一種基于概率理論的航天器智能預警方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及航天器領域，尤其是航天器的智能預警。
【背景技術】
[0002] 隨著太空中人造衛星和空間碎片數量的不斷增加，在軌航天器面臨著越來越嚴重 的威脅。對于直徑大于l〇cm的大型空間碎片，航天器必須采用規避機動才能免受致命傷 害，碰撞規避實際上就是航天器對于直徑在l〇cm以上的空間物體進行的一種主動防御措 施。美國航空航天局（NASA)和歐空局（ESA)都多次成功采用軌道機動規避技術躲避了危 險的在軌目標，有效地降低了碰撞風險。因此評估航天器與其它空間物體或空間碎片的碰 撞可能性已經成為航天器飛行中必須考慮的問題。
[0003]目前航天器預警的發展方向主要有兩個：一是Box區域方法。早期的航天器碰撞 預警主要基于Box區域方法，碰撞規避是航天器對大于10cm的已編目空間碎片進行的一種 主動防護措施。由于對空間碎片探測和預報都存在一定誤差，因此引入Box區域判定法，通 過在航天器周圍定義警戒區域和規避區域，以判斷航天器與空間碎片之間的距離是否已經 構成碰撞危險。二是基于碰撞概率的航天器預警方法。這種碰撞概率不僅取決于當下時刻 航天器與危險目標的最小距離，還考慮到兩目標交會時的位置速度幾何關系以及航天器與 危險目標位置速度的不確定性，或其誤差協方差矩陣。碰撞概率由相遇時航天器和危險目 標的狀態矢量及其協方差矩陣以及兩目標的尺寸共同確定，但是這些方法都是基于一個或 者少數幾個觀測值。
[0004] 盡管空間航天器事業正在崛起，各種類型的預警方法也越來越多樣。但隨著對航 天器與警方法的研究越來越深入，一些問題也逐漸暴露出來。目前的航天器預警方法在設 計上大都是延續航天器的box區域判定法的設計思路，采用相對距離和相對角度等來判斷 了目標航天器的威脅程度，而忽略了相對速度變化、衛星用途和穩定方式等其余判斷因素 對航天器預警的影響。由于若目標航天器自身威脅程度能夠從靠近階段的反應體現出來， 而且目標航天器是合作還是非合作對于判斷衛星程度的影響很大，因此提供了航天器預警 方法增加考慮多方面因素的方向發展。另一方面，既然航天器預警方法在增加輸入節點的 應該有很大發展，而前一時刻判斷的結果也應該對當前時刻乃至下一時刻的威脅程度的判 斷起輔助決定的作用，也應該受到重視。此外，基于時間變化的多節點判斷威脅概率的方法 在航天器預警上的應用也非常少。
【發明內容】
[0005] 為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種基于概率論的航天器智能預警網 絡，以下簡稱"航天器預警網絡"，該航天器預警方法摒棄了單純利用空間區域距離單判斷 依據劃分威脅程度的傳統方法，轉而增加利用相對速度變化、有無戰斗部、穩定方式等影響 因素來進行目標威脅程度的判斷，使航天器預警更加精確，并且將靜態預警網絡沿時間軸 展開成動態的預警網絡，以滿足空間環境下航天器預警所需要的判斷依據。同時，該航天器 預警網絡采用隨時間變化的動態的設計思路，以單個時刻的預警網絡為基礎，前后時刻預 警威脅程度綜合而成，提高了航天器預警網絡的可靠性。
[0006] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0007] 第1步：航天器威脅等級由網絡各個節點輸入數值綜合計算所得，航天器預警網 絡按照對結果的影響分為四層，第一層為相對距離、相對速度、目標類型、發射地區、有無軌 道相交和前一時刻威脅等級六個判斷節點；其中，目標類型下分第二層節點為RCS(雷達散 射面積RadarCrossSection)大小、RCS周期、攻擊能力、穩定方式和有無天線陣；其中攻 擊能力節點下分第三層節點為有無戰斗部和變軌能力；其中有無戰斗部節點下分第四層節 點為有無天線陣；
[0008] 當預警網絡開始工作的時候，探測器為網絡多個端點輸入數據，不同的輸入節點 有不同的輸入狀態量，每個節點的不同狀態量如表1所示，當下層節點有輸入值時，根據貝
即可在觀測節點輸入觀測數據P(x)以后，推斷出 上級節點的在每種狀態量P(y)的可能取值的概率，利用貝葉斯公式及先驗概率P(yIX)，可 以最終得到P(y)，即通過下級節點狀態的概率，獲得上級節點各狀態的概率，其中，貝葉斯 公式中y代表上級網絡節點狀態，X代表連接線的下級網絡節點狀態；
[0009] 表1各目標特性可取變量狀態表
[001*2]-第2步，有無戰斗部節點的概率由節點目標有無天線陣的不同概率得知，當觀測 節點得到有無天線陣觀測值后，根據貝葉斯公式和表2即可以得到分別在有天線陣或無天 線陣的條件下，有戰斗部和無戰斗部的概率取值：
[0013] 表2目標航天器有無戰斗部條件概率表
[0014]
[0015] 第3步，節點攻擊能力的概率由第三層網絡節點有無戰斗部和變軌能力決定：有 戰斗部的目標攻擊能力定義為強，無戰斗部的目標攻擊能力定義為弱，若目標帶有燃料箱 則變軌能力強，若沒有燃料箱則變軌能力弱，根據第三層網絡節點"變軌能力"和"有無戰斗 部"輸入值，根據貝葉斯公式和表3,得到目標攻擊能力分別為強和弱條件下的取值概率；
[0016] 表3目標攻擊能力概率表
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[0018] 第4步，根據第二層網絡節點RCS周期、RCS面積、攻擊能力、穩定方式和天線陣觀 測節點的輸入值，根據貝葉斯公式和表4、5可以得到在這些輸入條件下目標類型分別為空 間碎片、導彈、攻擊型衛星、空間站、普通衛星的可能的概率值，目標類型節點概率由第二層 網絡節點計算得到；
[0019] 4. 1目標類型由RCS面積判斷：雷達反射面積在400dbsm以上定義為大，雷達散射 面積在50dbsm定義為小，雷達散射面積在50dbsm到400dbsm之間定義為中；
[0020] 4. 2目標類型由RCS周期判斷：目標具有章動、旋轉或翻滾等姿態運動時，其雷達 散射面積觀測序列會有一個周期性變化，RCS周期在600s以上為長，RCS周期在50s以下為 短，RCS周期在50s至600s之間為中；
[0021] 4. 3目標類型由攻擊能力判斷，在第3步中已經獲得攻擊能力分別強或弱條件下 的不同概率值；
[0022] 4.4目標類型由穩定方式判斷：若目標是導彈、衛星或空間站，則會有相應的姿態 控制，當對應RCS周期中長且峰值唯一則定義為自旋穩定，若對應RCS周期中長且峰值不唯 一，則定義為三軸穩定，若RCS周期短則為不穩定；
[0023] 若目標是是碎片，則定義為不穩定；
[0024] 4. 5目標類型由是否天線陣類型判斷，若探測到的大規模天線陣是對地定向，即定 義為是軌道坐標系中的z軸方向；若探測到的天線在軌道坐標系的速度軸方向上，即定義 為X軸方向；若沒有探測到天線陣，即定義沒有天線陣；
[0025] 表4目標類型的條件概率表
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[0027] 表5目標類型的條件概率表
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[0029] 第5步，根據第一層網絡節點相對速度、相對距離、發射地區、有無軌道相交、目標 類型、前一時刻目標威脅程度的各個輸入值進行判斷：
[0030] 5. 1威脅程度受到相對距離的影響：相對距離是判斷對方是否有攻擊傾向的重要 途徑，相對距離在50km以上定義為遠，相對距離在10km以內為近，相對距離在10km至50km 之間定義為中；
[0031] 5. 2威脅程度受到相對速度的影響：相對速度是判斷對方時候是否有攻擊企圖的 重要依據，若目標接近我方相對速度大于l〇km/S，定義相對速度為快；若目標接近我方相 對速度小于lkm/s，定義相對速度為慢；若目標接近我方相對速度在lkm/s至10km/s之間 則定義為中；
[0032] 5. 3威脅程度受到目標類型的影響：導彈和攻擊性衛星的威脅程度大，通訊衛星 和空間碎片及其他空間物體威脅程度小；
[0033] 5. 4威脅程度受到發射地區的影響：敵對國發射的目標定義為敵方，我方與同盟 國發射的目標定義為友，無法得知目標發射地區的情況為未知；
[0034] 5. 5威脅程度受到有無軌道相交的影響：相交是指目標與我方航天器軌道相交且 雙方同時到達交點的過渡軌道，且時間上要在同一時間到達兩個軌道交點；
[0035] 5. 6威脅程度受上一時刻目標威脅程的影響：假設動態概率過程是馬爾科夫的， 即當前t時刻的概率只與（t-Ι)時刻有關，且相鄰時間的條件概率過程是平穩的，本發明將 (t-i)時刻目標威脅程度值作為當前時刻目標威脅輸入節點之一，避免某一時刻探測器出 現誤差而使結果發生突變，當（t-ι)時刻威脅程度低，則t時刻威脅程度低的概率大，（t-1) 時刻威脅程度高，t刻威脅程度高的概率大；
[0036] 表6目標威脅程度條件概率表
[0042] 結合貝葉斯公式和表6、7、8,可以得到目標威脅程度分別為"高"、"中"、"低"的概 率值，即得到網絡最終輸出結果目標威脅程度，威脅程度數值是由第一層網絡中每個節點 計算可得到。
[0043] 本發明的有益效果在于本發明的航天器預警網絡作為一種綜合利用概率論和圖 論進行不確定性分析和推理的有效工具，具有堅實的理論基礎，同時具有直觀的知識表示 形式，能方便快速地處理不確定信息之間的因果關系，且計算簡單，運算量少，收斂性和實 時性好，由于現代戰場環境存在大量不確定性因素，因此對目標威脅等級的評估必定是一 個概率行為，而該本發明的預警網絡正是在非完全信息條件下進行不確定性推理的一種有 效手段，可以用于解決空間目標航天器對我方平臺威脅等級評估的問題。
【附圖說明】
[0044]圖1是本發明是航天器智能預警網絡的整體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0045] 下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，但本發明所能實現的功能并不僅限 于此。
[0046] 以下對【具體實施方式】的闡述，均是以圖1所示的由14個判斷節點組合而成的智能 航天器預警網絡為例。若擴展為更大的航天器預警網絡，【具體實施方式】在原理上是相同的。
[0047] 實施例1:
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