一种空间碎片清理任务全过程仿真和安全评估系统及方法

本发明属于空间碎片清理，尤其涉及一种空间碎片清理任务全过程仿真和安全评估系统及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、随着航天活动日益密集，空间碎片数量持续增长，若大型完整空间目标发生高速碰撞，可能产生大量次生碎片并触发级联效应，对低轨长期可持续利用构成持续威胁。主动空间碎片清理已成为保障航天活动可持续发展的必要手段。

3、当前碎片清理任务呈现操作场景复杂、相对速度高、动力学耦合强、风险链路长的特点，对任务设计、过程推演与安全管控提出了极高要求。然而，现有仿真与评估手段存在三类核心局限：

4、其一，仿真可视化与安全评估相互割裂。现有系统大多为二维或单环节仿真，缺乏对任务全周期（轨道交会、捕获操作、离轨处置）的三维连续可视化推演，难以直观呈现多体动力学耦合过程。安全评估多聚焦单点碰撞风险，未覆盖清理全流程的多阶段风险演化，无法实现风险与仿真过程的动态映射。

5、其二，风险评估维度单一，覆盖不完整。主流指标多关注碎片本身的碰撞威胁，未充分覆盖交会、捕获、离轨、再入以及服务平台自身在执行任务过程中引入的内生风险。目标选择和技术路线选型往往依赖单一风险指标或专家经验，缺乏对任务执行风险与环境遗留风险的双维统筹。

6、其三，收益量化片面，缺乏联合评估框架。现有方法多仅考虑规避碰撞损失，未将轨道资源释放、保险成本节约、运维成本节约和材料回收价值纳入统一评估口径。多数方案为任务前静态评估，难以根据空间态势变化、目标状态和服务卫星技术状态进行动态修正，导致任务投入产出比不清晰，难以满足工程决策需要。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种空间碎片清理任务全过程仿真和安全评估系统及方法，旨在解决现有空间碎片清理任务仿真评估与决策支持技术中存在的仿真可视化与安全评估相割裂、风险评估维度单一、收益量化不完整、缺乏统一联合评估框架等问题。

2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种空间碎片清理任务全过程仿真和安全评估系统；

4、一种空间碎片清理任务全过程仿真和安全评估系统，包括：

5、任务前置仿真建模模块，被配置为：构建清理对象、清理平台与轨道环境的数字化模型，生成统一的仿真基准数据；

6、清理过程三维可视化仿真模块，被配置为：基于动力学计算结果，按任务时序驱动三维场景渲染，实现从轨道交会、捕获操作到离轨处置全任务周期的连续三维可视化推演；

7、全过程动态安全评估模块，被配置为：在仿真推进的每一时间步长同步读取当前状态数据，匹配对应任务阶段的风险计算模型，逐阶段输出量化安全风险指标，并将风险结果反馈至所述三维可视化仿真模块进行实时动态映射；

8、综合效能评估模块，被配置为：基于清理任务全过程的仿真输出与安全评估结果，通过对每一个目标碎片与每一种候选清理方式形成的组合进行多指标融合计算，输出综合效能评价值，以支持方案优选；

9、决策输出与交互控制模块，被配置为：提供人机交互接口与结果输出能力，支持参数调整触发重仿真，并生成全流程仿真成果与安全评估报告。

10、作为进一步的技术方案，所述数字化模型包括j2摄动轨道动力学模型和目标碎片自旋姿态动力学模型；

11、所述j2摄动轨道动力学模型为：

12、

13、其中摄动加速度项的分量展开式为：

14、

15、式中，为航天器的运动加速度；为航天器在地心惯性系下的位置矢量，为位置矢量模长；为地球引力常数，为地球二阶带谐项系数，为地球赤道半径；

16、所述目标碎片自旋姿态动力学模型为：

17、

18、式中，为碎片的转动惯量张量，为碎片本体坐标系下的角速度矢量；为角加速度；为外力矩矢量。

19、作为进一步的技术方案，所述清理过程三维可视化仿真模块包括相对运动坐标系转换单元，用于建立视线坐标系与惯性坐标系的转换关系，惯性系下相对位置矢量到视线坐标系的转换公式为：

20、

21、其中，为视线系坐标系中的相对位置矢量；为惯性系坐标系中的相对位置矢量；为惯性系到视线系的正交变换矩阵；

22、坐标变换矩阵由相对位置、相对速度矢量通过正交单位矢量组构造：

23、

24、式中，为平台相对目标的位置矢量；为相对速度矢量；、、分别为los坐标系的三个单位基向量，共同构成一个右手正交坐标系，其中，表示los坐标系横向方向，表示相对运动轨道面的法向方向，表示平台指向目标的视线方向。

25、作为进一步的技术方案，所述清理过程三维可视化仿真模块还包括算绘同步积分单元，采用四阶龙格-库塔定步长积分，使动力学状态更新、可视化场景渲染帧周期与动态安全指数计算三者时间步长同步对齐，其积分迭代公式为：

26、

27、式中，为系统状态矢量，含位置、速度、姿态、角速度；为积分步长，与可视化渲染帧周期一致；为状态微分函数；、、、分别为一个积分步内三个节点处的状态变化率估计值，其中为步长起点的初始斜率，为步长中点的两次斜率修正，为步长终点的斜率预测，通过四阶加权平均提高积分精度。

28、作为进一步的技术方案，在仿真推进的每一时间步长同步读取当前状态数据，匹配对应任务阶段的风险计算模型，逐阶段输出量化安全风险指标，包括：

29、当处于轨道交会阶段时，调用逼近碰撞风险指数计算模型，计算交会平面内的二维误差椭圆参数，并结合当前时刻交会走廊内背景碎片编目数据，逐时间步长输出逼近碰撞风险指数；

30、当处于捕获操作阶段时，调用操作安全风险指数计算模型，分别计算冲击载荷风险项、姿态失稳风险项与机构失效风险项，并融合输出操作安全风险指数；

31、当处于离轨处置阶段时，调用离轨安全风险指数计算模型，计算实际近地点高度与标称近地点高度的偏差量，并结合再入点状态参数与地面人口密度数据库计算地面落区风险项，融合输出离轨安全风险指数。

32、作为进一步的技术方案，当处于轨道交会阶段时，调用逼近碰撞风险指数计算模型，计算交会平面内的二维误差椭圆参数，并结合当前时刻交会走廊内背景碎片编目数据，逐时间步长输出逼近碰撞风险指数，包括：

33、基于误差椭圆法计算瞬时碰撞概率，将平台控制误差与轨道预报误差复合为误差椭球，投影至交会平面得到二维误差椭圆，对椭圆内复合体区域进行二维高斯概率密度积分：

34、考虑交会走廊内多背景碎片的累积碰撞风险，采用独立事件概率累计方法计算总碰撞率：

35、引入任务相关的碰撞概率阈值与参考概率，对总碰撞率进行归一化处理，得到逼近碰撞风险指数。

36、作为进一步的技术方案，所述冲击载荷风险项通过冲量定理计算接触瞬间冲击力峰值，归一化得到载荷风险项：

37、

38、式中，为冲击载荷风险项；为等效接触质量，为接触瞬间相对速度变化量，为接触作用时间；为结构与机构的容许极限载荷；为推进系统能够产生的最大力；

39、姿态失稳风险项为捕获后组合体姿态偏差与角速度偏差的归一化结果：

40、

41、式中，为姿态失稳风险项；为姿态角偏差，为容许姿态偏差阈值；为姿态角速度峰值，为容许角速度阈值；

42、机构失效风险项表示为基于载荷-强度干涉模型计算机构失效概率：

43、

44、式中，为机构失效风险项；为机构载荷的概率密度函数，为机构强度的累积分布函数。

45、作为进一步的技术方案，所述基于清理任务全过程的仿真输出与安全评估结果，通过对每一目标碎片与每一种候选清理方式形成的组合进行多指标融合计算，输出综合效能评价值，以支持方案优选，包括：

46、针对每一目标碎片与每一种清理方式形成的组合，根据环境效益、风险折算和任务消耗计算综合效益值；

47、引入轨道环境、技术状态和时间价值修正因子，对综合效益值进行动态修正，并采用蒙特卡洛采样得到综合效益值的置信区间，以量化各组合的优选优先级。

48、本发明第二方面提供了一种空间碎片清理任务全过程仿真和安全评估方法。

49、一种空间碎片清理任务全过程仿真和安全评估方法，包括：

50、构建清理对象、清理平台与轨道环境的数字化模型，生成统一的仿真基准数据；

51、基于动力学计算结果，按任务时序驱动三维场景渲染，实现从轨道交会、捕获操作到离轨处置全任务周期的连续三维可视化推演；

52、在仿真推进的每一时间步长同步读取当前状态数据，匹配对应任务阶段的风险计算模型，逐阶段输出量化安全风险指标，并将风险结果反馈至所述三维可视化仿真模块进行实时动态映射；

53、基于清理任务全过程的仿真输出与安全评估结果，通过对每一个目标碎片与每一种候选清理方式形成的组合进行多指标融合计算，输出综合效能评价值，以支持方案优选；

54、提供人机交互接口与结果输出能力，支持参数调整触发重仿真，并生成全流程仿真成果与安全评估报告。

55、作为进一步的技术方案，所述基于清理任务全过程的仿真输出与安全评估结果，通过对每一目标碎片与每一种候选清理方式形成的组合进行多指标融合计算，输出综合效能评价值，以支持方案优选，包括：

56、针对每一目标碎片与每一种清理方式形成的组合，根据环境效益、风险折算和任务消耗计算综合效益值；

57、引入轨道环境、技术状态和时间价值修正因子，对综合效益值进行动态修正，并采用蒙特卡洛采样得到综合效益值的置信区间，以量化各组合的优选优先级。

58、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

59、（1）本发明突破了传统仿真系统与风险评估相互割裂的技术局限，能够随着三维场景推演的推进，实时在线逐阶段计算风险并动态映射至可视化场景中，实现了仿真推演与安全评估的深度耦合与同步运行。改变了现有技术中仿真与评估串行、分离的运行模式，使操作人员能够在任务推演过程中及时获取风险反馈并调整方案，极大地提高了碎片清理任务安全管控的时效性与决策效率。

60、（2）本发明针对轨道交会、捕获操作、离轨处置三大时序阶段，分别设计了逼近碰撞风险指数（acri）、操作安全风险指数（osri）和离轨安全风险指数（dsri），从碰撞概率、冲击载荷、姿态失稳、机构失效、轨道残留及再入落区人口安全等多个维度全面量化风险。该分层评估架构消除了传统单点碰撞风险评估的盲区，实现了风险辨识从静态单维度向动态多维度的跨越，为任务安全管理提供了完整的量化依据。

61、（3）本发明将每一目标碎片与每一种候选清理方式逐一组合，基于综合效益值排序筛选满足约束条件的最优方案，突破了传统单维度排序的局限。同时，系统引入动态修正因子与蒙特卡洛置信区间评估，支持基于最新空间态势、平台健康状态等信息的滚动重评估，使方案优选具备对不确定性的量化表征能力与对任务态势变化的动态响应能力。

62、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。