技术领域
[0001] 本
发明属于空间交通安全管理与决策领域，具体涉及一种复杂空间系统安全管理平行计算方法。
背景技术
[0002] 随着空间物体数量的不断增长，空间环境日趋复杂，研究空间交通管理问题以规范空间活动变得越来越重要。至今人类的空间活动已有58年历史，据美国空间监视网络观测(截至2016年12月)，地球附近空间物体的规模已接近7000吨。伴随着人类航天发射活动而产生的空间碎片持续威胁着
航天器和空间站的安全，航天大国都意识到空间碎片问题的严重性，并提出了一系列计划减缓空间碎片。由忧思科学家联盟公布的卫星
数据库显示，截止到2016年12月31日，在轨运行的航天器共1459个，其中运行在近地轨道的航天器为803个，运行在中地球轨道的航天器为96个，运行在地球静止轨道的航天器为522个，运行在椭圆轨道38颗。
[0003] 2016年底，超过5家具有实
力的机构提出了低轨大型
星座计划，例如OneWeb计划发射1320颗低轨航天器，波音公司计划发射2956颗低轨航天器，SpaceX计划发射11943颗低轨航天器，Telesat计划发射117颗低轨航天器，Planet计划发射67颗低轨航天器。可以预见到2025年左右，将有约16000颗新航天器进入近地轨道空间，但是这些航天器的轨道仅依据各家机构的需求而定，并没有从轨道空间安全的
角度统筹考虑，增加了航天器碰撞的
风险。
[0004] 空间环境、航天器系统的日益复杂和航天器数量的大幅增加是空间系统建设和发展必须面对的问题，为了空间系统的安全有效运行，急需一个能够模拟空间系统的计算试验环境，为空间系统的安全性分析以及管理规则的制定提供
支撑。
[0005] 本发明针对复杂空间系统安全管理与决策问题，提出一种复杂空间系统安全管理平行计算方法，该方法以人工空间系统为
基础，以计算试验为手段，以平行执行为目的，通过相互信息交互，实现模型的改进和安全控制策略的优化，为复杂空间系统的安全管理与决策提供了技术途径。由于支持实际空间系统数据的接入，使得利用本方法提出的复杂空间系统安全管理规则更加可行、有效。
发明内容
[0006] 针对
现有技术存在的
缺陷，本发明提供一种复杂空间系统安全管理平行计算方法，能够实现空间对象的Agent建模、高
精度推演、碰撞概率计算、碰撞解体计算，支持人工空间系统的计算试验，能够根据自然系统发展演化不断完善和演进，并能实现对自然系统的影响和控制。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] 本发明提供一种复杂空间系统安全管理平行计算方法，总体
框架如图1所示：
[0009] 步骤1：建立人工空间系统，包括空间对象Agent建模、高精度推演、碰撞概率计算、碰撞解体计算，计算流程如图2所示。
[0010] 步骤1.1：空间对象Agent建模：
[0011] 将建模对象分为实体对象和非实体对象两类。实体对象指在现实世界存在物理实体的对象，如空间碎片、流星体、航天器等。非实体对象指对空间系统运行具有影响的因素，如社会、政治、经济和军事竞争因素等，图3给出了空间系统的Agent对象分类。
[0012] 空间对象Agent组成要素包括：传感通信模
块、模型模块、推理机、
知识库、规则库以及属性计算模型库，传感通信模块接收外界环境的输入，推理机执行复杂推理的能力，如制定决策、进行规划等，知识库、规则库以及属性计算模型库为推理决策提供支撑，其中知识库是基础和核心，主要包括领域知识、信息域模型、认知域模型以及目标库，例如航天器进行变轨的执行策略等，规则库则是制定具体的响应规则，例如根据不同的输入条件，给出具体的控制量，属性计算模型库主要是提供各种模型，例如轨道计算采用的考虑J2项摄动的模型，高精度模型等。执行模块负责执行具体的动作。图4给出了空间对象Agent的基本结构。
[0013] 为了确保所建的人工空间系统与实际系统在整体行为上保持一致，模型等价的可信度验证是十分必要的。可以从结构合理性和行为一致性两方面验证。通过系统可信度验证，保证人工空间系统
自下而上涌现出的全局性行为与实际系统近似一致。通过对人工系统结构中存在的缺陷和差异进行调整和优化，对相应个体或系统代理的具体参数设置进行修正，从而确保人工空间系统的有效性、合理性和真实存在性，最终实现与实际空间系统的等价。
[0014] 步骤1.2：高精度推演：
[0015] 人工空间系统高精度推演以空间对象的初始运动状态为输入，综合考虑地球非球形引力、大气阻力、太阳光压、三体引力等主要摄动力，利用4阶阿达姆斯(Adams-Bashforth)预估矫正积分方法，得到空间对象未来的运动状态。
[0016] 步骤1.3：碰撞概率计算：
[0017] 在人工空间系统中，当两个空间对象之间的相对距离小于两个对象包络尺寸半径之和时，认为对象之间发生了碰撞。发生碰撞的两个空间对象，一般在交会时的相对运行速度很大且相互接近时间很短，于是将碰撞概率问题转化为三维的概率分布问题。在垂直于相对速度矢量的平面内研究碰撞概率时，又可以将三维的概率分布问题转化为二维的概率分布问题。
[0018] 将概率
密度函数在可能发生碰撞的危险区域积分，即可计算得到碰撞概率。
[0019]
[0020] 其中，Pc为空间对象的碰撞概率，π取3.1415926，P为两个空间对象相对状态的协方差矩阵，X为三维
位置和速度的状态矢量，dx为x方向的微分，dy为y方向的微分。系统采用变步长的Simpson方法计算式(1)。
[0021] 步骤1.4：碰撞解体计算：
[0022] 建立碰撞解体计算过程中，首先根据
能量定律确定解体后产生碎片的数量和碎片特征尺的分布；然后以特征尺寸作为独立变量，利用概率分布模型确定碎片的面质比、有效横截面积和速度增量；最后根据面质比和有效横截面积确定碎片
质量。
[0023] 步骤2：开展人工空间系统的计算试验，包括计算试验数据融合、基于均匀设计法的计算试验，图5给出了计算试验过程示意图。
[0024] 步骤2.1：计算试验数据融合：
[0025] 针对人工空间系统的各个Agent对象行为涌现的复杂现象，进行计算试验数据的采集，利用神经网络方法深入挖掘实际观测数据，将其作为建模的基本素材，进行数据的重组与融合，提高计算试验系统的可信度。
[0026] 步骤2.2：基于均匀设计法的计算试验：
[0027] 均匀设计法由于只考虑试验点在试验范围内的均匀散布性，因而试验次数较少，适合于多因素多
水平试验，应用范围更为广泛。经过模型的可信度验证后，可生成空间系统管理的策略、规则，作用于人工系统，根据策略和规则对象建立相应的管理效果评估方法，通过计算试验探索不同因素对空间系统的影响，例如航天发射活动对空间系统的影响，达到管理优化的目的。
[0028] 步骤3：开展人工空间系统和实际空间系统的平行执行，包括空间碎片
雪崩效应分析、空间交通管理方法制定。
[0029] 步骤3.1：空间碎片雪崩效应分析：
[0030] 空间碎片的
临界密度可以定义为：当某区域内空间物体的数量密度超过临界密度时，由于已有物体之间的相互撞击产生碎片的速度会超过该区域内碎片自然消亡的速度，碎片的总数量会不断增长。
[0031] 空间碎片数量众多，尺寸分布大小不一，通过建模仿真，反映空间碎片的轨道特性以及撞击解体分离情况，是涌现空间碎片雪崩效应的基础。在建立空间碎片环境模型的基础上，确认高风险的轨道区域是十分必要的，在这些区域，空间碎片高度密集，发生恶性碰撞的可能性就大，如果空间碎片的雪崩效应开始，极有可能发生在这些区域。而且，空间碎片的轨道演化还受到太阳活动规律的影响，例如大气阻力、太阳光压的作用，同时人类实施的空间碎片减缓计划等也对空间碎片的数量演化有着重要影响。对于同步轨道，卫星太过拥挤或失去控制能力的卫星数量过多，将干扰正常工作的卫星，提高卫星控制的成本。
[0032] 通过对人工空间系统长期演化结果分析，例如100年、200年，分析不同区域空间碎片的临界密度，探索形成雪崩效应的构成条件，从而指导实际空间系统可持续发展。
[0033] 步骤3.2：空间交通管理方法制定：
[0034] 针对日益紧张的轨道资源，例如太阳同步轨道等低轨区域，分析可利用的轨道资源。结合稀缺轨道资源的剩余情况，结合空间碎片的状态和正常的发射活动，分析未来最有可能发生灾难性碰撞的轨道高度和倾角，从而指导空间任务轨道设计。同时还可以针对地球静止轨道资源紧张的问题，分析不同卫星轨位和通信频段的影响，为静止轨道空间系统管理提供支持。制定航天器轨位的分配规则，以及航天器在轨运行规则，例如在危险区域不能随意变轨、设计逆行轨道等。设计不同轨道高度上航天器入轨以及离轨的管理规则，通过对人工空间系统多次计算试验的结果进行效能评估，优选出最优的管理方法，指导实际空间系统的发展。
[0035] 本发明提供的一种复杂空间系统安全管理平行计算方法具有以下优点：
[0036] 本发明提供的一种复杂空间系统安全管理平行计算方法，能够实现空间对象的Agent建模、高精度推演、碰撞概率计算、碰撞解体计算，支持人工空间系统的计算试验，能够根据自然系统发展演化不断完善和演进，并能实现对自然系统的影响和控制。利用实时的空间目标探测数据和空间环境监测数据等，在人工空间系统中对实际空间系统的行为进行预估，为寻找对实际系统有效的管理方案提供依据，通过平行执行，为空间系统安全管理的应用与发展探索有效的途径。
附图说明
[0037] 图1为一种复杂空间系统安全管理平行计算方法总体框架示意图；
[0038] 图2为人工空间系统的计算流程示意图；
[0039] 图3为空间系统的Agent对象分类图；
[0040] 图4为空间对象Agent的基本结构示意图；
[0041] 图5为计算试验过程示意图。
具体实施方式
[0042] 为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0043] 本发明提供一种复杂空间系统安全管理平行计算方法，总体框架如图1所示：
[0044] 步骤1：建立人工空间系统，包括空间对象Agent建模、高精度推演、碰撞概率计算、碰撞解体计算，计算流程如图2所示。
[0045] 步骤1.1：空间对象Agent建模：
[0046] 将建模对象分为实体对象和非实体对象两类。实体对象指在现实世界存在物理实体的对象，如空间碎片、流星体、航天器等。非实体对象指对空间系统运行具有影响的因素，如社会、政治、经济和军事竞争因素等，图3给出了空间系统的Agent对象分类。
[0047] 空间对象Agent组成要素包括：传感通信模块、模型模块、推理机、知识库、规则库以及属性计算模型库，传感通信模块接收外界环境的输入，推理机执行复杂推理的能力，如制定决策、进行规划等，知识库、规则库以及属性计算模型库为推理决策提供支撑，其中知识库是基础和核心，主要包括领域知识、信息域模型、认知域模型以及目标库，例如航天器进行变轨的执行策略等，规则库则是制定具体的响应规则，例如根据不同的输入条件，给出具体的控制量，属性计算模型库主要是提供各种模型，例如轨道计算采用的考虑J2项摄动的模型，高精度模型等。执行模块负责执行具体的动作。图4给出了空间对象Agent的基本结构。
[0048] 为了确保所建的人工空间系统与实际系统在整体行为上保持一致，模型等价的可信度验证是十分必要的。可以从结构合理性和行为一致性两方面验证。通过系统可信度验证，保证人工空间系统自下而上涌现出的全局性行为与实际系统近似一致。通过对人工系统结构中存在的缺陷和差异进行调整和优化，对相应个体或系统代理的具体参数设置进行修正，从而确保人工空间系统的有效性、合理性和真实存在性，最终实现与实际空间系统的等价。
[0049] 步骤1.2：高精度推演：
[0050] 人工空间系统高精度推演以空间对象的初始运动状态为输入，综合考虑地球非球形引力、大气阻力、太阳光压、三体引力等主要摄动力，利用4阶阿达姆斯(Adams-Bashforth)预估矫正积分方法，得到空间对象未来的运动状态。
[0051] 步骤1.3：碰撞概率计算：
[0052] 在人工空间系统中，当两个空间对象之间的相对距离小于两个对象包络尺寸半径之和时，认为对象之间发生了碰撞。发生碰撞的两个空间对象，一般在交会时的相对运行速度很大且相互接近时间很短，于是将碰撞概率问题转化为三维的概率分布问题。在垂直于相对速度矢量的平面内研究碰撞概率时，又可以将三维的概率分布问题转化为二维的概率分布问题。
[0053] 将概率密度函数在可能发生碰撞的危险区域积分，即可计算得到碰撞概率。
[0054]
[0055] 其中，Pc为空间对象的碰撞概率，π取3.1415926，P为两个空间对象相对状态的协方差矩阵，X为三维位置和速度的状态矢量，dx为x方向的微分，dy为y方向的微分。系统采用变步长的Simpson方法计算式(1)。
[0056] 步骤1.4：碰撞解体计算：
[0057] 建立碰撞解体计算过程中，首先根据能量定律确定解体后产生碎片的数量和碎片特征尺的分布；然后以特征尺寸作为独立变量，利用概率分布模型确定碎片的面质比、有效横截面积和速度增量；最后根据面质比和有效横截面积确定碎片质量。
[0058] 步骤2：开展人工空间系统的计算试验，包括计算试验数据融合、基于均匀设计法的计算试验，图5给出了计算试验过程示意图。
[0059] 步骤2.1：计算试验数据融合：
[0060] 针对人工空间系统的各个Agent对象行为涌现的复杂现象，进行计算试验数据的采集，利用神经网络方法深入挖掘实际观测数据，将其作为建模的基本素材，进行数据的重组与融合，提高计算试验系统的可信度。
[0061] 步骤2.2：基于均匀设计法的计算试验：
[0062] 均匀设计法由于只考虑试验点在试验范围内的均匀散布性，因而试验次数较少，适合于多因素多水平试验，应用范围更为广泛。经过模型的可信度验证后，可生成空间系统管理的策略、规则，作用于人工系统，根据策略和规则对象建立相应的管理效果评估方法，通过计算试验探索不同因素对空间系统的影响，例如航天发射活动对空间系统的影响，达到管理优化的目的。
[0063] 步骤3：开展人工空间系统和实际空间系统的平行执行，包括空间碎片雪崩效应分析、空间交通管理方法制定。
[0064] 步骤3.1：空间碎片雪崩效应分析：
[0065] 空间碎片的临界密度可以定义为：当某区域内空间物体的数量密度超过临界密度时，由于已有物体之间的相互撞击产生碎片的速度会超过该区域内碎片自然消亡的速度，碎片的总数量会不断增长。
[0066] 空间碎片数量众多，尺寸分布大小不一，通过建模仿真，反映空间碎片的轨道特性以及撞击解体分离情况，是涌现空间碎片雪崩效应的基础。在建立空间碎片环境模型的基础上，确认高风险的轨道区域是十分必要的，在这些区域，空间碎片高度密集，发生恶性碰撞的可能性就大，如果空间碎片的雪崩效应开始，极有可能发生在这些区域。而且，空间碎片的轨道演化还受到太阳活动规律的影响，例如大气阻力、太阳光压的作用，同时人类实施的空间碎片减缓计划等也对空间碎片的数量演化有着重要影响。对于同步轨道，卫星太过拥挤或失去控制能力的卫星数量过多，将干扰正常工作的卫星，提高卫星控制的成本。
[0067] 通过对人工空间系统长期演化结果分析，例如100年、200年，分析不同区域空间碎片的临界密度，探索形成雪崩效应的构成条件，从而指导实际空间系统可持续发展。
[0068] 步骤3.2：空间交通管理方法制定：
[0069] 针对日益紧张的轨道资源，例如太阳同步轨道等低轨区域，分析可利用的轨道资源。结合稀缺轨道资源的剩余情况，结合空间碎片的状态和正常的发射活动，分析未来最有可能发生灾难性碰撞的轨道高度和倾角，从而指导空间任务轨道设计。同时还可以针对地球静止轨道资源紧张的问题，分析不同卫星轨位和通信频段的影响，为静止轨道空间系统管理提供支持。制定航天器轨位的分配规则，以及航天器在轨运行规则，例如在危险区域不能随意变轨、设计逆行轨道等。设计不同轨道高度上航天器入轨以及离轨的管理规则，通过对人工空间系统多次计算试验的结果进行效能评估，优选出最优的管理方法，指导实际空间系统的发展。
[0070] 本发明提供的一种复杂空间系统安全管理平行计算方法，通过人工空间系统建模，对具体的空间系统管理规则等进行试验，而且可以在几乎无成本无风险的情况下重复试验，进而对实际空间系统管理策略进行全面、准确、及时的评估和修正。在平行管理系统构建的基础上，结合真实观测数据、人在回路、实时运控等手段，完成空间系统的全面评估。通过实时接入空间对象的观测数据，并通过数据重组，使得实时数据能够成为计算试验的关键组成部分，实现空间系统的安全有效运行和空间资源的有效利用。
[0071] 具体具有以下优点：
[0072] (1)提供了一种复杂空间系统安全管理的新方法
[0073] 利用平行计算方法，将人工空间系统作为空间安全管理的试验平台，通过接入实际空间系统观测数据，对人工空间系统的模型进行校验，在此基础上，在人工空间系统中开展大量的计算试验，对各种空间安全管理规则进行计算、分析与评估，遴选出最优的管理策略，从而指导实际空间系统的发展。
[0074] (2)本发明支持空间碎片临界密度分析
[0075] 在人工空间系统中，支持空间对象的高精度长期演化、碰撞概率计算、碰撞解体计算，同时结合未来的航天发射活动影响，可以探索空间碎片的临界密度，一旦空间碎片密度超过临界密度，就有可能发生碰撞级联效应，即雪崩效应，从而导致空间系统不可用。因此，分析空间碎片临界密度意义重大。
[0076] (3)能够提供危险轨道的高度和倾角范围
[0077] 通过对人工空间系统数据的融合处理，可以统计出危险轨道的高度和倾角范围，从而指导实际空间系统的发展，例如尽可能避免往危险轨道部署新的卫星，避免发生空间对象碰撞事件。
[0078] (4)提供了空间系统管理策略的制定和管理效果评估的计算试验环境[0079] 目前，空间系统安全管理缺乏系统、科学、有效的工具和方法，本发明以人工空间系统为基础，以计算试验为手段，以平行执行为目的，通过相互信息交互，实现模型的改进和安全控制策略的优化，为复杂空间系统的安全管理与决策提供了技术途径。
[0080] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
