基于四元数的UKF多传感器卫星姿态确定

对采用磁强计和太阳敏感器的卫星姿态模型,应用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法确定卫星姿态。由四元数描述姿态,在算法中将其转换成旋转矢量,另设计了四元数求均值的迭代算法,解决了四元数在UKF算法中的处理。仿真结果表明:广义卡尔曼滤波(EKF)算法对初值依赖性较大,UKF算法不受初值影响且精度高于EKF,具快速性、精度高和稳定性强等优点。     

基于UKF的航天器双行根数转换方法

确定航天器在轨双行根数(Two Line Elements, TLEs)是进行轨道预报的前提,文章以航天器双行根数为状态变量,以飞行位置和速度为测量变量,提出基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter, UKF)的航天器双行根数转换方法。仿真结果表明:方法有效可行,能快速转换得到双行根数。当测量噪声位置误差为10 m时,转换得到的双行根数精度均达到了其标准格式精度;使用UKF转换的双行根数进行轨道预报,预报时长取一天,位置和速度的预报值与STK仿真值之间的误差分别在10 m和0.008 m/s以内。在大测量噪声和大初始误差条件下,UKF仍能转换得到满足精度要求的双行根数。     

对空间碎片的相对位姿估计

针对几何、质量特性参数均未知的空间碎片,提出一种基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的相对位姿估计算法。该算法以单目相机获得的目标图像特征视线信息作为测量输入,以目标姿态、姿态角速度、惯量比、相对位置、相对速度和特征位置作为滤波状态。对算法进行可观性分析,给出两个可以保证算法可观性的条件。分别针对不同条件进行数值仿真,仿真结果表明新算法能够对几何和质量参数未知的空间碎片进行有效的相对位姿 估计。     

基于自适应算法的月球引力常数和J_2系数确定

针对月球引力场自主确定过程中测量噪声统计特性未知导致扩展卡尔曼滤波精度低、易发散的问题,提出了一种自适应扩展卡尔曼滤波算法。该算法通过采用改进的噪声估计器,对滤波过程中未知测量噪声统计特性进行实时估计和修正,有效地提高了扩展卡尔曼滤波器的稳定性,减小了状态估计的误差。通过与蒙特卡洛仿真,扩展卡尔曼滤波的结果比较,自适应扩展卡尔曼滤波算法加强了滤波的稳定性,并且明显提高了月球探测器轨道的确定精度、月球引力常数精度和月球J2项摄动系数精度。     

XNAV算法及其整周模糊度确定方法研究

X射线脉冲星导航(XNAV)是一种新型的航天器天文导航方法.研究了利用脉冲星脉冲相位观测信息进行导航卫星自主定轨的算法.首先分析了X射线脉冲在卫星和太阳系质心之间的传播时间方程,然后利用卫星与太阳系质心之间的相位差分观测量建立了系统的观测方程;结合导航卫星的轨道动力学特性,采用扩展卡尔曼滤波算法估计卫星的轨道.考虑到卫星轨道动力学预报得到的卫星位置值具有较好的精度,提出直接利用该位置预报值快速确定整周模糊度,并验证了该方法的可行性.数学仿真表明,该导航算法能够精确确定导航卫星在 l惯性系F的绝对位置.     

空间目标轨道信息软件平台的建设

空间目标轨道信息是空间态势感知的重要要素,是空间碰撞预警、空间碎片环境模型和许多空间应用的基础。因而,空间目标轨道确定成为空间态势感知的主要任务之一。文章介绍武汉大学测绘学院正在开发建设的空间目标轨道信息服务软件平台,该平台拥有的主要功能有:利用多源数据的卫星/空间碎片轨道确定(包括初轨确定)与预报、大气质量密度模型精化、空间碰撞预警和半解析法快速精密轨道传播等。文章还针对软件平台功能的研究进展进行了综述,介绍了软件平台发展规划。     

同步带1-10cm级空间碎片可见光探测技术研究

针对目前天地基碎片探测装备无法对同步轨道带1 10cm级空间碎片进行探测的问题，文章在对同步轨道带碎片分布规律、碎片探测技术手段进行分析总结的基础上，分析探讨了高轨航天器搭载光电传感器实现同步轨道带1 10cm级碎片探测所具备的技术指标和功能特点，并对基于天基测角信息的空间碎片轨道确定算法及相关技术进行分析。基于本文所述的分析论证和技术方法，可以确定高轨航天器实现对同步轨道带1 10cm级碎片的探测识别和轨道确定的可行性及能力需求，为同步轨道带1 10cm级碎片的天基光学探测提供一定的技术支持，为同步轨道带碎片探测专用航天器的研制论证提供技术支撑。     

空间碎片数据形式及轨道演化算法

根据建立空间碎片工程模型的需要,定义了一种描述单个空间碎片运行位置及其物理特性的数据形式。基于空间碎片运动规律给出了一种用于计算单个空间碎片运行时＂平均位置＂的演化算法。计算的演化结果与STK软件计算的标称轨道比较表明：该演化算法正确。     

地球同步轨道卫星结构爆炸解体碎片的轨道仿真

为快速确定与预报卫星在轨爆炸解体产生的大量空间碎片的轨道,提出了一种基于ANSYS/AUTODYN、MATLAB、STK等多软件平台联合仿真分析卫星结构爆炸解体碎片运行轨道的方法。利用ANSYS/AUTODYN对典型薄壁圆柱模拟地球同步轨道卫星结构进行爆炸数值分析,得到碎片的数量、质量分布和速度特性信息。再利用MATLAB软件对卫星爆炸仿真得到的碎片参数进行处理,将处理后的数据导入到STK软件的通用摄动SGP4模型中,得出卫星爆炸碎片的早期轨道数据。最后对爆炸碎片的轨道分布、速度增量、轨道演化等进行分析。结果表明:该方法能满足大量爆炸碎片的轨道仿真要求,能有效提高碎片轨道信息转换效率,对目前难以跟踪的cm级以下碎片,也能提供相应的初始轨道数据,使用方便,通用性好。研究结果可为快速捕获卫星爆炸碎片,及时规避航天器碰撞风险提供参考。     

碰撞风险评估中的空间环境激励图方法

因航天器物理特征、空间环境扰动变化、预报技术和大气模型性能等既有不确定因素的存在，空间目标碰撞概率等与轨道预报相关的评估工作存在模糊度问题，无法准确描述碰撞风险水平。文章基于碰撞概率极值，简化气动力误差模型，量化计算轨道预报相关事务的边界；提出空间环境激励图和3σ区的概念，并给出具体实施方法以及空间碎片碰撞预警、空间物体陨落预报的计算示例。计算结果表明，该方法能较好应对轨道预报相关事务中的模糊度问题，可为相关航天工程实践和决策提供参考。     

一种LSTM模型预测BC值的空间碎片无控再入预报方法

提出一种利用长短周期记忆(LSTM)神经网络模型动态预测无控再入过程中弹道系数(BC)值实现空间碎片高精度再入时刻预报。通过利用空间碎片两行根数(TLE)、简化通用摄动模型(SGP4)与公开的物体陨落时间作为实测数据样本，利用迭代修正BC值方法构建预测模型的训练集，由此构造用于预测BC值的LSTM模型预测BC，再采用高精度轨道外推动力学模型配合预测BC值预报再入时刻，结果表明基于LSTM模型预测BC的空间碎片再入时刻预报方法是可行的，在95%的置信度内，90天以上的再入时刻预报精度小于10%，30天预报精度小于8%。     

Beam-Park-Experiment-1/2000 with TIRA

A monostatic 24-h debris observation campaign (BPE-1/2000) has been prepared and conducted using FGAN's TIRA L-Band system. Based on experiences from previous Beam-park experiments a similar largely automated data processing is applied on an extended range window of 300–2000km. More than 1500 detections are encountered, 471 of them are verified as being real objects in Low-Earth-Orbit (LEO). PROOF's observation forecasting of catalogued objects is evaluated against the observed objects, and the difficulties obtaining radar cross-sections (RCSs) and object sizes from Beam-park experiments are discussed. Sidelobe detections are identified by using background information like two-line element (TLE) sets and/or catalogued RCSs.In comparison with previous experiments, the statistics show similarities confirming the concept of Beam-park experiments for space debris observations, despite the snapshot character of 24-h experiments. The comparison with MASTER/PROOF'99 and ORDEM2000 leads to a reasonable agreement between models and observations.     

Behavior of tethered debris with flexible appendages

Active exploration of the space leads to growth of a near-Earth space pollution. The frequency of the registered collisions of space debris with functional satellites highly increased during last 10 years. As a rule a large space debris can be observed from the Earth and catalogued, then it is possible to avoid collision with the active spacecraft. However every large debris is a potential source of a numerous small debris particles. To reduce debris population in the near Earth space the large debris should be removed from working orbits. The active debris removal technique is considered that intend to use a tethered orbital transfer vehicle, or a space tug attached by a tether to the space debris. This paper focuses on the dynamics of the space debris with flexible appendages. Mathematical model of the system is derived using the Lagrange formalism. Several numerical examples are presented to illustrate the mutual influence of the oscillations of flexible appendages and the oscillations of a tether. It is shown that flexible appendages can have a significant influence on the attitude motion of the space debris and the safety of the transportation process.     

Evaluation of a satellite constellation for active debris removal

This paper analyzes an example of a three-dimensional constellation of debris removal satellites and proposes an effective constellation using a delta-V analysis that discusses the advisability of rendezvousing satellites with space debris. Lambert?s Equation was used to establish a means of analysis to construct a constellation of debris removal satellites, which has a limit of delta-V injection by evaluating the amount of space debris that can be rendezvoused by a certain number of removal satellite. Consequently, we determine a constellation of up to 38 removal satellites for debris removal, where the number of space debris rendezvoused by a single removal satellite is not more than 25, removing up to 584 pieces of debris total. Even if we prepare 38 removal satellites in their respective orbits, it is impossible to remove all of the space debris. Although many removal satellites, over 100 for example, can remove most of the space debris, this method is economically disproportionate. However, we can also see the removal satellites are distributed nearly evenly. Accordingly, we propose a practical two-stage strategy. The first stage is to implement emergent debris removal with the 38 removal satellites. When we find a very high probability of collision between a working satellite and space debris, one of the removal satellites in the constellation previously constructed in orbit initiates a maneuver of emergent debris removal. The second stage is a long-term space debris removal strategy to suppress the increase of space debris derived from collisions among the pieces of space debris. The constellation analyzed in this paper, which consists of the first 38 removal satellites, can remove half of the over 1000 dangerous space debris among others, and then the constellation increases the number of the following removal satellites in steps. At any rate, an adequate orbital configuration and constellation form is very important for both space debris removal and economic efficiency. Though the size of constellation of debris removal satellites would be small originally, such a constellation of satellites should be one of the initial constellations of removal satellites to ensure the safety of the future orbital environment.     

空间碎片现状与清理

分析了空间碎片的严峻现状和空间碎片的10个来源,指出轨道碰撞是产生碎片最多的因素;介绍了空间碎片的观测方法、原理和观测系统的概况,包括正在兴建的观测系统——“空间篱笆”。最后,根据不同轨道高度和空间碎片的数量与大小,提出空间碎片清理原则、要求和9种清理方法。     

基于稀疏信号表示的空间碎片成像

地基雷达一直是空间碎片监测的有力工具,研究如何利用它们对尺寸小于距离分辨率的目标进行成像具有重要意义。基于空间碎片通常会围绕它的主轴进行简单的自旋转运动这一事实,通过对目标回波模型的分析,本文提出了一种基于稀疏信号表示的空间碎片成像方法。该方法将成像问题转化为稀疏信号分解问题,首先以各个散射点的散射特性作为元素构建字典,然后通过采用现有的方法对单个距离单元横向回波数据的稀疏信号表示进行求解,最后对求解的结果重新排列以得到目标的二维高分辨图像。仿真实验结果表明了本方法的正确性。     

空间碎片环境现状与主动移除技术

概述了空间碎片环境现状和对航天活动的影响,讨论了空间碎片主动移除对保持空间碎片环境稳定的必要性。空间碎片研究重心先从防护转向减缓,再转到主动移除,最终是清洁空间。评述了空间碎片主动移除技术现状,指出天基激光主动移除空间碎片技术具有很好的工程应用潜力。     

一种应用于空间碎片演化模型的碰撞概率算法

针对碰撞概率算法Cube模型参数影响空间碎片演化模型的仿真结果问题进行了深入分析与研究，并将原Cube算法进行改进，由此提出I-Cube模型。经过多次蒙特卡洛仿真结果验证，I-Cube模型对演化过程中空间碎片碰撞概率的计算更为准确合理，空间碎片长期演化模型的结果不再依赖于自身碰撞概率算法的相关参数，提高了空间碎片长期演化模型的稳定性与可信度。     

空间碎片的温度特性分析

对空间碎片温度特性的分析,是利用红外传感器探测空间碎片的基础,也是研究航天器在轨安全的重要内容。文章对空间碎片接收不同辐射进行全面分析,研究其在轨运行情况,建立热平衡方程,完成对不同时刻其温度变化的计算,并绘制出温度变化曲线。结果表明空间碎片在轨道上不同位置有不同的红外辐射特性。该研究对利用天基空间探测器进行空间碎片的检测、识别,以及航天器的规避有参考意义。