空间目标碰撞预警的协方差计算与应用

碰撞概率是碰撞预警工程中空间目标危险交会的重要判据之一,其计算精度会受到预报协方差计算精度的影响. 本文统计计算了两种形式的预报协方差. 一是利用精密数值预报模型对卫星精密根数进行预报,将预报根数与精密根数的差作为样本,统计得出1～7天不同预报期的预报协方差;二是采用 SGP4/SDP4预报模型对TLE数据进行预报,将预报根数与TLE根数的差作为样本,统计得出1～7d不同预报期的预报协方差. 分别分析两种方法中包含变轨过程和无变轨情况下的轨道预报精度. 结合2012年某低轨道卫星的危险交会,分析了采用不同协方差时,协方差精度对碰撞预警精度的影响. 协方差计算可为实际碰撞预警工程提供参考.      

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.      

基于随机点模拟方法分析空间目标危险交会

基于SGP4模型在空间目标轨道预报中的应用, 在预报的位置速度信息和误差 信息基础上, 提出一种空间两目标碰撞预警的分析方法, 即随机点模拟方法. 与传统的交会平面积分方法相比, 其主要有两点不同: 一是在误差信息中考虑 了误差均值的影响, 即误差椭球不再以预报位置为中心分布; 二是在分析方 法上侧重于真实模拟可能的交会情形, 而不忽略任一方向上的误差. 通过算例分 析验证了该方法的可行性, 结果表明误差均值的非零性使得最大碰撞概率不 一定出现在预报的最近交会距离时刻. 同时仿真结果还表明, 两目标在相对速 度方向上的相对位置仍然存在误差, 这可能造成随机点模拟的碰撞概率计算 值较交会平面积分方法偏小. 不同的碰撞预警分析方法对应不同的预警门限, 根据文中实例, 初步确定10-6为随机点模拟方法的红色预警值.      

利用精化误差进行危险交会分析

空间碎片碰撞预警工作主要针对的是可监测的较大空间碎片, 预测航天器与碎片之间的碰撞风险, 并根据一定的预警判据来评估风险的大小, 进而做出合理的轨道规避决策. 碰撞概率是碰撞风险评估的重要依据. 复合体尺寸、交会距离和误差是影响碰撞概率的三个决定性因素. 当复合体尺寸与交会距离差别不大时, 误差因素对碰撞概率结果起着决定性的作用. 在利用整天误差计算碰撞概率的基础上, 提出了利用精化误差计算碰撞概率的方法, 在危险交会分析中取得了良好的效果.      

月球轨道交会对接任务辅助预报系统设计与验证

针对月球轨道自主交会对接制导、导航与控制(GNC)系统任务特点,设计一种基于人机协同框架的月球轨道自主交会对接过程辅助预报系统.该系统包括利用机器学习方法构建交会对接安全性规则知识库和安全性辅助预报两个部分.首先,在地面半物理仿真试验环境中,对导航监视相机拍摄的图像进行特征提取和匹配,利用图像特征与交会对接偏差组成训练样本对,用决策树方法构建安全性规则知识库.然后,利用安全性规则知识库,根据交会对接飞行过程中监视相机拍摄的当前状态的图像预报交会对接后续过程的安全性,给出成功的概率.通过地面半物理实验表明,该系统能够提升飞行控制过程中的智能化水平,有效协助地面飞行控制人员进行数据监视与任务决策.     

基于太阳10.7 cm射电流量的全日面耀斑预报方法

太阳耀斑是一种重要的太阳爆发活动现象,表现为近乎全波段的电磁辐射增强。统计表明,太阳活动水平越高,太阳爆发越频繁,耀斑爆发的概率越大。利用1975-2007年10.7 cm流量与耀斑爆发的统计关系,建立了一种可行的全日面爆发耀斑概率的预报方法,能够实现C,M,X三种级别的耀斑在全日面爆发的概率预报。通过2008-2016年的观测数据,对模型进行了预报性能的评估,得到模型对C,M,X级耀斑发生概率的预报误差均较小,Brier评分误差分别为0.113,0.087,0.012;模型的预报性能均比平均模型有提高,对C,M,X级耀斑发生概率预报的Brier技巧评分分别为0.250,0.106,0.012。在2008-2016年未来1天耀斑预报的模型实测中,模型的预报效果与中国科学院空间环境预报中心的预报效果相当,这说明该模型在实际的空间环境预报中切实可行。     

大气密度模型球谐修正研究

大气模型修正是提高模型精度的一种重要方法.利用CHAMP卫星高精度加速仪反演的密度数据,采用球谐函数的形式对NRLMSISE-00模型进行修正.为了消除轨道高度变化对密度修正结果的影响,将密度数据同化到同一高度处,计算修正之后的密度误差,进而对未来三天的密度进行预报.结果表明,经球谐修正后,修正误差和预报误差均有显著降低.在太阳活动高年,修正误差可降至10%左右,提前1~3天预报精度分别提高31.34%,21.39%和13.75%;太阳低年时修正误差可降至14%左右,提前1~3天预报精度分别提高55.03%,47.79%和43.60%.      

空间目标碰撞概率的显式表达式及影响因素分析

在圆轨道情况下推导了空间目标碰撞概率的显式表达式,将碰撞概率表示为空间目标交会几何条件(过交线高度差、过交线时间差、轨道夹角等)和RSW坐标系误差方差的显式函数.根据显式表达式对碰撞概率的影响因素进行了分析,研究了过交线高度差、过交线时间差、轨道夹角、位置预报误差、等效半径等因素对碰撞概率的影响,得出了一些有意义的结论.     

ESA’s process for the identification and assessment of high-risk conjunction events

ESA’s Space Debris Office provides an operational service for the assessment of collision risks of ESA satellites. Currently, the ENVISAT and ERS-2 missions in low Earth orbits are covered by this service. If an upcoming high-risk conjunction event is predicted based on analysis of Two-Line Element (TLE) data from the US Space Surveillance Network, then independent tracking data of the potential high-risk conjunction object are acquired to improve the knowledge of its orbit. This improved knowledge and the associated small error covariances derived from the orbit determination process scale down the position error ellipsoid at the conjunction epoch. Hence, for the same miss-distance, in most cases an avoidance manoeuvre can be suppressed with an acceptable residual risk.     

Improved orbit predictions using two-line elements

The density of orbital space debris constitutes an increasing environmental challenge. There are two ways to alleviate the problem: debris mitigation and debris removal. This paper addresses collision avoidance, a key aspect of debris mitigation. We describe a method that contributes to achieving a requisite increase in orbit prediction accuracy for objects in the publicly available two-line element (TLE) catalog. Batch least-squares differential correction is applied to the TLEs. Using a high-precision numerical propagator, we fit an orbit to state vectors derived from successive TLEs. We then propagate the fitted orbit further forward in time. These predictions are validated against precision ephemeris data derived from the international laser ranging service (ILRS) for several satellites, including objects in the congested sun-synchronous orbital region. The method leads to a predicted range error that increases at a typical rate of 100 m per day, approximately a 10-fold improvement over individual TLE’s propagated with their associated analytic propagator (SGP4). Corresponding improvements for debris trajectories could potentially provide conjunction analysis sufficiently accurate for an operationally viable collision avoidance system based on TLEs only.     

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%.     

空间可展开结构区间模型修正方法

传统的模型修正未考虑工程中存在的几何尺寸、材料参数、间隙等不确定性,修正后有限元模型预测精度较低。为提高有限元模型的预测精度,准确预测结构的静动力学特性,对考虑参数不确定性的模型修正进行了研究,提出了一种基于Kriging模型和泛灰数的区间模型修正方法。首先,通过灵敏度分析确定待修正参数,并以修正参数为变量,构造基于Kriging模型的区间响应目标函数;其次,引入泛灰数将区间优化问题转换为区间上限和区间直径两个全局优化问题;然后,利用Kriging模型结合遗传算法给出修正后的参数区间形式;最后,通过该方法对含铰链间隙的某空间可展开结构进行了模型修正。结果表明,修正后参数区间与真实区间重合度较高,修正后结构响应预测区间与实际区间吻合,验证了方法的有效性,为大型空间可展开结构的模型修正提供了一个有效可行的途径。     

空间目标预警阈值确定分析

针对目前通常采用计算碰撞概率来进行空间目标碰撞预警的方法,为提高其评判标准的精度以达到提高航天器精准预警的目的,分析了目前空间目标碰撞概率阈值确定过程的总体框架.对阈值确定过程中所涉及的误差协方差矩阵确定方法、碰撞概率计算以及碎片通量计算方法进行了研究.以国际空间站（ISS）为例,通过计算其所在空间的碎片通量,分析其轨道受空间环境的影响情况,并与早期结果进行比较,得出其以往的碰撞概率阈值可能被高估的结论.      

Accurate orbit predictions for debris orbit manoeuvre using ground-based lasers

Orbit manoeuvre of low Earth orbiting (LEO) debris using ground-based lasers has been proposed as a cost-effective means to avoid debris collisions. This requires the orbit of the debris object to be determined and predicted accurately so that the laser beam can be locked on the debris without the loss of valuable laser operation time. This paper presents the method and results of a short-term accurate LEO (<900 km in altitude) debris orbit prediction study using sparse laser ranging data collected by the EOS Space Debris Tracking System (SDTS). A main development is the estimation of the ballistic coefficients of the LEO objects from their archived long-term two line elements (TLE). When an object is laser tracked for two passes over about 24 h, orbit prediction (OP) accuracy of 10–20 arc seconds for the next 24–48 h can be achieved – the accuracy required for laser debris manoeuvre. The improvements in debris OP accuracy are significant in other applications such as debris conjunction analyses and the realisation of daytime debris laser tracking.