空间反交会威胁预警与博弈路径规划

As the rendezvous and docking (RVD) technology gradually becomes mature, it is a severe threat that a spacecraft would be able to rendezvous with another uncooperative spacecraft and carry out soft attacking or catching activities. To deal with this threat, a new concept, i.e. anti-rendezvous, is proposed. Two aspects of basic science including the anti-rendezvous threat warning and anti-rendezvous path planning are studied, based on the deficiencies of current studies on the threat warning, evading path planning, and game path planning. First, based on the Gaussian sum model and the dynamical warning threshold, a evaluating calculation method for spacecraft approaching threat is proposed, which can conquer the probability dilution problem of the current methods on spacecraft threat warning using collision probability and can effectively carry out high-precision threat warning of low-speed long-term approaching spacecraft. Second, for unilateral anti-rendezvous problems, a multi-objective optimization approach considering both the threat and the observability is proposed, which can effectively extend the current spacecraft evading-maneuver planning methods. Third, the time-delay effect is introduced for the first time into the modeling and solving for the differential game of spacecraft chasing and escaping, and a numerical algorithm solving the bilateral optimal control of high-dimension two-point-boundary-value-problems is proposed. This study can extend the research domain of space rendezvous, would be the first to build the anti-rendezvous threat warning and path planning system of theory and method, and can provide a powerful reference for carrying out practical anti-rendezvous missions.

随着交会对接技术的日益成熟，与非合作航天器自主交会，然后实施软杀伤或抓捕成为在轨航天器面临的严峻威胁。为应对这一威胁，本项目提出反交会任务这一全新概念，针对当前威胁预警、规避路径规划、博弈路径规划等方面研究的不足，系统开展反交会威胁预警与路径规划方面的基础科学问题研究。项目将提出综合使用高斯和模型方法和动态预警门限的航天器威胁评估计算方法，解决现有的基于碰撞概率航天器威胁预警中的概率冲淡问题，有效实现对低速长时间接近航天器的高精度预警；提出兼顾威胁性和可观测性的反交会单边多目标路径规划方法，有效拓展了现有的航天器规避机动规划方法；首次将时延因素纳入航天器追逃微分对策建模与求解中，提出有效解决双边最优控制高维两点边值问题的数值算法。项目研究有效拓展空间交会研究范畴，有望在国内外率先建立起较为系统的反交会威胁预警与路径规划理论方法体系，并可为实际反交会任务实施提供较强工程参考。

随着交会对接技术的日益成熟，与非合作航天器自主交会，然后实施软杀伤或抓捕成为在轨航天器面临的严峻威胁。为应对这一威胁，本项目提出反交会任务这一全新概念，针对当前威胁预警、规避路径规划、博弈路径规划等方面研究的不足，系统开展反交会威胁预警与路径规划方面的基础科学问题研究。.在低速接近航天器的威胁精确预警方面，提出了一种基于高斯和打靶拟合模型的非高斯偏差概率密度描述方法，通过采用多个子高斯分布的加权和描述非高斯偏差以减小精度损失；提出了一种基于微分代数的高斯混合模型高阶预报方法，使用包含高阶非线性项的状态转移张量法，预报结果更加准确，结合微分代数方法后更加高效；提出了考虑动态预警门限的航天器威胁评估指标，基于漏警率的思想，给出动态预警门限的计算方法，确定威胁评估指标，可消除“概率冲淡”影响。.在兼顾威胁性和可观测性的单边反交会路径规划方面，提出了一种考虑能量消耗的飞行器规避机动方法，通过最小化追踪航天器轨道上的潜在威胁弧段进行规避；提出了考虑可观测性的圆轨道飞行器规避机动方法，通过降低航天器自身的可观测性，增大追踪航天器的角度测量误差，实现逃逸；）提出了考虑可观测性的椭圆轨道飞行器解析规避机动方法，将基于圆轨道的可观测性规避拓展到椭圆轨道下，并推导了解析的最优规避机动方向，计算效率提高。.在双边反交会路径规划的微分对策求解方面，推导了航天器三维追逃界栅的解析式，将对策空间划分为捕获区和逃逸区并能判断航天器当前状态；提出了多种航天器追逃对策的鞍点解法，分别推导了固定逗留期微分对策、无限时域微分对策和生存型微分对策的鞍点解；设计了不完全信息航天器追逃博弈策略，考虑双方支付函数信息缺失的情况，提出基于无迹卡尔曼滤波的在线信息估计和规划方法，提高了航天器在不完全信息博弈中的收益。.在考虑时延的双边反交会追逃博弈求解与分析方面，分析了不同时延配置对追踪和逃逸最优策略的影响，推导了基于模型修正的航天器时延型追逃鞍点解，降低了时延对追逃策略的影响。.本项目的部分研究成果已应用于天舟一号交会对接任务和国际空间轨道设计大赛中。项目已发表论文26篇，其中SCI收录15篇、EI收录9篇；申请专利8项，其中授权2项；培养博士4名、硕士3名；主办重要国际和国内会议各1次；阶段性成果获湖南省自然科学一等奖、教育部青年科学奖、国际空间轨道设计大赛冠军等奖励。