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基于拉普拉斯变换的空间目标碰撞概率计算方法

霍俞蓉 李智 韩蕾

霍俞蓉, 李智, 韩蕾等 . 基于拉普拉斯变换的空间目标碰撞概率计算方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(4): 810-819. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0263
引用本文: 霍俞蓉, 李智, 韩蕾等 . 基于拉普拉斯变换的空间目标碰撞概率计算方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(4): 810-819. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0263
HUO Yurong, LI Zhi, HAN Leiet al. Computation method of collision probability of space object based on Laplace transformation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(4): 810-819. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0263(in Chinese)
Citation: HUO Yurong, LI Zhi, HAN Leiet al. Computation method of collision probability of space object based on Laplace transformation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(4): 810-819. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0263(in Chinese)

基于拉普拉斯变换的空间目标碰撞概率计算方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0263
基金项目: 

国家“863”计划 2015SQ704102

详细信息
    作者简介:

    霍俞蓉  女, 博士研究生。主要研究方向:空间碎片碰撞预警

    李智  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:空间态势感知、空间环境

    韩蕾  女, 博士, 讲师。主要研究方向:航天器飞行动力学

    通讯作者:

    李智, E-mail: lizhizys000@163.com

  • 中图分类号: V412.4

Computation method of collision probability of space object based on Laplace transformation

Funds: 

National High-tech Research and Development Program of China 2015SQ704102

More Information
  • 摘要:

    碰撞概率是空间碎片碰撞预警中评判碰撞发生可能性大小的重要依据,对航天器机动规避具有重要意义。基于拉普拉斯变换的碰撞概率计算方法利用拉普拉斯变换以及幂级数的定义,推导了在短时间接近情况下碰撞概率的幂级数表达式,分析了碰撞概率的截断误差并确定了在不同精度要求下的幂级数项数。针对2009年美俄卫星的碰撞事件,将基于拉普拉斯变换的碰撞概率计算结果与Chan方法、Monte Carlo方法的计算结果进行比较,验证了基于拉普拉斯变换方法在计算精度上的优势。

     

  • 图 1  相遇坐标系示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of encounter coordinate system

    图 2  联合圆域和联合误差椭圆域示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of combined disk and combined error ellipse

    图 3  幂级数项数随概率门限值的变化

    Figure 3.  Variation of number of terms of power series with probability threshold

    图 4  幂级数项数随概率门限值以及联合圆域有效半径的变化

    Figure 4.  Variation of number of terms of power series with probability threshold and radius of combined disk

    图 5  不同球形分布下碰撞概率的变化趋势

    Figure 5.  Change trend of collision probability under different spherical distribution

    图 6  3σ联合误差椭圆和碰撞圆域

    Figure 6.  3σ combined error ellipse and collision disk

    图 7  Chan方法和拉普拉斯变换方法的计算时间结果

    Figure 7.  Results of computation time of Chan and Laplace transformation methods

    表  1  主、从目标的位置参数

    Table  1.   Position parameters of primary and secondary object

    km/s
    目标 x y z
    主目标 -1 457.353 760 1 589.546 912 6 814.195 621
    从目标 -1 457.572 590 1 589.024 470 6 814.313 123
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    表  2  主、从目标的速度参数

    Table  2.   Velocity parameters of primary and secondary objectkm/s

    km/s
    目标 vx vy vz
    主目标 -7.001 700 -2.439 510 -0.926 295
    从目标 3.578 697 -6.172 823 2.200 328
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    表  3  主、从目标在RSW坐标系下的位置误差标准差

    Table  3.   Standard deviation of position error of primary and secondary object in RSW coordinate system

    目标 σR/km σS/km σW/km
    主目标 0.231 207 0.206 188 5 0.071 975
    从目标 0.036 323 4 0.410 206 9 0.034 114
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    表  4  Chan方法下Pk的计算结果

    Table  4.   Calculation results of Pk by Chan method

    k Pk/10-4
    1 1.817 439 461 411 834
    2 1.828 466 082 330 511
    3 1.828 488 389 607 843
    4 1.828 488 412 175 072
    5 1.828 488 412 188 786
    6 1.828 488 412 188 801
    7 1.828 488 412 188 806
    8 1.828 488 412 188 808
    9 1.828 488 412 188 809
    10 1.828 488 412 188 809
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    表  5  基于拉普拉斯变换方法下PkSk的计算结果

    Table  5.   Calculation results of Pk and Sk based on Laplace transformation method

    k Pk/10-4 Sk
    1 1.772 573 705 611 427 8.291 431 627 403 867×10-7
    2 1.815 996 175 328 694 2.031 139 453 405 921×10-8
    3 1.817 048 378 909 693 3.317 101 046 456 115×10-10
    4 1.817 052 720 190 974 4.062 926 108 033 688×10-12
    5 1.817 053 331 566 511 3.981 155 431 361 421×10-14
    6 1.817 053 372 236 674 3.250 858 729 893 972×10-16
    7 1.817 053 375 065 217 2.275 308 404 578 399×10-18
    8 1.817 053 375 264 924 1.393 447 138 227 291×10-20
    9 1.817 053 375 279 203 7.585 569 687 077 649×10-23
    10 1.817 053 375 280 234 3.716 451 044 970 535×10-25
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    表  6  Monte Carlo方法、Chan方法、基于拉普拉斯变换方法的碰撞概率计算结果

    Table  6.   Collision probability calculation results of Monte Carlo, Chan and based on Laplace transformation methods

    方法 碰撞概率
    Monte Carlo 0.000 181 848 841 218 880
    Chan 0.000 182 848 841 218 880 9
    拉普拉斯变换 0.000 181 705 337 528 023 4
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    表  7  Chan方法、基于拉普拉斯变换方法与Monte Carlo方法的碰撞概率相对误差

    Table  7.   Relative error of collision probability between Monte Carlo method and Chan, based on Laplace transformation method

    方法 相对误差/%
    Chan 0.549 9
    拉普拉斯变换 0.078 9
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    表  8  精确位数-lg Dd不同时所需的幂级数项数、碰撞概率和截断误差

    Table  8.   Number of terms of power series, collision probability and truncation error with different exact digits -lg Dd

    -lg Dd n Pc Sn
    4 3 0.000 181 704 837 890 969 3 9.122 027 877 754 318×10-10
    5 6 0.000 181 705 337 223 667 4 5.108 492 289 833 384×10-16
    6 9 0.000 181 705 337 527 920 3 8.344 126 655 785 414×10-23
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-26
  • 录用日期:  2017-07-21
  • 网络出版日期:  2018-04-20

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