ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA >
Threat avoidance strategy of spacecraft maneuvering approach based on orbital reachable domain
Received date: 2023-03-31
Revised date: 2023-04-28
Accepted date: 2023-05-12
Online published: 2023-05-15
Supported by
National Natural Science Foundation of China(12125207);Young Elite Scientists Sponsorship Program(2021-JCJQ-QT-047)
In the face of the increasingly complex space security situation， this paper proposes an approach based on spacecraft reachable domain for spacecraft maneuvering approach threat calculation， assessment， and avoidance. Firstly， a general method to solve the reachable domain for spacecraft with single limited-magnitude impulse based on the reachable criterion is presented. Secondly， the region in the threat domain of on-orbit spacecraft is calculated by judging the position relationship between its orbit and the reachable domain of incoming maneuvering spacecraft which is the danger area. Thirdly， a threat evaluation index is defined by means of the time two spacecraft enter and exit the danger area. The threat of on-orbit spacecraft is measured from two aspects： position matching and time window matching. Based on minimizing the danger area， an active avoidance strategy of spacecraft with optimum multi-impulses maneuver is given to avoid the danger area. The simulations show that the on-orbit spacecraft can avoid the danger area while satisfying the given constraint conditions， and return to the proper orbit with minimum fuel consumption.
Sai ZHANG , Zhen YANG , Xiangnan DU , Yazhong LUO . Threat avoidance strategy of spacecraft maneuvering approach based on orbital reachable domain[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2024 , 45(4) : 328778 -328778 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2023.28778
| 1 | KLISAUSKAITE V. China Space Station avoids near-collision with Starlink satellites［EB/OL］. （2021-12-29）［2023-03-29］. . |
| 2 | 籍润泽， 陈国玖， 张瑜， 等. 美国太空军建设发展动向研究［J］. 中国航天， 2022（10）： 56-61. |
| JI R Z， CHEN G J， ZHANG Y， et al. Development trend of the US space force［J］. Aerospace China， 2022（10）： 56-61 （in Chinese）. | |
| 3 | 高振良， 孙小凡， 刘育强， 等. 航天器在轨延寿服务发展现状与展望［J］. 航天器工程， 2022， 31（4）： 98-107. |
| GAO Z L， SUN X F， LIU Y Q， et al. Development and prospect of spacecraft on-orbit life extension servicing［J］. Spacecraft Engineering， 2022， 31（4）： 98-107 （in Chinese）. | |
| 4 | 张赛， 杨震， 罗亚中. 地固系下航天器单脉冲轨道机动可达域求解算法［J］. 力学与实践， 2022， 44（6）： 1286-1296. |
| ZHANG S， YANG Z， LUO Y Z. An algorithm for solving spacecraft reachable domain with single-impulse maneuvering in ECEF coordinate system［J］. Mechanics in Engineering， 2022， 44（6）： 1286-1296 （in Chinese）. | |
| 5 | CARUSO A， NICCOLAI L， QUARTA A A， et al. Envelopes of spacecraft trajectories with a single impulse［J］. Aerotecnica Missili & Spazio， 2019， 98（4）： 293-299. |
| 6 | VINH N X， GILBERT E G， HOWE R M， et al. Reachable domain for interception at hyperbolic speeds［J］. Acta Astronautica， 1995， 35（1）： 1-8. |
| 7 | BATTIN R H. An introduction to the mathematics and methods of astrodynamics［M］. Revised edition. Reston： AIAA， 1999. |
| 8 | XUE D， LI J F， BAOYIN H X， et al. Reachable domain for spacecraft with a single impulse［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2010， 33（3）： 934-942. |
| 9 | WEN C X， ZHAO Y S， SHI P. Precise determination of reachable domain for spacecraft with single impulse［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2014， 37（6）： 1767-1779. |
| 10 | 杜向南， 杨震. 航天器单脉冲机动可达域求解算法［J］. 力学学报， 2020， 52（6）： 1621-1631. |
| DU X N， YANG Z. An algorithm for solving spacecraft reachable domain with single-impulse maneuvering［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2020， 52（6）： 1621-1631 （in Chinese）. | |
| 11 | ZHANG H Y， ZHANG G. Reachable domain of ground track with a single impulse［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2021， 57（2）： 1105-1122. |
| 12 | WEN C X， GAO Y， SHI H. Three-dimensional relative reachable domain with initial state uncertainty in Gaussian distribution［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2019， 233（5）： 1555-1570. |
| 13 | XIA C Y， ZHANG G， GENG Y H. Reachable domain with a single coplanar impulse considering the target-visit constraint［J］. Advances in Space Research， 2022， 69（10）： 3847-3855. |
| 14 | WEN C X， QIAO D. Calculating collision probability for long-term satellite encounters through the reachable domain method［J］. Astrodynamics， 2022， 6（2）： 141-159. |
| 15 | 温昶煊. 面向空间态势感知的可达范围理论与应用研究［D］. 北京： 北京航空航天大学， 2015. |
| WEN C X. Space situational awareness oriented research on theory and application of reachable domain［D］. Beijing： Beihang University， 2015 （in Chinese）. | |
| 16 | GONG H R， GONG S P， LI J F. Pursuit–evasion game for satellites based on continuous thrust reachable domain［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2020， 56（6）： 4626-4637. |
| 17 | VENIGALLA C， SCHEERES D J. Delta-V-based analysis of spacecraft pursuit–evasion games［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2021， 44（11）： 1961-1971. |
| 18 | 杜向南. 航天器机动可达域表征与威胁规避［D］. 长沙： 国防科技大学， 2021. |
| DU X N. Characterization of spacecraft maneuverability and threat avoidance［D］.Changsha： National University of Defense Technology， 2021 （in Chinese）. | |
| 19 | LI J S， YANG Z， LUO Y Z. A review of space-object collision probability computation methods［J］. Astrodynamics， 2022， 6（2）： 95-120. |
| 20 | LE MAY S， GEHLY S， CARTER B A， et al. Space debris collision probability analysis for proposed global broadband constellations［J］. Acta Astronautica， 2018， 151： 445-455. |
| 21 | 于大腾， 王华， 孙福煜. 考虑潜在威胁区的航天器最优规避机动策略［J］. 航空学报， 2017， 38（1）： 320202. |
| YU D T， WANG H， SUN F Y. Optimal evasive maneuver strategy with potential threatening area being considered［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（1）： 320202 （in Chinese）. | |
| 22 | ZHOU W M， WANG H， TANG G J， et al. Inverse simulation system for manual-controlled rendezvous and docking based on artificial neural network［J］. Advances in Space Research， 2016， 58（6）： 938-949. |
| 23 | 于大腾， 王华， 周晚萌. 考虑空间几何关系的反交会规避机动方法［J］. 国防科技大学学报， 2016， 38（6）： 89-94. |
| YU D T， WANG H， ZHOU W M. Anti-rendezvous evasive maneuver method considering space geometrical relationship［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2016， 38（6）： 89-94 （in Chinese）. | |
| 24 | WANG S Q， SCHAUB H. Spacecraft collision avoidance using coulomb forces with separation distance and rate feedback［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2008， 31（3）： 740-750. |
| 25 | 郑重， 宋申民. 考虑避免碰撞的编队卫星自适应协同控制［J］. 航空学报， 2013， 34（8）： 1934-1943. |
| ZHENG Z， SONG S M. Adaptive coordination control of satellites within formation considering collision avoidance［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2013， 34（8）： 1934-1943 （in Chinese）. | |
| 26 | 赵力冉， 党朝辉， 张育林. 空间轨道博弈： 概念、原理与方法［J］. 指挥与控制学报， 2021， 7（3）： 215-224. |
| ZHAO L R， DANG Z H， ZHANG Y L. Orbital game： Concepts， principles and methods［J］. Journal of Command and Control， 2021， 7（3）： 215-224 （in Chinese）. | |
| 27 | 许旭升， 党朝辉， 宋斌， 等. 基于多智能体强化学习的轨道追逃博弈方法［J］. 上海航天（中英文）， 2022， 39（2）： 24-31. |
| XU X S， DANG Z H， SONG B， et al. Method for cluster satellite orbit pursuit-evasion game based on multi-agent deep deterministic policy gradient algorithm［J］. Aerospace Shanghai （Chinese & English）， 2022， 39（2）： 24-31 （in Chinese）. | |
| 28 | HAN H Y， DANG Z H. Optimal delta-V-based strategies in orbital pursuit-evasion games［J］. Advances in Space Research， 2023， 72（2）： 243-256. |
| 29 | ZHAO L R， ZHANG Y L， DANG Z H. PRD-MADDPG： An efficient learning-based algorithm for orbital pursuit-evasion game with impulsive maneuvers［J］. Advances in Space Research， 2023， 72（2）： 211-230. |
| 30 | LI Z Y， ZHU H， YANG Z， et al. A dimension-reduction solution of free-time differential games for spacecraft pursuit-evasion［J］. Acta Astronautica， 2019， 163： 201-210. |
| 31 | ZHU Y H， LUO Y Z， ZHANG J. Packing programming of space station spacewalk events based on bin packing theory and differential evolution algorithm［C］∥ 2016 IEEE Corgress on Evolutionary Computation （CEC）. Piscataway： IEEE Press， 2016： 877-884. |
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