天基照相跟踪空间碎片批处理轨道确定研究

随着国内外天基观测空间碎片研究的展开,文章提出了利用跟踪卫星的CCD(Charge
Coupled Device)相机对空间碎片进行轨道探测的方法,首先建立了CCD照相观测模型和基于 照相观测 的空间碎片批处理轨道确定模型。通过对CCD相机底片归算方法的分析可知,利用
CCD相机所获得的观测数据与跟踪卫星的姿态无关,且其精度只与测量和坐标转换计算的精 度有关,在测量和计算中可获得较高的精度。分别对分布密度较高的低轨道和地球同步 轨道区域的空间碎片进行了定轨分析。仿真结果表明,定轨时采用两个跟踪弧段的照相数据 定轨精度大大高于一个弧段照相数据的定轨精度;跟踪卫星距离空间碎片越近,定轨精度越 高;低轨道空间碎片的定轨精度高于地球同步轨道上的空间碎片定轨精度。
     

应用距离搜索的低轨空间碎片初始轨道确定方法

使用低轨天基光学望远镜扫描式观测低轨空间碎片,由于两者的相对运动较快,只能获得很短时间内的角度观测值(甚短观测弧段),使用传统的Gauss方法和Gooding方法很难得到精确的空间碎片初始轨道。为此,文章提出了一种新的方法,在给定的一组角度观测值中,通过搜索其中2个时刻的距离信息,将纯角度的初始轨道确定问题转换为基于2个位置矢量的初始轨道确定问题;再利用其他时刻的角度观测值进行检核和约束,筛选出最优的初始轨道结果。利用文章方法对空间碎片在10~60s内的503个观测弧段进行处理,结果表明,其定轨误差与角度观测值变化率有关。将文章方法所得结果与Gauss方法和Gooding方法进行比较,证明文章方法在解的成功率和精度上都显著优于其他2种方法,能很好地确定空间碎片的初始轨道。     

天基空间目标监视的短弧段定轨技术

利用两个短弧段的天基测角资料实现对空间目标的轨道确定是天基空间目标监视系统需解决的重要问题之一。提出利用二体轨道的角动量和能量守恒方程计算空间目标初轨的新方法,该方法将短弧段的主要测量信息表示为弧段属性,由两个短弧段的弧段属性建立守恒方程,采用变量替换法求解守恒方程获得多个初轨,通过方差分析从中选择合适的初轨。针对轨道改进中的迭代发散和收敛于局部极小点的问题,提出了选取多个迭代初值进行轨道改进的采样方法。仿真结果表明,初轨确定算法是可行的,轨道改进能成功解算最小二乘轨道。     

SBV对GEO短弧初轨确定误差分析

SBV开创了天基光学空间目标监视的先河,其主要任务是弥补地基观测站对GEO等高轨深空目标监视能力的欠缺。空间目标监视任务中,非相关目标的初轨确定具有重要意义。本文针对SBV对GEO目标的短弧段初轨确定问题,通过对短弧段测量方程系数矩阵和初轨误差的推导分析,研究短弧段初轨计算病态性和误差特性,为天基监视系统设计提供参考。     

基于机动平台序列图像的空间飞行器定轨技术研究

针对机动观测平台单目光学成像系统的特点,在不能测定目标飞行器位置和速度的前提下,通过对成像系统与空间飞行器空间关系的分析,提出了视平均运动角速度与真平均运动角速度的概念,并构建了关于二者的约束方程,实现了基于测角数据的观测斜距的估计,从而解算出定轨所需的初始状态参数。基于观测斜距估计的轨道确定方法把对空间飞行器的定轨问题,归结为根据图像序列计算目标测角和根据测角数据确定观测斜距,解决了利用空间单目光学成像数据的定轨问题,并以高轨卫星为实例对定轨精度进行了仿真验证。     

一种基于星间方向观测的初轨计算方法

基于天基网空间监测的技术背景,用一已知轨道的天基观测平台对不明空间目标的方向观测,在定轨精度要求并不太高的要求下,研究了单颗卫星的天基平台定初轨的问题,并提出了一套基于此观测模型的中低轨空间目标的初轨计算方法。通过模拟生成测角资料对方法进行检验,计算结果显示方法在目前提出的定轨精度下是稳健可行的。     

天基单星测角跟踪条件下的空间非合作目标定轨

针对天基单星测角跟踪条件下的空间目标定轨问题,给出了空间目标的可探测条件,提出了基于超短弧稀疏光学跟踪数据的空间群目标天基定轨方法,建立了低轨监测星对高轨非合作式光学跟踪测量模型和定轨模型,围绕非合作式空间群目标天基单星仅测角跟踪定轨的收敛性和精度开展了定轨试验,结果表明联合两段短弧数据定轨半长轴,精度可达百米量级。     

天基光学短弧初轨的约束微分修正方法

为解决天基光学短弧测量条件下的空间目标初轨确定问题,在对天基光学空间目标监视数据特点进行分析的基础上,引入弧段测量约束域概念和域内三角剖分方法,提出基于剖分节点优选的约束微分修正方法,利用两个短弧测量实现对新发现目标的初轨确定.该方法可充分利用弧段测量信息对目标进行有效约束,并由剖分节点优选提供较好的初始条件,可增强迭代收敛性和稳定性.最后结合仿真结果对方法误差特性和域内收敛特性进行探讨.     

低轨星载光学测量确定静止卫星轨道的方法

为了研究低地球轨道(LEO)卫星对地球静止轨道(GEO)卫星的跟踪定轨能力,文章提出利用LEO星载光学测量技术对GEO卫星进行轨道确定。文章充分考虑光学可视条件与星载相机的观测区域,对LEO卫星跟踪GEO卫星的空间环境以及测量模式进行模拟。利用模拟得到的测角数据采用数值方法对GEO卫星进行定轨并与参考轨道进行重叠对比。通过仿真算例对单圈及多圈跟踪情况下GEO目标定轨精度进行分析,结果表明,在平台轨道误差3m、测量精度5"情况下,随着观测圈数的叠加,GEO卫星的轨道确定精度可由500m量级提升至百米量级。若提升平台精度和测量精度,则轨道确定性可进一步提高。     

基于天基测控的同步轨道卫星联合定轨方法研究

以美国现行的天基光学传感器SBV为例,分析了天基测控环境下光学传感器对同步轨道目标的覆盖特性,并构建了天基测控的观测模型。针对天基卫星星历误差对同步轨道目标定轨精度的影响,提出了抑制天基卫星星历误差的天地基联合定轨方法,将天基卫星和同步轨道卫星都作为待估计状态量,同时解算天基卫星和同步卫星轨道。仿真实验表明,天地基联合定轨方法能有效抑制天基星历误差的影响,能同时提高天基卫星和同步卫星的定轨精度。
     

一种天基光学GEO目标定位方法及初轨算法观测几何评价

提出一种基于天基光学短弧观测数据对GEO区目标进行定位的方法,以GEO区目标半径、偏心率为几何约束,通过最小二乘法估计目标位置、速度,估计结果可作为初轨算法的输入,也可以为初值预测轨道,引导其它平台对目标观测。利用广义Laplace初轨算法对多平台多观测弧段处理,为表征观测几何对定轨性能的影响,将几何精度因子(GOP)扩展到多平台多观测弧段,并引入几何精度因子的误差灵敏度(ESGOP)表征测量误差对观测几何的影响,仿真结果表明:对GEO目标而言,当GOP不小于0.03、ESGOP不大于0.005时,对目标的初轨精度可控制在50km之内。     

应用星载GNSS接收机的Molniya轨道卫星测定轨方法

针对传统地基测定轨技术应用于Molniya轨道卫星时跟踪弧段不足和定位精度低的问题,提出了应用GNSS信息的测定轨方法,以满足任务对定轨和预报精度要求。分析了Molniya轨道对GNSS星座的导航信息可用性,研究了应用GNSS导航解的轨道确定及预报方法,仿真计算了两种数据精度模式下导航解作为测量数据参与轨道估算的定轨预报误差,并分析了测量轨道圈数和跟踪模型偏差等因素对定轨预报精度的影响。仿真结果表明:利用2圈的导航解参与运算的定轨误差在15m以内,预报6天的位置误差在60m以内。此方法具有精度高、稳定性好和数据需求量少等优点,对未来大椭圆轨道卫星测定轨工程实践具有借鉴意义。     

利用姿态调整规避地气光的GSO空间碎片观测方法

针对空间碎片天基光学观测时的地气光规避问题,提出一种利用卫星姿态调整的观测方法。首先,建立地气光对卫星遥感器观测效能影响的数学模型,计算地气光影响卫星弧段。其次,建立空间碎片观测数学模型,对观测方法进行设计。最后,基于STK和MATLAB软件联合仿真,对观测效能进行仿真分析,迭代优化观测方法。以500km太阳同步轨道卫星对地球同步轨道(GSO)空间碎片观测为例,仿真分析其地气光影响弧段及观测效能。仿真结果表明:文章提出的方法可有效克服地气光影响,且观测效能高。     

基于退火遗传算法的小推力轨道优化问题研究

利用退火遗传算法解决小推力轨道优化问题。首先利用传统混合法将轨道优化问题归结为受非线性方程约束的参数优化问题。通过结合退火和随机惩罚函数对约束条件进行处理后，用遗传算法求解这个参数优化问题。最后再采用局部优化算法提高解的精度。这种算法既保持了传统混合法精度高、解轨线光滑的优点，又克服了传统轨道优化方法收敛性差、初始猜测困难、容易陷入局部极小解的缺点。在本文的最后，利用文中提出的轨道优化算法求解“喷-停-喷”型定常推力幅值地球-木星轨道转移问题。算例证明此算法可以有效地求解小推力轨道转移问题，尤其适用于传统轨道优化方法难以求解的复杂轨道优化问题。     

天基光学空间监视指向策略研究

针对如何提高天基光学监视对GEO目标的观测效率,开展了天基光学监视指向策略的研究.首先,对比分析了适合GEO带观测的几种天基光学监视轨道,并选择太阳同步晨昏轨道作为天基光学GEO目标观测轨道;其次,为充分利用光照条件并避免地影对GEO观测造成影响,分析了影响最佳指向角的2个因素——太阳矢量、轨道面法线矢量在地心惯性坐标...     

基于双星编队的空间非合作目标联合定轨方法

针对单颗卫星对空间非合作目标的纯测角跟踪定轨系统存在观测几何条件差和定轨误
差较大的缺点,提出利用双星编队对空间非合作目标进行协同观测。该方法引入平方根无迹
卡尔曼滤波(UKF)算法,并融合地面站观测双星编队信息、双星编队星间测量数据以及双星
编队对空间目标光学观测信息进行整网定轨,实现在纯测角条件下双星编队对空间非合作目
标的实时跟踪。仿真结果表明该方法可以改进观测几何条件和提高空间非合作目标的跟踪定
轨精度。     

一种可实现星箭分离前后测轨数据联合定轨的初轨确定方法

针对弹簧分离方式的卫星发射任务中,在星箭分离瞬间卫星获得弹簧分离力产生的速度增量,使星箭分离前后的两段外测数据不能同时参与定轨的问题,提出了一种可同时求解一个位置矢量和两个速度矢量的定轨新方法——改进的有摄初轨计算的单位矢量法,建立了相应的计算模型,构造了条件方程组的解算方法。仿真计算和任务实测数据验算表明,该方法首次实现了利用星箭分离前后处于两条不同轨道的测轨数据的联合定轨。由于延长了定轨数据弧段,有效地提高了入轨段初轨确定精度。     

月球探测器LP精密定轨及月球重力场模型解算

对美国1998年发射的月球探测器LP任务阶段共19个月的双程测距测速轨道跟踪数据进行了精密定轨,对定轨结果通过轨道残差及重复弧段差异进行了精度评价。利用LP正常任务阶段三个月的轨道跟踪数据进行了月球重力场模型解算,通过重力场功率谱、轨道残差和月球自由空气重力异常对解算模型进行了精度评价。结果表明精密定轨及月球重力场模型解算合理。对进一步融合嫦娥一号轨道跟踪数据和LP数据解算自主的高精度月球重力场模型具有参考意义。
　
     

一种提高空间实验室定轨精度的方法

以近地航天器轨道动力学为基础,建立变阻力系数大气摄动模型,设计了求解变阻力系数的算法。然后利用天宫一号飞行器的测轨数据进行计算,分析了空间实验室飞行高度的轨道特性,其中包括：大气模式密度误差、变阻力系数与空间环境关系、定轨残差和星历误差。在空间环境平静和磁暴的条件下,制定了多种求解变阻力系数的策略,解决了空间实验室长弧段定轨精度受限的问题,并在空间环境平静条件下实现了优于10米的定轨精度,在磁暴条件下实现了优于20米的定轨精度。     

风云四号卫星双程测距系统精密轨道确定

针对我国新一代静止轨道卫星风云四号高精度轨道计算需求，地面跟踪系统设计了多台站双频双程测距模式。详细给出了信号传播介质改正中的电离层与对流层处理方法，并给出了风云四号卫星动力学轨道确定策略。在非变轨期间，采用动力学定轨方法。轨道确定残差分析，测量噪声均方根优于0.5 m。通过轨道重叠分析，非变轨期间精度优于20 m。动量轮卸载期间，采用估计经验力的方法，其定轨残差优于1 m。对多弧段数据处理表明文中方法满足同步卫星双程测距模式下的高精度轨道跟踪问题。