一种多站协同的太空目标碰撞预警方法与流程

本发明属于太空态势感知，具体涉及到一种多站协同的太空目标碰撞预警方法。

背景技术：

1、太空目标碰撞预警，是通过监测太空目标的轨道参数，预判其碰撞风险，发出预警信号，避免太空事故的技术手段，核心是防范太空垃圾、卫星等天体的碰撞风险，保障太空环境安全。

2、现有太空目标碰撞预警方法主要有三类：一是基于轨道动力学的碰撞概率计算法，通过分析目标轨道参数、相对速度，计算碰撞概率；二是天基与地基结合监测法，依托卫星、雷达捕捉目标轨迹，实时跟踪目标动态；三是智能预警法，结合ai算法，快速识别异常，触发预警响应。

3、这种方法虽然能够实现太空目标碰撞预警，但是还存在以下问题：

4、1、观测解算抗干扰能力薄弱，未引入鲁棒抑制机制处理观测野值与噪声，易导致轨道解算偏差偏大、状态估值失真，直接拉低风险研判基础精度；

5、2、轨道计算、资源调度与预警配置模式固化单一，全程采用统一动力学模型推演，未按风险分级匹配简化或摄动优化模型，低风险目标算力冗余、高风险目标预报精度有限；同时采用无差别预警与均等资源投入，无法对高危目标强化高精观测与全域算力支撑，资源利用低效、重点风险防控不足；

6、3、缺乏误差联动修正与闭环更新机制，轨道误差超限后响应方式固定，无法依据精算结果动态升降风险等级、同步调整观测与算力配置，难以适配空间目标动态运动特征，整体预警灵活性、时效性与实用性不足。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多站协同的太空目标碰撞预警方法。

2、解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种多站协同的太空目标碰撞预警方法，包括以下步骤：

3、s1：太空天体观测；

4、s2：计算评估碰撞风险并分为五个风险等级；

5、s3：根据风险等级发出碰撞预警；

6、s4：根据风险等级重新分配算力资源；

7、s5：根据风险等级重新分配观测资源；

8、s6：对轨道误差超过阈值的天体进行高精度测算；

9、s7：根据精算结果修正风险等级；

10、在所述s1中，依托地基观测站、低轨卫星、中轨卫星等设备对天体进行观测；根据观测数据，建立非线性观测方程，描述观测值与目标状态的关系；对观测方程进行求解，并通过huber损失函数降异常残差影响，加权矩阵w给异常数据低权重，从而抑制异常数据影响；

11、在所述s2中，依托星上终端、边缘计算节点、地面云计算中心，根据观测数据对目标天体轨道进行计算；结合低轨、中轨观测卫星获取的目标分布数据，计算网格单元内风险密度和天体碰撞概率；依据计算出的碰撞概率，将天体的碰撞风险划分为极低风险、低风险、中风险、高风险和极高风险五个等级。

12、进一步的，在所述s3中，对极低风险天体不发出碰撞预警，对低风险天体发出提示性预警，对中风险天体发出警示性预警，对高风险天体发出紧急预警，对极高风险天体发出最高级别预警。

13、通过上述技术方案，可实现天体碰撞风险的分级精准预警输出，依据五级风险差异匹配对应预警层级，规避无差别预警造成的信息冗余与响应混乱，既能对低风险天体简化预警流程、减少无效研判干扰，聚焦核心监测工作；又能逐级强化中高风险天体的预警警示力度，突出重大风险告警优先级，保障不同风险等级天体的预警指令清晰明确，助力观测、算力、研判资源按需联动调度，形成标准化、差异化的预警响应机制，大幅提升太空态势感知与碰撞预警的精准性、时效性与实操性。

14、进一步的，在所述s4中，对极低风险天体，采用星载轻量自主运算，对低风险天体，采用星载、边缘运算优先、云端定期复核运算，对中风险天体，采用边缘运算主导、云端高精度复核运算，对高风险天体，采用星地全域协同强化运算，对极高风险天体，采用全算力资源运算。

15、通过上述技术方案，可依据天体五级风险等级实现算力资源差异化精准调配，形成分级适配的运算调度机制，低风险天体依托星载轻量化运算，减少云端资源占用，节约算力能耗；中风险侧重边缘节点运算，辅以云端复核保障精度；高风险及极高风险天体联动全域算力协同运算，强化轨道解算与风险研判能力，既能避免算力冗余浪费，实现资源高效集约利用，又能逐级提升高危目标运算精度与响应速度，保障关键风险计算实时可靠，整体提升空间目标研判算力调度的合理性与适配性。

16、进一步的，在所述s5中，对极低风险和低风险天体，全设备常规标准探测、传输、预处理与备份，激光测距不启用，对中风险天体，全系设备启用高精度观测、校验、评估，强化数据同步与误差修正，对高风险和极高风险天体，叠加激光测距高精测量，全资源高精跟踪、速传、实时应急备份。

17、通过上述技术方案，可依托五级风险等级实现观测资源差异化精准调度，构建分层适配的数据采集与处理机制，低风险目标采用常规标准作业模式，精简高精度设备投入，降低观测能耗与数据冗余；中风险目标全面升级观测精度，强化数据校验与误差修正，保障研判基础可靠；高风险及极高风险目标叠加激光测距专项高精测量，激活全链路高精跟踪、极速传输与应急备份能力，既实现观测资源集约高效利用，又逐级强化高危目标的数据精度与完整性，全面提升空间目标监测研判的准确性与可靠性。

18、进一步的，在所述s6中，对极低风险和低风险天体，误差达到阈值时触发光学雷达联合观测，重新核算轨道，对中风险天体，误差达到阈值时启用激光测距，算法修正轨道与风险评估，对高风险和极高风险天体，误差达到阈值时全设备协同观测，云端全域高精度复核。

19、通过上述技术方案，可依据天体风险等级设定差异化误差响应机制，实现观测精度的动态校准与优化，低风险天体误差超限后，通过光学雷达联合观测快速修正轨道，兼顾效率与基础精度；中风险天体启用激光测距结合算法优化，提升轨道解算与风险评估的准确性；高风险及极高风险天体触发全设备协同观测与云端复核，最大化保障数据精准度，该机制可有效抑制观测误差干扰，避免风险误判，实现误差超限后的分级精准响应，进一步提升轨道解算与风险研判的可靠性和严谨性。

20、进一步的，在所述s7中核算结果未超阈值时，维持原风险等级，沿用现有算力与观测配置不变，核算结果风险升高时，即时提升风险等级，同步升级算力观测并启动响应，核算结果风险降低时，下调风险等级，缩减资源投入转为轻量化管控。

21、通过上述技术方案，可依托核算结果实现风险等级动态闭环修正，构建灵活可调的资源联动机制，核算数据达标时保持原有分级配置，稳定常规监测流程；风险升高即刻升级等级，同步强化算力、观测资源并启动对应预警响应；风险降低则及时下调等级，精简资源投入转为轻量化管控，全程实现风险评估、等级调整、资源调度的协同联动，避免资源闲置或配置不足，保障整体预警体系自适应迭代，提升太空目标风险研判的动态性、精准性与资源利用效率。

22、进一步的，在所述s1中，非线性观测方程为zk=h(xk)+vk，式中：zk为第k时刻多源观测数据向量（含光学角度、雷达距离/径向速度、激光点云坐标）；xk=[rx,ry,rz,vx,vy,vz]^t为目标在tk时刻的状态向量（地心惯性系下位置与速度）；h(·)为非线性观测函数（由观测设备类型决定）；vk为观测噪声向量，服从高斯分布vk~n(0,rk)，rk为观测噪声协方差矩阵，huber损失函数公式为j(x)=σ（i=1~n）ρ(zi-hi(x))，式中，n为观测数据个数；i为观测数据序号；ρ(·)为huber损失函数，用于抑制异常数据影响，ρ(δ)={1/2δ²（|δ|≤σ）；σ(|δ|-1/2σ)（|δ|>σ）}，式中，δ为单个观测的残差；σ为残差判定阈值，加权lm算法迭代更新公式为x(k+1)=xk+(j^twj+λi)^(-1)j^tw(z-h(xk))，式中，j为观测函数的雅可比矩阵；w为huber加权矩阵；λ为阻尼因子；i为单位矩阵；x为待求解的目标状态向量；z为所有观测数据构成的观测向量。

23、通过上述技术方案，构建适配空间目标监测的非线性解算模型，依托多源观测数据建立标准观测方程，精准表征目标位置、速度与实测信息的映射关系；引入huber损失函数区分正常残差与异常偏差，自适应抑制野值及干扰数据对拟合结果的影响，强化算法鲁棒性，结合搭载huber加权矩阵的lm迭代算法完成状态迭代优化，兼顾非线性求解收敛性与数值稳定性，可精准修正轨道参数、优化风险评估基础数据，有效提升复杂观测环境下空间目标状态解算精度，保障后续分级预警、资源调度与风险动态修正的严谨性与可靠性。

24、进一步的，在所述s2中，针对极低风险和低风险天体的轨道计算，位置递推公式为r(t)=r0+v0δt+(1/2)a0(δt)²，速度递推公式为v(t)=v0+a0δt，式中，r(t)、v(t)为t时刻目标的位置、速度向量；r0、v0为上一历元观测位置、速度；δt为时间步长；a0为简化引力加速度；μ为地球引力常数；||r0||为目标到地心的距离；简化引力加速度计算公式为a0=-μ(r0/||r0||³)，式中，r(t)、v(t)为t时刻目标的位置、速度向量；r0、v0为上一历元观测位置、速度；δt为时间步长；a0为简化引力加速度；μ为地球引力常数；||r0||为目标到地心的距离；针对中风险、高风险和极高风险天体，位置递推公式为r(t)=r0+v0δt+(1/2)(a0+ap)(δt)2，速度递推公式为v(t)=v0+(a0+ap)δt，综合摄动加速度计算公式为ap=asp+anp+aatm，式中，ap为综合摄动加速度；asp为第三体引力摄动、anp为非球形引力摄动、aatm为大气阻尼摄动。

25、通过上述技术方案，依据天体风险等级采用差异化轨道递推策略，兼顾计算效率与解算精度，低风险天体采用简化引力模型，通过基础递推公式快速完成轨道计算，大幅降低算力消耗；中高及极高风险天体引入综合摄动加速度，融合多类摄动因素优化递推模型，提升轨道预测的精准度，该设计既避免低风险目标过度计算造成的资源浪费，又通过摄动修正保障高危目标轨道递推的可靠性，为后续风险分级、预警响应及资源调度提供精准的轨道基础数据支撑。

26、进一步的，在所述s2中，网格风险密度计算公式为ρ=(n/v)σ（i=1~n）σ（j=i+1~n）exp(-dij²/(2σd²))，式中：ρ为网格单元内风险密度，n为网格单元内目标数量；v为网格单元体积；dij为第i、j个目标的空间距离；σd为距离权重系数，碰撞概率计算公式为pc=∫（-∞~dmin）[1/√(2π|σ|)]exp(-1/2ξ^tσ^(-1)ξ)dξ，式中，pc为碰撞概率；dmin为目标对最小安全接近距离；ξ为两目标相对位置偏差向量；σ为相对位置误差协方差矩阵；|σ|为σ的行列式。

27、通过上述技术方案，构建量化可计算的空间风险评估数学模型，依托网格风险密度公式，结合单元内目标数量与空间距离关联权重，精准表征局部空域目标聚集带来的碰撞密集风险；同时引入多维高斯积分模型求解碰撞概率，融合相对位置偏差与误差协方差矩阵，严谨刻画两目标近距离交会的真实风险水平，两类公式相辅相成，既能实现全域空域网格化风险热力研判，又可精准解算单体目标对交会碰撞概率，为后续五级风险分级划定、观测调度与算力匹配提供标准化、可量化的核心数值依据，保障整体风险评估体系严谨可控。

28、进一步的，所述pc<10-6，最小接近距离dij>10km，相对速度vij<3km/s时，判定该天体为最低风险等级；10-6≤pc<10-4，5km

29、通过上述技术方案，明确了五级风险等级的量化判定标准，以碰撞概率、最小接近距离、相对速度三大核心指标为依据，划定各等级的具体阈值范围，实现风险等级的精准、客观划分，该判定标准逻辑清晰、阈值明确，可避免主观研判偏差，既能够精准识别极高风险碰撞隐患，也能合理区分低风险与极低风险目标，为后续分级预警、算力分配、观测调度及动态修正提供统一、可量化的判定依据，保障整个空间目标碰撞预警体系的标准化与严谨性。

30、本发明的有益效果如下：

31、1.本发明通过建立多源观测非线性解算模型、差异化轨道递推策略及量化风险判定标准，结合huber加权lm算法抑制异常数据干扰，实现空间目标碰撞风险的精准分级，解决了传统评估精度低、主观性强的问题；

32、2.本发明通过风险等级与预警、算力、观测资源及误差响应的分层适配，构建“计算-评估-调度-修正”的闭环体系，实现资源集约利用与高危目标精准防控，提升了太空态势感知与碰撞预警的时效性、实操性。