一种基于TLE数据的轨道异常分析方法

空间在轨物体的轨道异常是航天工程及预警领域普遍关注的问题,及时发现轨道异常意义重大,通过分析空间物体的轨道异常,可以及时发现和识别规避事件或碰撞事件,还可以了解监测网的能力.本文提出一种基于TLE数据的简单的轨道异常分析方法——长半轴变化法.该方法快速有效,应用到低轨在用卫星和美俄解体碎片的异常分析中,异常物体正确识别率可达到100%;对美俄解体碎片进行轨道异常分析后得出,美国空间监视网可以稳定探测90%以上的解体碎片.      

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.      

解体速度增量计算方法研究

解体速度增量是解体事件强度的重要指征, 它决定了解体产生碎片的轨道分布. 通过分析解体速度增量可以推断解体强度, 确定解体形式. 解体速度增量有两种计算方法, 即轨道位置演化法和轨道面相交法. 轨道位置演化法是根据解体前后轨道速度的变化直接得到解体速度增量; 而轨道面相交法是利用母体以及解体碎片的球面三角几何关系, 根据解体碎片的倾角和升交点赤经变化, 以及母体轨道的倾角和近地点辐角, 计算解体时刻母体轨道的真近点角, 从而得到解体的时间和速度增量. 相比来说, 轨道位置演化法适用于数据精度高, 解体高度高情况下的解体事件分析, 而轨道面相交法适用于解体高度低, 碎片数据公布时间较为滞后的解体事件分析. 根据解体速度增量的计算方法及其原理, 对两种方法的适用性进行了比较和讨论, 并选取已经发生的三次解体事件, 利用美国公布的TLE数据, 针对具体情况选择计算方法, 给出了三次解体事件发生的时间和解体碎片在空间三个方向上的速度增量.      

TLE预报精度改进及碰撞预警中的应用

双行根数（Two Line Elements,TLE）是目前唯一公开发布且编目最完备的地球轨道空间目标编目数据,由于其根数的特殊性,必须配合SGP4/SDP4 使用导致其预报精度有限. 通过对TLE+SGP4/SDP4预报误差源的分析,利用历史TLE数据生成准观测数据重新进行轨道拟合,针对不同轨道高度和面积质量比情况,确定相应拟合周期,得出了基于弹道系数先验信息有效确定面积质量比的经验方法,对多个独立时段拟合后轨道根数结合数值方法的预报误差进行统计,结果表明,拟合后的TLE根数预报精度与稳定性有很大程度提升. 利用实例对拟合TLE在碰撞预警中的应用进行分析,认为该方法对航天工程中碰撞预警置信度的提高具有重要意义.      

基于驻留时间比的近地空间碎片环境建模

为分析近地空间碎片的分布规律,提出了一种以碎片在空间网格内驻留时间为基础的碎片环境统计建模方法.该方法利用多项式拟合和求根方法统计碎片在空间网格内的停留时间,获取模型基础数据,并据此采用多项式预测、插值和时间序列分析等技术,综合分析空间碎片的分布与演化规律.给出了一个基于双行根数(TLE,Two Line Elements)数据的建模实例,该实例通过了ORDEM2000模型的对比验证,并获得了一些更精细的近地空间碎片环境特征.所得建模方法和分析结论可为长期运行的近地航天器轨道设计、碰撞风险评估及防护等提供技术支撑.     

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。     

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。     

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.      

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.      

基于解体事件的空间碎片轨道演化算法研究

针对航天器解体事件所生成的空间碎片的演化过程,进行了数学分析,确定了新生成的空间碎片的速度增量,在该增量作用下碎片轨道会发生变更,本文根据该增量得出了空间碎片在轨道变更后的轨道根数,分析了在大气阻力摄动作用下,空间碎片的数目和轨道分布的演化情况,给出了相关结果,结果表明此算法可行。     

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INTELSAT (国际通信卫星) 的自发射以来的轨道数据，提出了基于密度和k 最近邻的离群点检测来筛选数据野值的方法，提高了数据准确性；对这些卫星的占频保轨行为进行统计和分析，提出我国卫星运营商应充分利用国际规则，维护自身太空权益的建议.     

异常数据剔除的一种改进计算方法

批量异常数据的识别是数据处理中的大计算量问题。针对大型线性回归模型 ,在逐点剔除法的基础上 ,文章提出了异常点剔除的一种改进算法。该方法在提高批量异常数据识别效果的同时 ,还能大幅度降低它的计算量。     

Space debris cumulative flux considering the Interval Distance-based method

The availability of engineering models to estimate the risk from space debris is essential for space missions. According to current research, cumulative flux calculation is mostly carried out based on the equal-width interval discretization. The method discretizes the volume around the Earth into cells defined in earth centered inertial coordinates. The resulting debris flux onto a target object is shown to depend on the chosen size of the cells. To avoid a discretization error, this must be accounted for. In order to present reliable flux predictions for space mission, the algorithm improvement is an ongoing topic for the related research field. The aim of this study was to examine the discretization error during the cumulative flux determination process. Both the effect of interval step length and the orbital boundary are under investigation. Several typical orbits are selected as examples here and the 2018/01/03 TLE (Two Line Element) data published by the US Space Surveillance Network is used as the debris background in this paper. Furthermore, the Interval Distance-Based method for Discretization (IDD) is adopted in this paper. A position-centered flux determination method is introduced based on the IDD method. According to the example analysis, the IDD used in the flux calculation process provides results which are less affected by the interval step-size setup; and the orbital boundary has no effect on the calculation process. In other words, the discretization error is significantly reduced. The position-centered method provided a possible suggestion for the improvement of space debris environment models.     

基于TLE的弹道系数计算方法及应用分析

针对仅使用两行要素（Two Line Element，TLE）作为数据源的应用需求，研究了基于TLE轨道衰减的弹道系数计算方法。介绍了一种常用的基于两组TLE的直接计算法，分析TLE选取间隔对结果精度的影响；提出了一种基于多组TLE的迭代计算方法，以降低异常TLE对计算结果的影响；从弹道系数计算效果、在再入预报中的应用等方面对这两种方法进行比较分析。结果表明，两种方法各有优劣，基于多组TLE的迭代计算法稳定性更高、受TLE精度的影响更小；由于数据区间更短，基于两组TLE的计算结果对短期轨道衰减特性反应得更准确，用于临近再入时的预报效果更好。     

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.      

Optimising filtering of two-line element sets to increase re-entry prediction accuracy for GTO objects

Predicting re-entry epoch of space objects enables managing the risk to ground population. Predictions are particularly difficult for objects in highly-elliptical orbits, and important for objects with components that can survive re-entry, e.g. rocket bodies (R/Bs). This paper presents a methodology to filter two-line element sets (TLEs) to facilitate accurate re-entry prediction of such objects. Difficulties in using TLEs for precise analyses are highlighted and a set of filters that identifies erroneous element sets is developed. The filter settings are optimised using an artificially generated TLE time series. Optimisation results are verified on real TLEs by analysing the automatically found outliers for exemplar R/Bs. Based on a study of 96 historical re-entries, it is shown that TLE filtering is necessary on all orbital elements that are being used in a given analysis in order to avoid considerably inaccurate results.     

Local orbital debris flux study in the geostationary ring

A local orbital debris flux analysis is performed in the geostationary (GEO) ring to investigate how frequently near-miss events occur for each longitude slot in the GEO ring. The current resident space object (RSO) environment at GEO is evaluated, and publicly-available two-line element (TLE) data are utilized in tandem with a geostationary torus configuration to simulate near-miss events incurred by the trackable RSO population at GEO. Methodology for determining near-miss events with this formulation is introduced, and the results of the analysis for a one-year time frame are provided to illustrate the need for active GEO remediation.