一种撞击近地小行星的方法

1.本发明属于航空航天小行星防御领域，具体涉及一种撞击近地小行星的方法。


背景技术：

2.动能撞击防御小行星在轨验证任务通常需要间隔一段时间多次到达小行星分别进行探测、撞击和评估，往往需要使用多枚运载火箭发射多个探测器，对于运载成本和任务轨道提出了较高的要求。
3.目前国际上仅有一次专门设计的动能撞击小行星轨道偏转在轨验证的任务，美欧联合实施的aida(asteroid impact&deflection assessment，小行星撞击与偏转评估)任务，利用两发运载火箭分别发射两个飞行器完成撞击(dart)和效果评估(hera)。综合利用了地基光学望远镜和雷达测量光度变化和小行星轨道变化，在轨释放立方星监测撞击过程、以及单独发射的hera任务对动量传递和轨道偏转效果进行详细评估。
4.但该任务模式存在如下问题：一是仅适用于特性信息丰富的大尺寸小行星，对于大量小尺寸小行星，无法利用地基设备获取其详细特性信息，如果在撞击前无法获得有效的特性信息，难以保证精确击中小行星，也不利于评估动量传递和轨道偏转效果；二是由于当时火箭的运载能力、卫星变轨能力有限，且小行星在撞击后需要一定时间才能有较明显的偏转效果，一发火箭难以完成撞击偏转和效果评估的要求，需要两发火箭间隔一段时间分别进行撞击和效果评估任务，成本较高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，克服传统动能撞击在轨验证与评估任务需要多发火箭成本高、撞击前未实施抵近探测无法为精确撞击小尺寸小行星提供足够的特性信息支持、直接动能撞击难以精确评估动量传递因子和轨道偏转效果等的缺陷。
6.为了实现上述目的，本发明提出了一种撞击近地小行星的方法，其特征在于，利用pock-chop图确定发射窗口，设置优化变量的范围，依据动力学模型计算观测器和撞击器的轨道，得到任务节点的位置速度参数；利用遗传算法与局部搜索相结合的模型进行优化，得到小行星偏转距离最大的任务轨道模型，确定发射时刻和撞击时刻。
7.作为上述方法的一种改进，所述动力学模型考虑以太阳为中心的二体引力模型，和包括八大行星和冥王星、月球的第三体引力摄动模型，计算公式如下：
[0008][0009]
其中，r为航天器或小行星的日心距离；u为引力常数；di为第i颗行星的日心距离；r
′i表示第i颗行星到航天器或小行星的位置矢量；i从1到10分别代表水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星和月球；a
re
表示相对论效应导致的摄动加速度，是在高速问题中，广义相对论对牛顿力学的修正。
[0010]
作为上述方法的一种改进，采用所述的动力学模型，选取的优化变量为发射时刻
td和撞击时刻ti；
[0011][0012]
优化目标为小行星的偏转距离r
ca
，约束考虑发射c3、撞击时航天器质量m
sc
(ti)、发射场赤纬de和撞击时小行星视星等v：
[0013][0014]
subject to c3《50,de》28.5,m
sc
(ti)》750,v《24
[0015]
利用pock-chop图确定发射窗口后，参考发射窗口设置优化变量td和ti的范围，在模型中设置如下罚函数对优化进行约束：考虑火箭运载能力的约束发射c3不能超过50km2/s2；考虑发射场约束，发射赤纬不能低于28.5
°
；考虑偏转效果，撞击器质量不能低于750kg；考虑地面可观测性，撞击时刻小行星视星等不能大于24；在上述约束下，优化td和ti，找到偏转距离最大的解；
[0016]
采用遗传算法与局部最优搜索相结合的优化算法，在遗传算法中每隔多代将最优个体所在区间进行一次局部最优搜索，将本代中的最优个体替换为局部最优搜索的结果，在下一代遗传算法中作为亲代进行优化。
[0017]
作为上述方法的一种改进，所述遗传算法与局部最优搜索相结合的优化算法具体流程为：
[0018]
第一步，在优化变量的给定范围内生成初始种群；
[0019]
第二步，判断约束条件是否符合，符合则继续；不符合则直接利用罚函数计算优化目标；
[0020]
第三步，利用高精度轨道递推模型计算偏转后小行星的近地距离；
[0021]
第四步，判断代数是否为5的倍数，是则进行一次局部最优搜索，将本代最优个体进行替换后输出作为下一代的亲代种群；否则直接进入下一代计算；
[0022]
第五步，判断是否符合终止条件，符合则停止，输出结果；不符则进行新一轮优化。
[0023]
作为上述方法的一种改进，确定发射窗口后，利用轨道转移模型确定探测、撞击和评估的任务节点时间。
[0024]
作为上述方法的一种改进，采用圆锥曲线拼接法进行所述轨道转移模型的设计。
[0025]
作为上述方法的一种改进，包括：
[0026]
1、利用pock-chop图确定发射窗口；
[0027]
2、一箭双星进入共振轨道；一箭双星发射撞击器和观测器进入小行星共振轨道；
[0028]
3、观测器飞越小行星进行探测；
[0029]
4、撞击器撞击小行星，观测器监控撞击过程；
[0030]
5、观测器重访飞越，评估撞击效果；每隔一个共振周期，观测器重访飞越小行星进行观测评估。
[0031]
本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述的方法。
[0032]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如上述任一项所述的方法。
[0033]
与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0034]
1、基于pock-chop图的小行星共振轨道设计方法，快速锁定能够实现共振轨道的发射窗口，减小计算量；
[0035]
2、提出了一种基于共振轨道的近地小行星抵近探测、动能撞击与偏转评估方法，利用一发火箭在3到5年完成“探测-撞击-评估”任务，可以实现低成本、高效率完成动能撞击在轨验证任务；
[0036]
3、任务在撞击前对小行星进行抵近探测，为精确撞击小尺寸小行星提供足够的特性信息支持，且能够提前获知小行星大小、密度等物理性质，有利于精确计算动能传递因子和评估偏转效果。
[0037]
4、撞击时天基观测器监测撞击过程，同时地基望远镜也可以观测撞击情况；撞击后可以实现天地联合观测，天基观测器定期重访飞越，地基望远镜在其可见时进行观测，有利于精确评估偏转效果。
附图说明
[0038]
图1所示为撞击近地小行星方法的运行示意图；
[0039]
图2所示为撞击近地小行星方法流程图；
[0040]
图3所示为小行星2019vl5的pock-chop图；
[0041]
图4所示为小行星2005es70的pock-chop图；
[0042]
图5所示为转移模型示意图；
[0043]
图6所示为优化算法流程图。
具体实施方式
[0044]
本发明针对传统动能在轨验证任务需要多发火箭成本高、撞击前未实施抵近探测无法为精确撞击小尺寸小行星提供足够的特性信息支持、直接动能撞击难以精确评估动量传递因子和轨道偏转效果等问题，利用共振轨道的特性，实现了一发火箭在较短时间内完成“探(抵近探测获取物理化学特性)-撞(动能撞击偏转小行星轨道)-评(天地联合效果评估)”的任务模式。
[0045]
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0046]
如图1和图2所示，本发明方法具体为：
[0047]
从地球一箭双星发射撞击器和观测器进入小行星共振轨道，首先飞越小行星，实施近距离抵近探测，利用可见光/红外相机和光谱仪获取小行星的精确轨道、地形地貌、光谱类型、反射率、大小、形状和自转等信息，可以释放立方星，测量小行星的质量。
[0048]
然后撞击器和观测器在撞击前分离，撞击器撞击，观测器监测撞击过程，获取小行星精确轨道，开展成像和光谱探测，获取撞击坑形态和溅射物的分布、物质成份等。
[0049]
最后观测器进行重访飞越，获取精确轨道，撞击坑形态，溅射物分布，评估动量传递因子和轨道偏转效果。之后每隔一个共振周期，观测器都能够再次重访飞越，获得更为准确可靠的数据，有利于更加精确的评估动量传递因子和轨道偏转效果。
[0050]
本发明中，共振轨道的设计首先需要绘制小行星的pock-chop图，依据pock-chop图寻找初步的发射窗口并判断该小行星是否适合作为任务目标。确定任务目标的发射窗口
后，利用轨道转移模型确定探测、撞击和评估的任务节点，选择合适的动力学模型计算每段轨道，得到任务节点处的位置速度等参数。参考pock-chop图确定的初步发射窗口，设置优化变量的范围，利用遗传算法与局部搜索相结合的模型进行优化，得到在运载能力等约束下小行星偏转距离最大的任务轨道模型。
[0051]
本发明用到的计算模型如下：
[0052]
1)绘制小行星的pock-chop图
[0053]
对于轨道周期与地球公转周期共振，同时轨道不确定性低且观测数据较多、尺寸在20-50m之间的小行星，根据飞行器发射时间、到达小行星时间、发射c3、转移轨道周期和飞越小行星时飞行器相对小行星的速度绘制pock-chop图，找到初步的发射窗口，根据发射窗口并结合该小行星已知的物理性质和轨道参数判断该小行星是否适合作为目标。
[0054]
以小行星2019vl5和2005es70为例，发射时间2025年1月-2026年12月，转移时间50-365天，与地球共振比分别为1:1和3:2的pock-chop图见图3和图4。
[0055]
2)轨道转移模型
[0056]
本发明转移模型具体如图5所示：在发射时刻，飞行器从地球逃逸进入小行星共振轨道，在飞越探测时刻第一次飞越小行星，在一个共振周期后的撞击时刻撞击器撞击小行星，同时观测器监测撞击过程，然后再经过一个共振周期后，观测器重访飞越小行星，评估其偏转效果。
[0057]
本发明采用圆锥曲线拼接法进行轨道转移模型的设计。圆锥曲线拼接法的基本思想为将航天器的轨道根据影响球的边界简化为几段二体问题进行初步设计，在各行星的影响球内认为仅受此行星引力影响，飞行器以该行星为中心运动，在影响球的边界，两段轨迹的衔接是以前一段的终点状态为下一段飞行的初始状态而统一起来的。圆锥曲线拼接法通常用于深空轨道初步设计，可达到提高设计效率的目的。如图5所示，本发明在地球发射到飞越探测阶段求解了兰伯特问题，可以由始末位置和转移时间直接求解始末速度，现有多种通用的简化数值求解方法。本发明其他任务阶段的设计均采用高精度轨道动力学模型进行了递推。
[0058]
3)轨道动力学模型
[0059]
本发明采用高精度轨道动力学数值模型，主要考虑了以太阳为中心的二体引力模型；包括八大行星和冥王星、月球的第三体引力摄动模型，相对论效应。高精度动力学模型表达式如下：
[0060][0061]
其中r为航天器或小行星的日心距离；u为引力常数；di为第i颗行星的日心距离；r
′i表示第i颗行星到航天器或小行星的位置矢量；i从1到10分别代表水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星和月球；a
re
表示相对论效应导致的摄动加速度，是在高速问题中，广义相对论对牛顿力学的修正。行星和月球的星历均由jpl de430星历得到，小行星初始位置参考了jpl网站(https://www.jpl.nasa.gov/)公布的数据，撞击时刻位置由初始位置进行轨道递推得到。
[0062]
4)优化模型
[0063]
采用上文所述的动力学模型，本发明选取的优化变量为发射时刻td和撞击时刻ti；
[0064][0065]
优化目标为小行星的偏转距离r
ca
，约束考虑发射c3、撞击时航天器质量m
sc
(ti)、发射场赤纬de和撞击时小行星视星等v：
[0066][0067]
subject to c3《50,de》28.5,m
sc
(ti)》750,v《24
[0068]
利用pock-chop图初步确定发射窗口后，参考发射窗口设置优化变量td和ti的范围，在模型中设置如下罚函数对优化进行约束：考虑火箭运载能力的约束发射c3不能超过50km2/s2；考虑发射场约束，发射赤纬不能低于28.5
°
；考虑偏转效果，撞击器质量不能低于750kg；考虑地面可观测性，撞击时刻小行星视星等不能大于24。在上述约束下，优化td和ti，找到偏转距离最大的解。
[0069]
本发明采用遗传算法+局部最优搜索的优化算法，在遗传算法中每隔5代将最优个体所在区间进行一次局部最优搜索，将本代中的最优个体替换为局部最优搜索的结果，在下一代遗传算法中作为亲代进行优化，如图6所示：
[0070]
具体流程为：
[0071]
第一步，在优化变量的给定范围内生成初始种群；
[0072]
第二步，判断约束条件是否符合，符合则继续；不符合则直接利用罚函数计算优化目标；
[0073]
第三步，利用高精度轨道递推模型计算偏转后小行星的近地距离；
[0074]
第四步，判断代数是否为5的倍数，是则进行一次局部最优搜索，将本代最优个体进行替换后输出作为下一代的亲代种群；否则直接进入下一代计算；
[0075]
第五步，判断是否符合终止条件，符合则停止，输出结果；不符则进行新一轮优化。
[0076]
完成小行星的撞击探测评估后，即可进行动能传递因子的计算，公式如下：
[0077][0078]
其中δv
ast
为撞击前后小行星速度改变量，β为动能传递因子，m
ki
为撞击器质量，m
ast
为小行星质量，v
ki
和v
ast
分别为撞击时撞击器和小行星的速度。在理想的完全弹性碰撞中，β通常取1；但在实际情况中，不同类型的小行星，其材质、表面形状、撞击后溅射物分布情况等都不相同，需要在撞击前通过飞越探测获取小行星精确质量(密度)、自转信息、表面形状等参数，在撞击后重访飞越小行星，获取其溅射物分布、轨道偏转等信息来计算精确的动能传递因子。
[0079]
本发明针对传统动能在轨验证任务需要多发火箭成本高、撞击前未实施抵近探测无法为精确撞击小尺寸小行星提供足够的特性信息支持、直接动能撞击难以精确评估动量传递因子和轨道偏转效果等问题，提出了一种基于共振轨道的近地小行星抵近探测、动能撞击与偏转评估方法。首先绘制小行星pock-shop图，快速锁定发射窗口。然后一箭双星发射观测器和撞击器进入小行星共振轨道，观测器在撞击前对小行星进行飞越探测，提前获知小行星大小、密度等物理性质，有利于精确撞击小尺寸小行星，且便于精确分析计算任务的关键参数“动能传递因子”和评估偏转效果。与观测器分离后撞击器撞击小行星，同时观测器对撞击过程进行监测并记录数据。撞击后观测器定期重访飞越小行星，对撞击效果进行评估。该任务模式仅需要一发火箭，在3到5年内可以完成“探测-撞击-评估”，能够低成
本、高效率的完成动能撞击在轨验证任务。本发明建立了高精度轨道动力学模型和遗传算法与局部搜索的优化模型，对任务进行了仿真优化和效能评估。仿真结果表明，在考虑运载和发射场约束的情况下，以小行星2019vl5和2005es70为例，二者与地球共振比分别为1:1和3:2，前者使用长三丙运载火箭(发射c3为1.37km2/s2，对应运载能力2400kg)，可在3年内完成一次“探-撞-评”任务，撞击速度可达9km/s，撞击后首次飞越重访时小行星偏转距离可达7745km；后者使用长三乙运载火箭(发射c3为9.4km2/s2，对应运载能力2700kg)，可在5年内完成一次“探-撞-评”任务，撞击速度可达10km/s，撞击后首次飞越重访时小行星偏转距离可达804km。综上，基于共振轨道的近地小行星抵近探测、动能撞击与偏转评估是一种能够提高任务效率、弥补地基观测不足的任务模式。
[0080]
本发明还可提供的一种计算机设备，包括：至少一个处理器、存储器、至少一个网络接口和用户接口。该设备中的各个组件通过总线系统耦合在一起。可理解，总线系统用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。
[0081]
其中，用户接口可以包括显示器、键盘或者点击设备(例如，鼠标，轨迹球(track ball)、触感板或者触摸屏等。
[0082]
可以理解，本技术公开实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read-only memory，rom)、可编程只读存储器(programmable rom，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable prom，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically eprom，eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram，sram)、动态随机存取存储器(dynamic ram，dram)、同步动态随机存取存储器(synchronous dram，sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate sdram，ddrsdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced sdram，esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink dram，sldram)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus ram，drram)。本文描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
[0083]
在一些实施方式中，存储器存储了如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统和应用程序。
[0084]
其中，操作系统，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序，包含各种应用程序，例如媒体播放器(media player)、浏览器(browser)等，用于实现各种应用业务。实现本公开实施例方法的程序可以包含在应用程序中。
[0085]
在本上述的实施例中，还可通过调用存储器存储的程序或指令，具体的，可以是应用程序中存储的程序或指令，处理器用于：
[0086]
执行上述方法的步骤。
[0087]
上述方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理
器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行上述公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合上述公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0088]
可以理解的是，本发明描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(application specific integrated circuits，asic)、数字信号处理器(digital signal processing，dsp)、数字信号处理设备(dsp device，dspd)、可编程逻辑设备(programmable logic device，pld)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本技术所述功能的其它电子单元或其组合中。
[0089]
对于软件实现，可通过执行本发明的功能模块(例如过程、函数等)来实现本发明技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。
[0090]
本发明还可提供一种非易失性存储介质，用于存储计算机程序。当该计算机程序被处理器执行时可以实现上述方法实施例中的各个步骤。
[0091]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。