, GUO Jianxin, ZHOU Jingbo. Comparison and Application of Simplified Calculation Methods for Spacecraft Collision Probability (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(1): 226-234 doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0031

航天器碰撞概率简化计算方法的比较与应用

doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0031 cstr: 32142.14.cjss.2024-0031
基金项目: 国家自然科学基金项目资助 (62203046)
详细信息
    作者简介:
    • 王宁 男, 2000年3月出生于山西省运城市. 现为北京控制工程研究所硕士研究生, 主要研究方向为航天器空间规避策略. E-mail: wnqwert123@163.com
    通讯作者:
    • 郭建新 男, 1978年出生于江西省. 现为北京控制工程研究所研究员, 硕士生导师, 主要研究方向为卫星自主导航与轨道控制. E-mail: gjxwanquan@163.com
  • 中图分类号: V525

Comparison and Application of Simplified Calculation Methods for Spacecraft Collision Probability

  • 摘要: 针对空间飞行器碰撞概率问题, 基于碰撞概率的假设条件与计算原理, 对现有常见方法进行分析, 归纳每种方法在线性与非线性、空间目标是否规则等方面的适用性及特点, 通过数值计算验证了上述方法, 并从计算速度与计算精度两个维度对每种方法进行评估. 评估结果表明, 中心概率密度法的计算速度最快,曲线积分法的相对误差最小, 基于辛普森公式的二维积分方法具有较均衡的效果, 三维体积积分适用于非线性场景,蒙特卡洛法最为精准但是运算速度最慢. 综合考虑计算精度、计算速度、相对速度、相对位置关系等因素, 根据每种方法的特点提出了多种场景下较为适用的碰撞概率简化计算方法, 研究结果可以为在轨碰撞概率的计算与分析提供参考.

     

  • 图  1  相对运动

    Figure  1.  Relative motion

    图  2  线性相对运动

    Figure  2.  Linear relative motion

    图  3  积分坐标系

    Figure  3.  Integral coordinate system

    图  4  二维平面

    Figure  4.  Two-dimensional planar schematic

    图  5  投影区域不包含原点

    Figure  5.  Projection region does not contain the origin

    图  6  投影区域包含原点

    Figure  6.  Projection region contain the origin

    图  7  三维积分计算结果

    Figure  7.  Three-dimensional integral calculation results

    图  8  相对误差率随位置误差的变化

    Figure  8.  Variations of relative error rate with position error

    图  9  相对误差率随等效半径的变化

    Figure  9.  Variations of relative error rate with equivalent radius

    表  1  两个航天器在J2000惯性系下的初始位置速度

    Table  1.   Initial position velocity of two spacecraft in an inertial frame of J2000

    Object x/km y/km z/km
    A –150.798437 1182.676987 –7143.77556
    B –150.619960 1182.018386 –7143.78799
    Object vx / (km·s–1) vy / (km·s–1) vz / (km·s–1)
    A 7.290071 –1.126282 –0.354014
    B 5.915107 4.347936 0.643388
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    表  2  二维碰撞概率计算结果

    Table  2.   Calculation results of two-dimensional collision probability

    方法 碰撞概率 相对误差率 计算时间/s
    二维面积积分法 $ 7.066\times {10}^{-4} $ 0.1097
    中心概率密度面积法 $ 7.051\times {10}^{-4} $ 0.0021 0.0064
    一重积分法 $ 7.066\times {10}^{-4} $ $ 8.9\times {10}^{-14} $ 0.1259
    级数法 $ 7.051\times {10}^{-4} $ 0.0021 0.0126
    矩形域近似法 $ 7.067\times {10}^{-4} $ $ 1.00\times {10}^{-4} $ 0.0392
    曲线积分法 $ 7.066\times {10}^{-4} $ $ 5.3\times {10}^{-15} $ 0.1097
    辛普森公式积分法 $ 7.066\times {10}^{-4} $ $ 5.64\times {10}^{-6} $ 0.0074
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    表  3  蒙特卡罗方法计算结果

    Table  3.   Calculation results by Monte Carlo method

    方法 碰撞概率 运算次数/次 计算时间/s
    二维蒙特卡洛法 $ 7.068\times {10}^{-4} $ $ 1\times {10}^{10} $ 1224.6
    三维蒙特卡洛法 $ 7.076\times {10}^{-4} $ $ 5\times {10}^{6} $ 67180.4
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    表  4  不同应用情形下碰撞概率工程适用方法

    Table  4.   Calculation method applicable to the collision probability under different circumstances

    相遇情形 方法
    同轨 体积拼接积分法
    异轨 辛普森公式积分法
    多目标碰撞概率计算 中心概率密度面积法
    编队绕飞 体积拼接积分法、曲线积分法
    合作目标 曲线积分法
    非合作目标 辛普森公式积分法
    高精度计算 蒙特卡洛法、体积拼接积分法
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-07
  • 修回日期:  2024-04-19
  • 网络出版日期:  2024-06-06

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