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.      

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.      

基于逆多项式轨迹成形法的小推力轨道设计

轨迹成形法是一种基于反向设计思想的轨道设计方法,它假设待研究的轨道呈现某一形状,利用数学曲线进行逼近从而得到设计结果.逆多项式轨迹成形法为小推力地球转移轨道设计和数值求解最优轨迹过程中初值的选取提供了新的研究思路.首先结合轨道动力学方程和逆多项式曲线模型给出了轨迹成形法的设计过程,并在考虑时间约束的情况下对小推力转移轨道进行设计.仿真结果表明逆多项式轨迹成形法适宜于小推力转移轨道设计,并且其设计结果是一组近优解,可以作为求取精确最优轨迹的初值猜测.     

基于遗传算法的最优Lambert双脉冲转移

研究了初始位置和转移时间不固定的Lambert双脉冲轨道转移的数值解,用三 维图和截面图直观显示了初始位置、转移时间和速度增量的关系,并说明了其在实际工程任 务中的应用价值.基于数值解,提出了Lambert双脉冲轨道转移的优化问题.目标是找到最 优初始位置和转移时间,使燃料和时间的加权和最小.给出了遗传算法求解该优化问题的设 计步骤.该算法应用于2个算例:①平面圆轨道的燃料最优转移,并将遗传算法和Hohmann 转移的结果进行了比较;②椭圆轨道、初始位置有约束的燃料和时间最优转移.结果说明 了遗传算法寻找最优转移解是准确有效的.      

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。     

基于期望最大算法的空间事件及异常值探测

美国ELSET数据库提供的TLE数据是目前使用最广泛的数据,在热层大气密度反演、弹道系数估计、碰撞预警等领域具有重要作用。受空间环境扰动、空间事件以及TLE产生过程等共同影响,ELSET数据库包含大量亟待清理的异常值和识别的空间事件,例如发布错误的TLE、轨道根数异常和Bstar异常。现有方法在清理异常轨道根数时缺乏统一性,需要使用不同的技术,清理流程较为繁杂,并且仅适用于特定轨道区域的少数目标。为克服现有方法的弊端,提出了一种基于期望最大算法的滑动窗口–多项式拟合预报方法,对含有轨道机动的碎片以及受空间环境影响的碎片进行异常值与空间事件探测。研究表明,该方法能够灵活处理不同空间环境下的异常值与空间事件探测,具有普适性,适用于所有轨道碎片。      

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。     

ICCP中单纯形优化的误匹配检测

在迭代最近等值点ICCP(Iterative Closest Contour Point)算法的地形辅助导航中,利用单纯形优化方法实现对最优航迹的估计,但在匹配中往往得到的只是局部最优解,导致误匹配发生,严重时导致匹配发散.以ICCP算法为研究对象,研究并建立了ICCP方法的误匹配判断准则,以减小误匹配误差的影响和提高匹配精度.利用概率数据关联建立ICCP算法的误匹配判断准则,仿真结果表明,与无误匹配方法匹配结果相比,提高了其收敛性和精度;与 M/N 方法相比,降低了误匹配概率的30%,提高了导航的精度和算法的稳定性.     

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.      

Use of two-line element data for thermosphere neutral density model calibration

Traditional empirical thermospheric density models are widely used in orbit determination and prediction of low-Earth satellites. Unfortunately, these models often exhibit large density errors of up to around 30% RMS. Density errors translate into orbit errors, adversely affecting applications such as re-entry operations, manoeuvre planning, collision avoidance and precise orbit determination for geodetic missions. The extensive database of two-line element (TLE) orbit data contains a wealth of information on satellite drag, at a sufficiently high spatial and temporal resolution to allow a calibration of existing neutral density models with a latency of one to two days. In our calibration software, new TLE data for selected objects is converted to satellite drag data on a daily basis. The resulting drag data is then used in a daily adjustment of density model calibration parameters, which modify the output of an existing empirical density model with the aim of increasing its accuracy. Two different calibration schemes have been tested using TLE data for about 50 objects during the year 2000. The schemes involve either height-dependent scale factors to the density or corrections to CIRA-72 model temperatures, which affect the density output based on a physical model. Both schemes have been applied with different spherical harmonic expansions of the parameters in latitude and local solar time. Five TLE objects, varying in perigee altitude between 280 and 530 km, were deliberately not used during calibration, in order to provide independent validation. Even with a single daily parameter, the RMS density model error along their tracks can already be reduced from the 30% to the 15% level. Adding additional parameters results in RMS errors lower than 12%.     

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.      

一种基于火箭视位置与视速度的航天器初轨确定方法

为了充分利用航天器初始轨道确定的信息源,不断完善地面测控系统定轨手段和方法,提出了一种基于火箭视位置与视速度的航天器初始轨道确定方法.首先对火箭视位置与视速度测量弹道的原理进行了分析;然后利用火箭秒节点计算机字(视速度)以及某一点的初始弹道(初始位置矢量、速度矢量),通过对火箭的运动方程进行逐秒积分,以获得每秒的位置矢量和速度矢量,再转换为弹道数据,并利用此数据直接确定航天器初始轨道.最后通过某太阳同步轨道卫星实测数据仿真计算,证明了方法的正确性和可靠性.      

返回式航天器轨道周期变率确定及预报的数值方法

对返回式航天器进行变轨控制计算时要用到平均轨道周期变率,而数值法定轨通常求解的是大气阻力系数,无法直接得到平均轨道周期变率。文章通过建立航天器精密动力学模型、数值积分器、瞬时轨道根数到平均轨道根数的转换算法和平均周期序列多项式拟合算法,提出了一种基于数值法精密轨道确定和预报计算平均轨道周期变率的数值方法。     

载人月球极地探测定点返回轨道设计

针对载人月球极地探测任务，对定点返回轨道优化设计问题进行了研究。根据月球极地轨道的特性，介绍了三种返回轨道机动方案。结合三脉冲变轨方案，采用了从初步计算到精确计算的串行求解策略，对定点返回轨道进行优化设计。初步计算阶段，建立了基于近月点伪参数的三段二体拼接模型，将三脉冲机动段与月球逃逸段解耦，求解轨道初值；精确计算阶段，提出了两段拼接方法，分别进行逆向和正向高精度数值积分。经过仿真测试，验证了该策略求解的有效性和准确性。最后，通过大量的仿真计算，分析了定点返回轨道的特性。研究结论对未来载人月球极地探测定点返回轨道方案的设计具有重要的参考价值。     

Atmospheric reentry hemisphere prediction for prograde orbits using logical disjunction

A unique logic-based algorithm for atmospheric reentry hemisphere prediction is presented for spacecraft in low-eccentricity, prograde low Earth orbits at altitudes of 300 km and lower. Using two-line element (TLE) data for initial orbit conditions, coupled with coarse estimates for spacecraft aerodynamic characteristics, the algorithm relies on logical disjunction operations based on a dual analysis of histogram and two-weighted Gaussian probability density function (PDF) fits of predicted reentry latitude data. The algorithm requires the execution of a series of parametric simulations to determine the reentry hemisphere for variations in spacecraft aerodynamic coefficients and drag reference area. When implemented, the algorithm yields accurate hemisphere predictions on average 15 days from reentry as demonstrated by historical reentry cases from 1979 to 2018. All reentry cases were selected to demonstrate the algorithm’s ability to deliver accurate reentry hemisphere predictions for spacecraft with varying physical size and mass, and reentering during different periods of solar cycle activity.     

精确动力学模型下的火星探测轨道设计

首先在二体意义下采用粒子群优化算法（PSO）求解Lambert问题,确定发射窗口和二体地火转移轨道。使用圆锥曲线拼接法设计地心停泊轨道、逃逸轨道,并作为轨道精确设计的初值,以建立在火星的B平面参数和地火转移时间为约束,在精确动力学模型下进行微分迭代修正,最终得到满足约束的精确轨道。将设计轨道在STK软件中仿真,结果吻合。