空间目标碰撞预警的协方差计算与应用

碰撞概率是碰撞预警工程中空间目标危险交会的重要判据之一,其计算精度会受到预报协方差计算精度的影响. 本文统计计算了两种形式的预报协方差. 一是利用精密数值预报模型对卫星精密根数进行预报,将预报根数与精密根数的差作为样本,统计得出1～7天不同预报期的预报协方差;二是采用 SGP4/SDP4预报模型对TLE数据进行预报,将预报根数与TLE根数的差作为样本,统计得出1～7d不同预报期的预报协方差. 分别分析两种方法中包含变轨过程和无变轨情况下的轨道预报精度. 结合2012年某低轨道卫星的危险交会,分析了采用不同协方差时,协方差精度对碰撞预警精度的影响. 协方差计算可为实际碰撞预警工程提供参考.      

空间碎片环境与碰撞预警仿真系统设计

在轨编目航天器数目已超过了9000,为了保证航天任务的顺利完成,必须对可能威胁到任务轨道的空间目标进行分析,文章首先对两行轨道根数和SGP4／SDP4轨道预报模型进行了分析,在此基础上建立了空间目标数据库及空间碎片环境与碰撞预警仿真和数据可视化系统。     

TLE数据误差与基于TLE数据的交会预报分析

目前普遍使用TLE数据进行在轨物体的危险交会预报. TLE数据误差不仅会影响交会预报的准确性, 还是计算碰撞概率的必要参数, 因此, 只有准确估计TLE数据误差, 才能得到可信的碰撞概率数值. 本文采用两种方法, 即TLE数据自比和与高精度轨道预报数据相比较的方法, 计算TLE数据误差, 并分别利用TLE数据和高精度数据计算同一交会, 比较两种数据预报的交会结果差异. 结果表明, 采用TLE根数自比方法的计算误差偏小, 而使用精轨数据作为校准数据所得到的TLE误差更接近真实误差, 计算碰撞概率更为合理, 有利于减少虚警.      

SGP4/SDP4模型用于空间碎片轨道预测的精度分析

为保证航天任务的顺利完成 ,必须采用一定的模型 ,对可能威胁目标轨道的空间碎片进行跟踪预测。文中首先给出标称轨道的计算模型 ;接着介绍两行轨道根数 (TLE)和考虑了简化常规 /深空扰动的近似解析解模型 (SGP4/SDP4) ,并提供TLE使用的坐标系和惯性系之间的转换 ;然后以典型轨道为例 ,分析SGP4/SDP4与标称轨道的偏差。运算结果表明SGP4/SDP4运算速度快 ,满足一定精度 ,可以用于空间碎片的轨道预测和初步威胁评估。     

基于预报偏差的LEO航天器轨道异常检测

针对由轨道控制、大气环境、碰撞等因素造成的低轨(LEO)航天器轨道突变问题,提出了一种基于预报偏差的轨道异常检测方法。选择LEO轨道的半长轴和倾角作为特征轨道参数,利用SGP4模型长期项对目标的两行轨道要素(TLE)进行预报得到特征轨道参数的预报值,通过对特征轨道参数的编目数据和预报数据进行平滑后求差得到预报偏差序列,基于马氏距离对预报偏差数据的两个分量进行联合异常检测。对Terra卫星2010年的机动事件分析结果同NASA发布的其机动历史相吻合,表明该方法可以有效地检测航天器轨道异常的次数、时间和类型,可应用于空间目标的监视与空间态势的感知。     

基于期望最大算法的空间事件及异常值探测

美国ELSET数据库提供的TLE数据是目前使用最广泛的数据,在热层大气密度反演、弹道系数估计、碰撞预警等领域具有重要作用。受空间环境扰动、空间事件以及TLE产生过程等共同影响,ELSET数据库包含大量亟待清理的异常值和识别的空间事件,例如发布错误的TLE、轨道根数异常和Bstar异常。现有方法在清理异常轨道根数时缺乏统一性,需要使用不同的技术,清理流程较为繁杂,并且仅适用于特定轨道区域的少数目标。为克服现有方法的弊端,提出了一种基于期望最大算法的滑动窗口–多项式拟合预报方法,对含有轨道机动的碎片以及受空间环境影响的碎片进行异常值与空间事件探测。研究表明,该方法能够灵活处理不同空间环境下的异常值与空间事件探测,具有普适性,适用于所有轨道碎片。      

空间非合作目标双行轨道根数快速生成算法

针对空间目标TLE拟合过程中可能出现的奇点问题,提出了基于无奇异变换的空间目标双行轨道根数（TLE）生成算法. 为提高观测平台对空间目标状态估计效率,提出带有自适应遗忘因子的非线性最小二乘递推算法,利用最速下降法在线修正遗忘因子,使得估计值有较快的跟踪速度和较小的稳态误差. 仿真结果表明,该TLE生成算法的数据处理速度和轨道预报误差满足要求,可用于低轨目标的天基监视.      

基于单纯形法的TLE轨道确定

TLE数据库是目前公开获得轨道信息的唯一来源，其包含的空间目标将持续增加.利用TLE数据库获得精确的定轨结果已成为研究重点.由于TLE数据本身精度未知且存在波动，需要利用历史TLE数据对参考时刻的TLE状态进行轨道确定.常用方法为最小二乘法，但是该方法具有局限性，需要较为精确的初始值，且误差评估不可靠，解易产生发散.为克服现有方法的局限性，本文提出了一种局部搜索算法——单纯形调优法来实现TLE轨道确定.为避免构建的初始单纯形搜索得到的最优解属于局部最优，引入蒙特卡罗方法对初始单纯形进行采样，获得一系列解的统计分布，通过求该分布的期望和方差获得最终结果.研究结果表明，将单纯形调优法获得的结果用于传播预报可显著降低位置和速度误差.      

基于随机点模拟方法分析空间目标危险交会

基于SGP4模型在空间目标轨道预报中的应用, 在预报的位置速度信息和误差 信息基础上, 提出一种空间两目标碰撞预警的分析方法, 即随机点模拟方法. 与传统的交会平面积分方法相比, 其主要有两点不同: 一是在误差信息中考虑 了误差均值的影响, 即误差椭球不再以预报位置为中心分布; 二是在分析方 法上侧重于真实模拟可能的交会情形, 而不忽略任一方向上的误差. 通过算例分 析验证了该方法的可行性, 结果表明误差均值的非零性使得最大碰撞概率不 一定出现在预报的最近交会距离时刻. 同时仿真结果还表明, 两目标在相对速 度方向上的相对位置仍然存在误差, 这可能造成随机点模拟的碰撞概率计算 值较交会平面积分方法偏小. 不同的碰撞预警分析方法对应不同的预警门限, 根据文中实例, 初步确定10-6为随机点模拟方法的红色预警值.      

基于经验加速度的低轨卫星轨道预报新方法

研究将定轨过程中的经验加速度应用于地球低轨卫星轨道预报的新方法. 利用GPS伪距观测数据和简化动力学最小二乘批处理方法对地球低轨卫星定 轨, 其中卫星位置、速度及大气阻力系数和辐射光压系数可以直接用于轨道预报. 作为简化动力学最重要特征的经验加速度呈现准周期、余弦曲线特点, 可通过 傅里叶级数拟合建模. 确定性动力学模型与补偿大气阻力模型误差的切向经验 加速度级数拟合模型组成增强型动力学模型用于提高轨道预报精度. 应用 GRACE-A星载GPS伪距观测数据和IGS超快星历定轨并进行轨道预报, 结果表明 轨道预报初值位置精度达到0.2m, 速度精度达到1×10-4m·s-1, 预报3天位置精度优于60m, 比只利用确定性动力学模型进行预报精度平 均提高2.3倍. 先定轨后预报的模式可用在星上自主精确导航系统中.      

同步轨道通信卫星占频保轨现象分析与实测

为了应对国际电信联盟对卫星频轨资源的相关规定,卫星运营商可能会选择将卫星送至另一个不同的轨位并连续保持90天来启用该位置的频率指配.这种变轨行为称作"占频保轨",是一些同步通信卫星的常规操作.本文以国际通信组织的INTELSAT系列卫星为研究对象,基于双行根数(TLE)和SGP4/SDP4模型计算了 67个INTELS...     

Improved orbit predictions using two-line elements

The density of orbital space debris constitutes an increasing environmental challenge. There are two ways to alleviate the problem: debris mitigation and debris removal. This paper addresses collision avoidance, a key aspect of debris mitigation. We describe a method that contributes to achieving a requisite increase in orbit prediction accuracy for objects in the publicly available two-line element (TLE) catalog. Batch least-squares differential correction is applied to the TLEs. Using a high-precision numerical propagator, we fit an orbit to state vectors derived from successive TLEs. We then propagate the fitted orbit further forward in time. These predictions are validated against precision ephemeris data derived from the international laser ranging service (ILRS) for several satellites, including objects in the congested sun-synchronous orbital region. The method leads to a predicted range error that increases at a typical rate of 100 m per day, approximately a 10-fold improvement over individual TLE’s propagated with their associated analytic propagator (SGP4). Corresponding improvements for debris trajectories could potentially provide conjunction analysis sufficiently accurate for an operationally viable collision avoidance system based on TLEs only.     

大气阻力参数修正对低轨空间目标轨道预报精度的改进

对于低轨空间目标, 大气阻力是影响轨道预报精度的主要摄动力. 本文提出了一种 基于空间环境数据和神经网络模型的空间目标大气阻力参数修正方法, 基于目 标的历史两行元根数, 通过模拟得到外推一天轨道预报中预报结果与观测数据 符合最好的阻力调制系数, 分析表明其与太阳F_10.7指数和地磁Ap指数具有很好的相关性. 根据已有数据, 构建神经网络模型, 实现对阻力调制系数 的补偿计算, 从而改进低轨目标外推一天的轨道预报. 结果表明, 神经网络模 型相比两行元根数能够更及时地对空间环境变化进行响应. 将该方案应用于天 宫一号和国际空间站的外推一天轨道预报, 验证了方案的正确性和普适性, 对 地磁扰动引起的较大预报误差改进效果更好, 误差能够降低50%~60%; 平均而言, 预报精度可以提高约30%, 改进成功率达到80%左右.      

NRLMSISE-00大气模型与GRACE和CHAMP卫星大气密度数据的对比分析

利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002-2008年的大气密度数据与NRLMSISE-00大气模型密度结果进行比较,分析了模型密度误差及其特点.结果显示,NRLMSISE-00大气模型计算的密度值普遍偏大,其相对误差随经纬度变化,在高纬度相对较小;相对误差随地方时变化,在02:00LT和15:00LT左右较大,10:00LT和20:00LT左右较小.通过模型密度相对误差与太阳F_10.7指数的对比分析发现,在太阳活动低年模型相对误差最大,而在太阳活动高年相对误差较小;将模型结果分别与GRACEA/B双星和CHAMP卫星的密度数据进行比较,发现对于轨道高度更高的GRACE卫星轨道,模型相对误差更大;在地磁平静期,相对误差与地磁ap指数(当前3h)相关性不强,但是在大磁暴发生时,误差急剧增大.      

卫星不足情况下低成本MEMS-INS/GPS伪松组合导航

为了解决GPS可观测卫星不足情况下低成本微电子机械-惯性导航系统/全球定位系统（MEMS-INS/GPS）组合导航精度维持问题,提出基于灰色模型和自适应卡尔曼滤波的MEMS-INS/GPS伪松组合导航方法。以MEMS-INS/GPS松组合导航模式为框架,建立了伪松组合导航系统的状态空间模型。基于MEMS-INS/GPS的历史观测数据,使用灰色模型对MEMSINS/GPS观测差值进行预测,称为系统伪观测量。当GPS可观测卫星充分时,使用噪声自适应估计卡尔曼滤波对MEMS-INS/GPS进行松组合导航;当GPS可观测卫星不足时,使用噪声自适应估计卡尔曼滤波依据系统伪观测量,将MEMS-INS/GPS进行伪松组合导航。以车载低成本MEMSINS/GPS组合导航系统为例进行仿真和实验验证,结果表明：当GPS可观测卫星不足时,传统的MEMS-INS/GPS松组合导航精度迅速下降并发散,而MEMS-INS/GPS伪松组合导航精度与GPS正常工作时的导航精度相差不大,维持了较高精度的导航状态。     

Use of two-line element data for thermosphere neutral density model calibration

Traditional empirical thermospheric density models are widely used in orbit determination and prediction of low-Earth satellites. Unfortunately, these models often exhibit large density errors of up to around 30% RMS. Density errors translate into orbit errors, adversely affecting applications such as re-entry operations, manoeuvre planning, collision avoidance and precise orbit determination for geodetic missions. The extensive database of two-line element (TLE) orbit data contains a wealth of information on satellite drag, at a sufficiently high spatial and temporal resolution to allow a calibration of existing neutral density models with a latency of one to two days. In our calibration software, new TLE data for selected objects is converted to satellite drag data on a daily basis. The resulting drag data is then used in a daily adjustment of density model calibration parameters, which modify the output of an existing empirical density model with the aim of increasing its accuracy. Two different calibration schemes have been tested using TLE data for about 50 objects during the year 2000. The schemes involve either height-dependent scale factors to the density or corrections to CIRA-72 model temperatures, which affect the density output based on a physical model. Both schemes have been applied with different spherical harmonic expansions of the parameters in latitude and local solar time. Five TLE objects, varying in perigee altitude between 280 and 530 km, were deliberately not used during calibration, in order to provide independent validation. Even with a single daily parameter, the RMS density model error along their tracks can already be reduced from the 30% to the 15% level. Adding additional parameters results in RMS errors lower than 12%.     

利用TLE数据分析LEO卫星轨道异常的新方法——————综合判据法

及时准确地发现在轨卫星的轨道异常意义重大. 通过有效的异常算法, 能够找出发生轨道异常的碎片或航天器, 为空间碎片碰撞预警系统分析和验证碰撞事件提供数据支持. 通过对利用TLE (Two Line Elements)数据分析LEO在轨卫星轨道异常的方法研究, 提出了一个利用单个卫星相邻根数时间差控制加综合判据的判别方法. 分析表明, 相对于取单一因素阈值的判别方法, 综合判据法能够最大限度地减少漏判, 并且保持相对较高的判断准确率.