基于仅光学观测的短弧关联分析方法

初始轨道确定是空间目标编目的一个重要部分，尤其在光学仅角度观测下是极具挑战性的。光学观测在短弧的情况下很难进行有效的初轨确定，解决短弧问题的一个重要手段是将不同时刻获取到的短弧数据进行关联匹配，找到属于同一个目标的观测数据。以容许域的方法为基础，通过找到拟合多组观测数据的最优轨道的方式来确定角度预测值和角度测量真实值之间的最小误差。其次，根据对观测误差统计特性的研究，从理论上验证了线性化误差传播方式在短弧数据应用上的可行性，并给出合理的误差限，通过卡方检验的方式确定弧段之间的关联性。同时，给出了所提出的短弧关联分析方法应用于LEO，HEO，MEO，GEO轨道的结果，并描述了应用于长间隔低轨道目标观测数据上的困难，提出了用角度预报值的误差特性规律对低轨目标关联进行改进的方法，结果表明对于LEO观测短弧的关联性识别的成功率由原来的87%提升到99%。     

低轨目标短弧关联的稳健方法

未来大量低轨星座部署一旦完成，将会对传统的空间目标监视提出更高的要求.广角光学望远镜系统具有广域监视效果，可以同时观测大量目标.但是广角望远镜的观测数据大部分属于“短弧”观测数据，单次观测无法进行空间目标的初始轨道确定.目前有效的解决方案是对光学观测弧段进行准确关联，融合多组观测数据进行初定轨.本文以容许域方法为基础，通过优化拟合两段观测短弧的轨道，结合卡方检验，确定不同观测弧段之间的关联性.其次详细描述了对于低轨目标，用仅测角观测数据进行关联的时候，存在的病态性问题.最后，针对低轨目标短弧关联错误率高的问题，提出了用角度误差特性规律进行误关联识别的方法.误关联的准确识别有效地提高了对于低轨空间目标仅光学观测序列的关联成功率，为后续的空间目标编目提供了有效的数据支撑.     

基于正弦拟合的空间目标短弧关联算法

星敏感器是一种高精度姿态传感器，具有断续拍摄空间目标的能力，可作为空间目标监视平台。将星敏感器断续观测的短弧准确关联是实现空间目标精确定轨的前提。通过对空间目标的大量观测数据统计发现，空间目标的赤纬随赤经的变化始终满足一条周期为360°的正弦曲线且峰值与轨道倾角有关。对新旧航迹的赤经赤纬变化规律进行研究，提出一种基于正弦拟合的空间目标短弧关联算法，避免了空间目标初定轨的步骤，节约了算法运行时间。仿真中观测时长最短为50s，通过对目标密集的GEO带增加额外约束，可区分倾角相差0.01°的轨道。当航迹段间隔3h时，3组噪声水平目标关联的准确率均达90%以上。     

径向速率估值的双屏电子篱笆数据关联方法

针对双屏电子篱笆系统在初轨确定前需要完成同一目标观测数据的数据关联问题,文章提出了一种计算形式简单且不依赖于循环迭代定轨计算径向速率的估值方法,并设计了相应的数据关联准则。仿真分析表明,这种数据关联准则与依赖定轨计算径向速率的关联方法相比,判别正确率相近,但计算时间不到后者的10%,算法的效率更高。     

一种基于窄带雷达的低轨空间目标识别方法

通过分析低轨空间目标的姿态运动对窄带回波脉冲数据的调制,表明低轨空间目标窄带回波脉冲数据信号的相位比幅度包含了更多的目标特征信息。采用小波分析从实测窄带相参回波特性数据的相位中,估计低轨空间目标的整体运动趋势,判别低轨空间目标的粗略类型,并通过大量实测数据的实验结果验证了该方法判别低轨空间目标粗略类型的有效性。     

单星导航HEO卫星初轨确定算法

HEO(Highly Elliptical Orbit)轨道卫星利用星载GPS(Global Positioning System)进行自主定轨面临的主要难题之一就是解决在单颗导航卫星条件下的初轨确定问题.从理论上分析了利用单颗导航卫星的观测量确定HEO卫星轨道初值的所需满足的条件,指出了利用F.G级数法求解初值存在的问题,提出了一种基于轨道根数约束的迭代批处理算法,该算法无需复杂的数学运算,避免了F.G级数法用短弧资料定初轨时系数矩阵秩亏的影响.仿真结果表明,当先验轨道根数误差在允许范围内取值时,在考虑轨道射入误差的情况下,初值的位置偏差在10⁴ m量级,速度偏差在10⁰ m/s量级,能够根据单颗导航卫星的短弧观测值可靠地完成轨道初值的确定.     

基于伪距和观测量的地球同步卫星动力学定轨研究

利用伪距和观测量对同步卫星进行了动力学定轨的研究，给出了伪距和观测量的测量方程和修正方法，采用国内4个监测站的模拟数据进行了仿真计算．结果表明，采用7天弧长伪距和数据进行轨道改进及轨道外推的精度，与5天弧长数据的计算结果相当，但远优于3天数据的计算结果．在观测随机误差为3m时，7天弧长数据定轨精度约为5m，预报7天径向精度优于20m．     

钟差和动力学参数联合约束下的北斗卫星轨道快速确定

受地球非球形引力、第三体摄动和太阳光压等摄动因素的影响,导航卫星位置存在长周期变化趋势,需要定期对导航卫星进行轨道机动,以保持卫星轨位和导航服务区.导航卫星机动后的定轨,特别是GEO卫星,其频繁轨控后的轨道快速确定问题,是制约卫星可用度和导航系统服务性能的重要因素.在基于伪距相位数据的轨道测定中,轨道与钟差的统计相关是制约卫星轨道快速确定的关键因素,特别是在观测弧段短的情况下,待估参数之间的相关性更强,动力学参数估计结果严重失真会导致轨道预报精度衰减明显.当卫星钟差与测站钟差通过外部手段高精度测定后,可以减少待估参数的估计,同时利用长弧定轨的动力学与运动学参数先验信息,对短弧定轨模式进行参数约束,卫星定轨精度将有很大的提升空间.通过钟差与力学参数的联合约束,实现了北斗卫星短弧快速定轨,解决了卫星机动后的轨道快速确定问题,SLR评估的卫星机动后4 h定轨外符视向精度优于0.71 m,比常规方法提高了3倍,预报1 h轨道视向精度为1.89 m,用户等效距离误差(UERE)精度达到1.85 m.     

空间引力波探测器轨道确定及仿真分析

针对空间引力波探测器的精密轨道确定问题,选取LISA(Laser Interferometer Space Antenna)作为研究对象,建立了探测器的目标仿真环境,模拟生成美国深空网(Deep Space Network,DSN)和中国深空网(China Deep Space Network,CDSN)在不同测站下的测距测速数据,采用非线性加权最小二乘(Weighted Least Squares,WLS)和蒙特卡洛方法(Monte Carlo,MC)分析跟踪弧长、测轨数据类型、测站数量及其分布等因素对LISA探测器定轨精度的影响。仿真结果表明:①增加测站的定轨弧长,可有效提高轨道确定精度,当跟踪弧段达到20 d时,探测器位置确定精度可达92 m;②在现有测量精度条件下,测距信息对定轨精度的贡献较大,测距/测速组合定轨方式与仅利用测距、测速定轨相比,估计的位置精度分别提高了32.23%、99.52%;③采用多测控网定轨模式可以提高多站共视比率,有利于提高定轨精度和收敛速度,DSN/CDSN联合定轨比仅采用DSN定轨的平均位置精度提高43.73%。     

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Gooding算法的天基光学目标跟踪定轨

开展了基于Gooding算法的400km天基平台光学目标监测的轨道确定研究，当测量误差为3”和6”时，分别对800，1500及36000km轨道高度目标进行初始轨道确定及轨道改进分析.仿真结果表明，利用400km轨道高度平台对800~1500km轨道高度目标进行初定轨，测量数据误差为3”~6”时，4~15min弧段的初定轨精度约在10km量级，1~2min弧段的初定轨精度约在100km量级；15min初定轨弧段轨道改进后误差在100m量级，弧段小于10min时轨道改进误差精度在km量级.利用400km轨道高度平台对36000km轨道高度目标进行初定轨，测量数据误差为3”时，15~20min弧段的初定轨精度约在数十km量级，8~10min弧段的初定轨精度在100km量级；轨道改进后误差在km量级.测量数据误差为6”时，20min弧段初定轨精度在10km量级，8~15min弧段初定轨精度在100km量级，轨道改进后误差精度在10km量级.      

Orbit determination by genetic algorithm and application to GEO observation

This paper demonstrates an initial orbit determination method that solves the problem by a genetic algorithm using two well-known solutions for the Lambert’s problem: universal variable method and Battin method. This paper also suggests an intuitive error evaluation method in terms of rotational angle and orbit shape by separating orbit elements into two groups. As reference orbit, mean orbit elements (original two-lines elements) and osculating orbit elements considering the J2 effect are adopted and compared. Our proposed orbit determination method has been tested with actual optical observations of a geosynchronous spacecraft. It should be noted that this demonstration of the orbit determination is limited to one test case. This observation was conducted during approximately 70 min on 2013/05/15 UT. Our method was compared with the orbit elements propagated by SGP4 using the TLE of the spacecraft. The result indicates that our proposed method had a slightly better performance on estimating orbit shape than Gauss’s methods and Escobal’s method by 120 km. In addition, the result of the rotational angle is closer to the osculating orbit elements than the mean orbit elements by 0.02°, which supports that the estimated orbit is valid.     

An Improved Double r-iteration IOD Method for GEO UCTs Based on SBSS System

The purpose of initial orbit determination, especially in the case of angles-only data for observation, is to obtain an initial estimate that is close enough to the true orbit to enable subsequent precision orbit determination processing to be successful. However, the classical angles-only initial orbit determination methods cannot deal with the observation data whose Earth-central angle is larger than 360°. In this paper, an improved double r-iteration initial orbit determination method to deal with the above case is presented to monitor geosynchronous Earth orbit objects for a spacebased surveillance system. Simulation results indicate that the improved double r-iteration method is feasible, and the accuracy of the obtained initial orbit meets the requirements of re-acquiring the object.      

miniSAR卫星精密参考轨道设计

为满足轻小型合成孔径雷达(miniSAR)卫星干涉测量任务对空间基线的要求,通过分析卫星参考轨道特性,建立了一套精密参考轨道设计算法。所建算法以miniSAR卫星成功入轨后的一组定轨数据及根据参考轨道特性解析得到的参考轨道预估值为输入,基于仅考虑中心天体非球形高阶引力摄动的轨道外推模型、Eckstein-Hechler平根模型及嵌套式迭代修正方法,设计输出其任务周期内使用的参考轨道。数值实验表明:所建算法设计的参考轨道生成的参考轨迹在三维空间的回归精度优于0.01 m,满足实际工程应用需求。      

多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究

针对多星近距离绕飞观测任务,建立了相对姿态轨道动力学模型,分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态,采用基于四元数和角速度误差反馈的比例 微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明：在控制律的作用下,绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道;在空间圆绕飞轨道构型中,各观测卫星从初始同一位置出发后,在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形,且正三角形的边长从零逐渐增大,最终等于期望正三角形构型的边长。     

基于广义正则化最小二乘的天基测向初定轨

传统天基测向初定轨的不足,主要是由于观测数据存在系统误差和观测方程组的系数矩阵病态或不可逆。文章建立观测方程的半参数回归模型,提出基于补偿最小二乘估计和岭估计的广义正则化最小二乘估计,推导了估计公式,并证明了相关统计性质。引入选主列Givens-QR分解算法,提高观测方程求解效率和数值计算稳定性。仿真结果表明:该方法应用于天基测向初定轨可行,可以提高定轨精度和解算成功率。     

卫星初始轨道确定方法研究

卫星精密轨道确定过程实际上是通过求解轨道动力学微分方程组而对初始轨道不断改进的过程,因此,轨道确定的精度与速度不但依赖于求解微分方程组的具体算法,同样依赖于初始轨道的精度与准确性。针对多站测距/距离和数据,建立了一种轨道初值计算的几何方法,该方法集折射误差修正方法于一体,在进行观测数据折射误差修正的基础上,可以得到卫星在任意时刻的轨道初值。