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%。     

基于雷达测距和测速的GEO目标实时关联算法

针对航迹密集情况下地球同步轨道（GEO）目标容易关联错误的问题，提出了一种基于雷达测距和测速二维判决的GEO目标实时关联算法。利用空间目标两行轨道根数（TLE）建立待关联初始库属目标集；根据空间目标轨道预报误差扩散规律设置粗关联门限，得到二次关联库属目标集；利用雷达测距和测速精度高的特点构建二次关联代价函数，根据归一化加权均方根误差最小原则得到关联结果。仿真结果表明：该算法在目标航迹密集的情况下取得了较好的关联效果，具有较高的关联正确率。     

LEO空间碎片甚短弧角度数据初轨确定方法对比

光学观测是空间目标观测中最常见的一种观测方式。采用扫描模式工作时光学观测得到的观测弧段弧长通常很短,有时甚至不到被观测空间目标运行周期的1%,这样的角度数据被称为甚短弧角度数据。基于近圆LEO空间碎片地基实测场景,研究比较仅利用角度数据进行初始轨道确定常用方法的性能差异,分析观测弧长对不同初轨确定算法的定轨成功率和误差的影响,为初轨确定工作提供参考。对比分析了常用的几种方法,包括Laplace方法、Gauss方法、Gooding方法和近几年提出的距离搜索算法等。大规模实测数据处理结果显示,距离搜索算法的成功率高于90%,初轨半长轴统计误差仅为25 km。初轨结果表明,距离搜索算法定轨成功率高于其他算法。研究成果可为解决空间碎片初轨确定问题提供参考。      

一种基于系统误差自动补偿的编队目标航迹精细关联算法

为解决编队内各目标航迹精细关联的难题,按照编队目标航迹的特点,结合误差估计技术及航迹关联技术,提出了一种基于系统误差自动补偿的编队目标航迹精细关联算法,该算法首先基于循环阈值模型对各传感器获得的航迹进行编队识别,并按编队中心航迹完成编队航迹的整体预关联,然后基于编队航迹状态识别模型,搜索或建立分辩状态最接近的预关联编队航迹,并基于编队航迹系统误差估计模型和误差确认模型,获得最终的系统误差估计值,自动完成系统误差补偿,最后利用传统的航迹关联算法进行编队航迹的精细关联。经仿真数据验证,与基于目标不变信息量的模糊航迹对准关联算法和基于航迹迭代的航迹对准关联算法相比,该算法具有耗时少、关联性能有效稳定等综合优势,能较好的满足工程上对系统误差下编队内目标航迹的精确关联需求。     

一种基于系统误差自动补偿的编队目标航迹精细关联算法

为解决编队内各目标航迹精细关联的难题,按照编队目标航迹的特点,结合误差估计技术及航迹关联技术,提出了一种基于系统误差自动补偿的编队目标航迹精细关联算法,该算法首先基于循环阈值模型对各传感器获得的航迹进行编队识别,并按编队中心航迹完成编队航迹的整体预关联,然后基于编队航迹状态识别模型,搜索或建立分辩状态最接近的预关联编队航迹,并基于编队航迹系统误差估计模型和误差确认模型,获得最终的系统误差估计值,自动完成系统误差补偿,最后利用传统的航迹关联算法进行编队航迹的精细关联。经仿真数据验证,与基于目标不变信息量的模糊航迹对准关联算法和基于航迹迭代的航迹对准关联算法相比,该算法具有耗时少、关联性能有效稳定等综合优势,能较好的满足工程上对系统误差下编队内目标航迹的精确关联需求。     

一种卫星天文自主定轨定姿方法研究

利用安装在卫星上的太阳敏感器和紫外敏感器测量出的卫星—太阳、卫星—地球和卫星一月球方向矢量，并利用雷达测高仪测出的地心距作为观测量，提出采用广义卡尔曼滤波方法实时地确定卫星绕地球飞行的轨道，同时确定出卫星的对地姿态．对自主定轨进行了数学仿真，分析比较了采样周期、轨道倾角、轨道偏心率和轨道高度等因素对定轨精度的影响．总结了其变化规律，该方法可用于提高卫星自主定轨精度．     

基于协方差理论的非关联轨道动态关联算法

空间目标编目过程中新目标监测数据稀疏,定轨误差大,固定门限的轨道关联成功率低。文章旨在通过轨道协方差演化和马氏距离动态关联不能与目标数据库关联的非关联轨道(uncorrelated tracks, UCTs)。关联模拟流程包括轨道星历计算、观测数据模拟、定轨及协方差演化和马氏距离动态关联。协方差演化是UCTs关联的主要过程。文章建立基于线性和无迹卡尔曼滤波(unscent kalman filter, UKF)协方差生成和演化算法,以雅克比转换计算演化协方差并引入UKF算法提高协方差计算精度,分析高斯演化协方差计算结果,建立高效稳定的协方差演化模型,并把协方差演化模型应用于UCTs关联中去。以印度一箭104星中的20颗卫星的两行轨道根数模拟UCTs关联,结果表明,随着轨道时间间隔增加,关联量逐渐下降。相同轨道时间间隔,不同卫星轨道所计算的关联量也不相同。当关联阈值设为200时20颗卫星可以全部关联。     

LEO-LEO掩星事件持续时间及卫星间相对角速度仿真分析

通过对LEO-LEO掩星事件仿真,分析卫星轨道参数对掩星事件持续时间和卫星间相对角速度的影响.结果表明:对掩星事件持续时间影响较大的LEO-LEO卫星轨道参数依次为轨道倾角、升交点赤经、轨道高度,近地点角距对掩星事件持续时间影响不大;LEO-LEO卫星轨道倾角互补时,掩星事件持续时间最短,为98s;两颗LEO卫星轨道倾角之和或者升交点赤经之差在120°-240°范围内,掩星持续时间约100~150s;两颗LEO卫星轨道越高,掩星持续时间越短;掩星发生时,LEO卫星间水平方向相对角速度最大值约为0.14（°）·-1,俯仰方向相对角速度最大值约为0.078（°）·s-1.      

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.     

Track-to-object association algorithm based on TLE filtering

This paper focuses on the track-to-object association problem based on the two-line elements (TLE) set. The TLE’s short-term propagation error characteristics are analyzed to capture its uncertainty. Further, a four-step track-to-object association algorithm is designed for the optical observation data. First, for too-short arc tracklets, a circular orbit determination algorithm is proposed to calculate the inclination and the right ascension of the ascending node. Second, the TLEs are filtered based on these results. Nearly 96% of the TLEs can be filtered, which significantly improves the association efficiency. The last two steps consist of two association processes. A first-order association process is implemented first to get candidate objects, with the angles root mean square error as the metric. Then a precise association process checks the candidate objects and gives the final association result. The proposed approach is tested with simulated and observed data, respectively. With simulated data, the true positive rate is 98.7%. With the observed data, the association results were validated using the precise orbit ephemerides.     

Short-arc tracklet association for geostationary objects

Measurement association and initial orbit determination is a fundamental task when building up a database of space objects. This paper proposes an efficient and robust method to determine the orbit using the available information of two tracklets, i.e. their line-of-sights and their derivatives. The approach works with a boundary-value formulation to represent hypothesized orbital states and uses an optimization scheme to find the best fitting orbits. The method is assessed and compared to an initial-value formulation using a measurement set taken by the Zimmerwald Small Aperture Robotic Telescope of the Astronomical Institute at the University of Bern. False associations of closely spaced objects on similar orbits cannot be completely eliminated due to the short duration of the measurement arcs. However, the presented approach uses the available information optimally and the overall association performance and robustness is very promising. The boundary-value optimization takes only around 2% of computational time when compared to optimization approaches using an initial-value formulation. The full potential of the method in terms of run-time is additionally illustrated by comparing it to other published association methods.     

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.      

一种基于OPTICS聚类的仅测角导航目标检测算法

仅测角自主导航方法具有设备简单、复杂度低，功耗低的优点，在空间任务中具有广泛的应用前景.针对中远距离下空间目标特征少的特点，提出了一种利用基于OPTICS聚类算法的空间目标检测方法，可用于仅测角导航过程中的目标检测.对原始星图进行预处理提取星点及目标点，并结合星图识别的结果选择部分帧，使用经过改进的OPTICS聚类方法获得目标运动轨迹.最后，使用本文中的算法对软件仿真出的含有目标的高精度星图进行处理验证了算法的可行性.在卫星相对于空间目标抵近过程中，目标检测的水平误差及垂直误差小于0.15°的帧数分别占到了85.4%以及99.6%.相比AVANTI实验中的目标检测方法，减少了在轨任务中相关参数的调节，进一步提升了算法的自主性.     

Analysis of laser ranges and angular measurements data fusion for space debris orbit determination

In the framework of space debris, the orbit determination process is a fundamental step, both, for researchers and for satellite operators. The accurate knowledge of the orbit of space debris objects is needed to allow space debris characterization studies and to avoid unnecessary collision avoidance maneuvers.The accuracy of the results of an orbit determination process depends on several factors as the number, the accuracy, the kind of processed measurements, their distribution along the orbit, and the object-observer relative geometry. When the observation coverage of the target orbit is not homogeneous, the accuracy of the orbit determination can be improved processing different kind of observables. Recent studies showed that the satellite laser ranging technique can be successfully applied to space debris.In this paper, we will investigate the benefits of using laser ranges and angular measurements for the orbit determination process. We will analyze the influence of the number of used observations, of the covered arc of orbit, of each observable, and of the observation geometry on the estimated parameters. Finally, using data acquired on short observation arcs, we analyze the achievable accuracies for the orbital regimes with the highest space debris density, and to the consequences of the data fusion on catalog maintenance operations. The results shown are obtained using only real data (both angular and laser measurements) provided by sensors of the Swiss Optical Ground Station and Geodynamics Observatory Zimmerwald owned by the Astronomical Institute of the University of Bern (AIUB) and for some studies also using ranges provided from other stations of the International Laser Ranging Service (ILRS).     

交会对接光学成像敏感器中合作目标的分析与设计

交会对接技术是实现太空梭、太空平台和空间运输系统的装配、回收、补给、维修、太空人交换及营救等在轨服务的先决条件，交会对接光学成像敏感器是两航天器交会对接近距离平移靠拢段唯一能够提供六自由度相对导航信息的敏感器，由安装于追踪飞行器上的相机和安装于目标飞行器上的合作目标组成，采用角反射器作为合作目标标志，完成两飞行器间的相对位姿的解算.对其需求分析、设计方案、回光能量测试等进行了讨论，该方案已在神舟十一号载人飞船、天舟一号货运飞船与天宫二号的交会对接任务中成功验证，后续针对空间站及光学舱任务进行适应性修改.     

Precision analysis of autonomous orbit determination using star sensor for Beidou MEO satellite

This paper focuses on the autonomous orbit determination accuracy of Beidou MEO satellite using the onboard observations of the star sensors and infrared horizon sensor. A polynomial fitting method is proposed to calibrate the periodic error in the observation of the infrared horizon sensor, which will greatly influence the accuracy of autonomous orbit determination. Test results show that the periodic error can be eliminated using the polynomial fitting method. The User Range Error (URE) of Beidou MEO satellite is less than 2?km using the observations of the star sensors and infrared horizon sensor for autonomous orbit determination. The error of the Right Ascension of Ascending Node (RAAN) is less than 60?$\mathrm{\mu }\text{rad}$ and the observations of star sensors can be used as a spatial basis for Beidou MEO navigation constellation.