[发明专利]一种基于并行计算的航天器碰撞预警分层快速筛选方法

权利要求书

1.一种基于并行计算的航天器碰撞预警分层筛选方法，其特征在于：所述方法具体过程为：

步骤一、以空间目标的TLE根数作为初始数据，首先解算得到所有空间目标的初始的轨道六根数和近远地点，然后利用预筛选模块从几何角度上筛除不可能接近的空间目标，得到保留的空间目标；具体过程为：

使用的惯性系均为J2000地心惯性坐标系；

空间中的主目标航天器是卫星，备选目标是卫星、空间碎片；

使用SGP4模型对主目标和备选目标的TLE根数进行解算，得到主目标和备选目标历元时刻的初始轨道六根数和近远地点；

采用预筛选模块从几何角度上筛除不可能接近的空间目标，几何角度上筛除包含近远地点筛选和倾角筛选两个部分；

对于给定主目标和备选目标的初始轨道六根数分别为[a₁,e₁,I₁,Ω₁,ω₁,f₁]和[a₂,e₂,I₂,Ω₂,ω₂,f₂]，可以分别得到两个轨道的对应的近远地点和

a₁表示主目标对应的瞬时半长轴，e₁表示主目标对应的离心率，I₁表示主目标对应的目标轨道的倾角，Ω₁表示主目标对应的升/降交点赤经，ω₁表示主目标对应的近地点角距，f₁表示主目标对应的真近点角；

a₂表示备选目标对应的瞬时半长轴，e₂表示备选目标对应的离心率，I₂表示备选目标对应的目标轨道的倾角，Ω₂表示备选目标对应的升/降交点赤经，ω₂表示备选目标对应的近地点角距，f₂表示备选目标对应的真近点角；

对满足下式的目标删除

式中，Δh为高度阈值，表示主目标的远地点半径，表示备选目标的远地点半径，表示主目标的近地点半径，表示备选目标的近地点半径，||表示或；

记两个轨道面的角动量矢量分别为h₁和h₂，轨道面交线矢径为：

继续计算真近点角f^±：

式中，是升/降交点的矢径分别对应和|h₃|表示交线矢径的模；表示升/降交点矢径的模；ω_i表示轨道近地点幅角；

从而可以通过式(5)求出两个轨道在同一交点处的轨道半径，作差后与高度阈值比较，将满足公式(6)的目标进行筛除：

|r₁-r₂|≥Δh (6)

式中，r₁表示两个轨道在同一交点处时轨道1的轨道半径，r₂表示两个轨道在同一交点处时轨道2的轨道半径；

步骤二、以目标航天器的历元时刻作为初始时刻，将步骤一中得到的保留的空间目标送入GPU中，在GPU中首先利用线性J₂模型在预报周期内进行遍历预报，得到所有空间目标在相应时间节点的空间位置，然后利用基于误差修正的BOX方法对所有空间目标进行筛选，保留存在接近风险的目标以及接近时刻，送回CPU端进行储存；具体过程为：

将步骤一中得到的保留的空间目标，送入GPU中，在GPU中对步骤一保留的空间目标利用线性J₂模型在预报周期内进行轨道递推，其中半长轴采用平均根数，得到空间目标各预报时刻的轨道六根数后，基于空间目标各预报时刻的轨道六根数转化得到对应的惯性系下空间位置，继而得到待筛选空间目标在主目标的轨道系下空间位置；

然后利用基于误差修正的BOX方法对所有目标进行初步筛选，具体过程为：

首先引入一个新的自变量对每个空间目标在轨道系下的位置误差的离散点进行线性化：

式中，r_p表示初始近地点半径，表示用于线性化的新的自变量，e表示离心率，I表示目标点纬度的倾角，Ω表示升/降交点赤经；

取N个近地空间目标，得到3天内沿迹向的误差最大值Δr，从而可以得到一组数据序列使用拟合函数如下：

式中，表示多项式，b_k表示系数，表示单项函数，n表示拟合函数包含单项函数的总项数，表示每个离散点的自变量大小，Δr_j表示每个离散点位置误差的大小；j表示拟合的数据点，共有N个，k表示拟合的多项式是从0到n阶；

采用多项式进行拟合，即取从而可以解得系数b₀,b₁,...,b_n；

获取主目标的轨道系下待筛选空间目标中主目标和备选目标的迹向位置、径向位置和法向位置；

将主目标和备选目标的径向位置作差得到径向相对位置r_R；

将主目标和备选目标的法向位置作差得到法向相对位置r_W；

利用多项式对轨道系下待测空间目标中的主目标和备选目标的迹向位置进行修正，得到修正后的迹向相对位置r_S；具体过程为：

将待测空间目标中的主目标和备选目标的离散点数据带入多项式得到待测空间目标中主目标和备选目标的离散点数据

将轨道系下的主目标和备选目标的迹向位置分别减去此时对应得到修正后的主目标和备选目标的迹向位置，将修正后的主目标和备选目标的迹向位置作差得到修正后的迹向相对位置r_S；

将迹向相对位置r_S、径向相对位置r _R、法向相对位置r_W分别与设置的碰撞阈值进行比较，保留小于等于阈值的目标：

其中Δr_R,Δr_S,Δr_W分别为轨道系下径向、迹向和法向的碰撞阈值，从而可以得到所有存在接近风险的目标及对应的时刻

其中j′表示针对所有保留目标中第j′个目标，i′表示针对第j′个目标所有接近时刻中对应的第i′个时刻；m为保留的所有目标数量，n^j′为第j′个目标对应的所有的接近时刻数目；

计算完成后将计算后得到的所有存在接近风险的目标及对应的时刻再传回CPU端进行储存；

步骤三、将保留目标的每个接近时刻前后分别扩充Δt得到预报时段，利用SGP4模型对所有目标在预报时段内进行预报，得到最小接近距离，保留最小接近距离小于等于最小距离阈值的目标，利用HPOP模型对保留的目标进行递推，得到最小接近距离；

Δt为扩充时间段；

步骤四、利用步骤三中保留目标的历史TLE根数生成初始时刻的协方差矩阵，并在二体模型下线性外推到接近时刻，得到协方差矩阵，结合最小接近距离利用Pc方法的解析公式得到碰撞概率，与概率阈值比较后，对大于概率阈值的目标给出碰撞警告。