[發(fā)明專利]一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)混合高斯航天器軌道誤差演化方法

在審

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• 申請日: 2021-11-22
• 公開（公告）號: CN114329887A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 喬棟;周星宇;李翔宇;賈飛達(dá);朱天昊
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王松

本發(fā)明公開的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)混合高斯航天器軌道誤差演化方法，屬于空間技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明實現(xiàn)方法為：建立航天器軌道的動力學(xué)模型，根據(jù)任務(wù)需求給定航天器的初始條件；使用混合高斯表征航天器進(jìn)行軌道誤差分布，對于每個子高斯分布，使用協(xié)方差矩陣的最大特征值表征非高斯程度，進(jìn)而判斷是否需進(jìn)行拆分，即動態(tài)調(diào)整混合高斯中子高斯分布數(shù)目；根據(jù)當(dāng)前分布，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式，使用動態(tài)克里金代理模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到軌道遞推的近似模型；基于確定性采樣準(zhǔn)則，使用近似模型遞推每個子高斯分布；應(yīng)用本發(fā)明對航天器軌道誤差演化進(jìn)行分析，進(jìn)而解決軌道設(shè)計、軌道優(yōu)化、軌道確定、碰撞概率分析等工程問題，具有預(yù)測精度高、效率高的優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于預(yù)報航天器軌道誤差不確定性的方法，尤其涉及一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)混合高斯航天器軌道誤差演化方法，屬于空間技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，人類的空間活動越來越頻繁。軌道狀態(tài)以及動力學(xué)是研究航天器運動的基礎(chǔ)。在實際工程中，由于存在導(dǎo)航控制誤差，航天器的軌道狀態(tài)存在誤差，因此有必要對航天器的軌道誤差演化進(jìn)行研究。軌道誤差演化即為給定初始時刻軌道狀態(tài)不確定性分布，預(yù)測未來給定時刻的軌道狀態(tài)不確定性分布。通過軌道誤差演化預(yù)測軌道狀態(tài)不確定性分布，不僅可以計算狀態(tài)概率，同時也有助于分析軌道穩(wěn)定性以及導(dǎo)航制導(dǎo)控制方案的設(shè)計。當(dāng)前，軌道誤差演化已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軌道設(shè)計、軌道優(yōu)化、軌道確定、碰撞概率分析等領(lǐng)域。常見的軌道誤差演化方法都是基于線性動力學(xué)，對于非高斯誤差分布的預(yù)報精度較低，而現(xiàn)實中的動力學(xué)均為非線性，其對應(yīng)的狀態(tài)誤差為非高斯分布。動態(tài)混合高斯是一種給有效預(yù)報非高斯誤差分布的方法。動態(tài)混合高斯方法通過將狀態(tài)空間切割，使用多個子高斯之和近似非高斯誤差分布，具有較高的精度。然而，動態(tài)混合高斯方法存在計算量大的問題，該方法需要對每個子高斯分布進(jìn)行遞推，且子高斯分布數(shù)量隨時間通常呈指數(shù)增加。因此為了降低軌道誤差演化的計算量，有必要研究精準(zhǔn)、高效的軌道誤差演化方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對非線性動力學(xué)下航天器軌道非高斯誤差演化問題，本發(fā)明公開的數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)混合高斯軌道誤差演化方法主要解決的技術(shù)問題為：通過數(shù)據(jù)驅(qū)動降低動態(tài)混合高斯方法的計算量，實現(xiàn)非線性動力學(xué)下航天器非高斯誤差演化，預(yù)測航天器軌道狀態(tài)的不確定性分布，從而在航天器軌道的構(gòu)建過程中回避不穩(wěn)定區(qū)域、支撐航天器的導(dǎo)航制導(dǎo)，提高航天器工作的效率與自主性。本發(fā)明使用動態(tài)混合高斯方法對航天器軌道非高斯誤差分布進(jìn)行遞推，根據(jù)軌道誤差的不確定性分布的非高斯程度使用不同數(shù)量的子高斯分布進(jìn)行近似，相比于常規(guī)的線性方法顯著提升預(yù)報精度；在遞推過程中，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法、使用動態(tài)克里金代理模型，訓(xùn)練航天器軌道遞推的近似模型，進(jìn)而基于訓(xùn)練得到的近似模型，對動態(tài)混合高斯中每個子高斯進(jìn)行遞推，該近似模型相比于真實軌道模型，計算量大幅降低，因此能夠顯著提升預(yù)測的效率。應(yīng)用本發(fā)明對航天器軌道誤差演化進(jìn)行分析，進(jìn)而解決航天器軌道領(lǐng)域相關(guān)工程問題。所述航天器軌道領(lǐng)域相關(guān)工程問題包括軌道設(shè)計、軌道優(yōu)化、軌道確定、碰撞概率分析等。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

本發(fā)明公開的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)混合高斯航天器軌道誤差演化方法，建立航天器軌道的動力學(xué)模型，并根據(jù)任務(wù)需求給定航天器的初始條件。然后使用混合高斯表征航天器進(jìn)行軌道誤差分布，對于每個子高斯分布，使用協(xié)方差矩陣的最大特征值表征非高斯程度，進(jìn)而判斷是否需進(jìn)行拆分，即動態(tài)調(diào)整混合高斯中子高斯分布數(shù)目。根據(jù)當(dāng)前分布，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式，使用動態(tài)克里金代理模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到軌道遞推的近似模型。基于確定性采樣準(zhǔn)則，使用得到的近似模型遞推每個子高斯分布。此外，在應(yīng)用本發(fā)明預(yù)測構(gòu)型穩(wěn)定性指標(biāo)演化時，預(yù)測精度高、效率高。

本發(fā)明公開的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)混合高斯航天器軌道誤差演化方法，包括如下步驟：