基于脉冲星和双星定位系统的卫星自主定轨

提出了一种利用X射线脉冲星辐射到达时间 (time of arrival, TOA) 测量辅助双星定位系统进行轨道卫星迭代定轨方法,建立了双星可见观测弧段内基于双星距离和观测数据与脉冲星辐射TOA测量的组合量测方程,并应用于EKF(extend Kalman filter),针对几种量测值组合进行了仿真实验。结果表明,在双星覆盖轨道周期内利用脉冲星辅助一颗双星和辅助两颗双星迭代定轨精度分别达到了100 m和50 m水平,而在双星不可见弧段可利用脉冲星进行粗定轨,有效增强了全轨道周期内卫星定轨的自主性。     

天基光学监视系统空间目标定轨精度仿真分析

天基光学监视系统具有获取空间态势信息的优势,是进行空间目标监视与跟踪的重要发展方向。主要研究基于天基光学监视平台的空间目标的可见区域分析和轨道确改进定算法,仿真实现了天基监视系统对空间目标的定轨功能,分析了天基光学监视平台对高、中、低轨三类典型空间目标的定轨精度。通过仿真实验可以得出,由高低轨监视平台组成的联合监视系统提高对空间目标的轨道确定精度,其中低轨空间目标定轨精度误差约20米,中高轨空间目标定轨精度300米左右。

Abstract：

Space-based optical surveillance system has advantages accepting state information of space-objects, and is an important tendency in the realization of surveillance and tracking for resident space objects. The orbit determination theory for space objects and its cover region by space-based optical surveillance system were analyzed. The function for space objects was simulated. The accuracy of three kinds of space objects based on space-based optics surveillance system was studied. Simulation experiment shows the surveillance system which constitutes of high/low orbit surveillance platforms can improve the accuracy of space objects, and therein the orbit determination precision for low-orbit space objects reaches 20m, while that for high-orbit space objects about 300m.     

基于X射线脉冲星的高轨卫星自主初轨确定

介绍了X射线脉冲星轨道确定原理,在分析脉冲星相位模型的基础上,推导了X射线脉冲星轨道确定算法,讨论了时间估计法在解模糊度问题中的应用,针对高轨卫星提出了利用其大致高度信息辅助解模糊度的方法。对地球静止轨道卫星初轨确定进行了仿真,结果表明选用周期较大的脉冲星并采用时间估计与高度信息辅助的方法可以有效解决模糊度问题,并达到几十公里级的初轨确定精度。     

基于天基空间目标监视系统的定轨技术研究

天基空间目标监视系统是进行空间目标监视与跟踪的重要发展方向,通过对美国即将运行的空间目标监视跟踪系统(SBSS)的分析,按照其设计思想和运行环境,仿真实现了SBSS对空间目标的定轨功能.设计了SBSS系统覆盖区域的简易算法,可以快速准确判断目标的可观测区域,为星座设计提供必要的支持.针对星上计算机能力有限的特点,提出了基于拉格朗日5点法求状态转移矩阵的定轨算法.仿真试验证明,SBSS系统对空间目标的覆盖区域比地基监视系统显著增加,同时,改进的定轨算法可显著缩短定轨时间、提高定轨精度,其中低轨道空间目标定轨误差10米,高轨道空间目标定轨误差500米左右.     

空间监视相控阵雷达匹配搜索技术研究

研究空间监视相控阵雷达搜索方法问题。针对常规搜索方法所面临的低轨目标拦截概率和搜索范围间的矛盾,提出基于空间碎片运动特性的匹配搜索方法。基于不同轨道高度空间碎片对搜索数据率要求的差异性,充分利用发射波束的主瓣宽度,将搜索屏看成“慢搜索远距离”和“快搜索近距离”的两个等效搜索屏,分别用于探测高、低轨道目标。在此基础上,通过优化轨道高度划分和波束编排,实现不同轨道高度目标的匹配数据率搜索。最后,利用实际空间碎片轨道根数和雷达散射横截面积数据,仿真比较了匹配搜索方法与常规搜索方法的探测效能,结果表明,匹配搜索方法对于低轨空间碎片的探测效能远高于常规搜索方法,对空间监视相控阵雷达搜索策略和资源管理方法的研究具有重要意义。     

近地天体与空间目标初轨确定的多解问题

针对近地天体与空间目标光学观测资料初轨确定过程中求解Laplace或Gauss八次方程时遇到的多个根无法判别的问题, 提出了一种有效的选择算法。通过构建Laplace八次方程, 分析了八次方程系数与根的个数之间的关系。利用观测平台地心距对八次方程进行归一化, 消除了平凡解, 并分析了方程非伪解个数与观测几何之间的关系。从求解半通径的方程出发, 利用Shefer方程, 推导了斜距约束, 得到了观测时间间隔和斜距变化量之间应满足的方程组的解析形式, 给出了利用该方程组判别非伪解的方法。最后, 对近地天体和空间目标的初轨确定进行了仿真验证, 仿真结果表明本方法能快速且有效地选择出正确的根, 解决了多个非伪解难以选择的问题。     

激光清理地球静止轨道碎片的天基平台控制方法

推导了天基高能激光清理作用地球静止轨道(geostationary earth orbit, GEO)碎片的最佳角度解析关系,分析了天基平台接近碎片过程以及相对碎片空间位置和姿态的相互影响,建立了激光清理GEO碎片的天基平台的轨道姿态耦合动力学模型,考虑了终端状态、安全距离、保持连续观测、控制和状态变量幅值等约束条件,以推进燃料消耗最省为性能指标,依据极小值原理推导了耦合控制方案的最优性内部结构标准,基于hp自适应伪谱法对仿真场景进行了寻优求解和分析验证。仿真结果表明,耦合优化控制方案合理可行,对未来天基激光清理GEO碎片的工程实施具有一定参考价值。     

基于稳健补偿的卫星数据电波折射误差修正方法

折射误差是观测数据包含的主要误差源之一,也是影响卫星跟踪与控制以及轨道确定精度的主要因素。由于实时观测数据采样格式的不同,同一个采样时间内本应互相匹配的测量元素,因为丢失、干扰等而变得不再匹配,从而使得卫星实时跟踪数据包含的折射误差难以准确修正。提出的观测数据双向稳健补偿方法有效地解决了同一采样时间内测量元素的匹配问题,以及折射误差的修正问题,确保了卫星轨道确定的精度。实测数据计算以及定轨结果检验表明,该方法是有效的实用方法。     

多星载光学传感器系统误差极大似然配准算法

针对低轨星座协同探测弹道目标过程中存在系统误差的问题，提出多星载光学传感器系统误差极大似然配准（maximum likehood registration，MLR）算法。通过一阶Taylor近似对非线性量测转换线性化，推导出目标状态的误差协方差与卫星轨道定向、姿态角测量和传感器测量等随机误差的关系，并基于视线交叉获得观测在状态空间中的近似投影，从而将MLR算法扩展到低轨星座多光学传感器的误差配准。通过引入各类测量误差的先验信息对目标状态的误差协方差进行修正，利用期望极大化迭代，实现了对系统误差的无偏有效估计及目标轨迹的融合估计。仿真验证了所提算法的有效性，且配准性能优越。     

基于补偿最小二乘估计法的卫星精密定轨方法

由于卫星轨道观测数据中含有非线性影响因素,必然会降低定轨精度。将半参数回归模型引入卫星批处理定轨方法中,基于半参数回归模型补偿最小二乘估计法,提出了一种卫星事后轨道改进方法,以降低非线性影响并提高定轨精度。当测量数据存在非线性影响因素时,在理论上证明了半参数回归模型补偿最小二乘估计法优于经典最小二乘估计法。最后,对中低轨卫星定轨进行了仿真,结果表明基于半参数回归模型补偿最小二乘估计法的卫星事后轨道改进方法分离出观测数据中的非线性影响因素,从而提高定轨精度。     

基于双星定位系统的近地卫星定轨精度仿真

通过对测距误差特性的统计分析,建立了用于近地卫星精密定轨的距离和观测数据仿真方法,在此基础上构建了基于卫星动力学方程的精密定轨模型,设计了一种基于数值融合法的精密定轨改进算法和测距系统误差参数估计算法,并进行了六类仿真实验。仿真计算结果表明,基于一天的距离和观测数据仿真计算得到的近地卫星定轨精度可以达到15.98米,与利用其他精密定轨软件系统在相同仿真条件下得到的近地卫星定轨精度基本相当,但该算法避免求解状态转移矩阵,具有计算速度快,稳健性好等特点。     

有连续推力控制的卫星轨道确定算法

连续推力轨道控制跟踪过程,观测量中包含推力加速度信息,反映轨道机动过程中卫星动力学的模型误差。以跟踪和精确定位空间机动目标为目的,给出基于地面雷达观测,实时估计推力加速度,修正卫星动力学模型的轨道确定算法。建立连续推力控制过程变质量动力学模型,给出常推力变加速度满足的运动学微分方程;建立变加速度估计系统状态方程和扩展卡尔曼滤波轨道确定算法;并给出连续推力控制过程中卫星运动状态关于变加速度的变分运动方程。实际飞行控制中应用表明,通过离散观测数据,实时估计连续推力变加速度,解决连续推力过程轨道精确确定问题是可行的。     

基于LSTM神经网络的短期轨道预报

针对基于动力学模型的轨道预报方法对卫星自主轨道预报与大量非合作目标轨道预报中存在建模成本过高和缺少目标空间环境信息的问题,提出一种基于误差数据驱动的神经网络轨道预报方法.该方法在解析法动力学模型的基础上,使用长短期记忆神经网络对历史轨道预报的误差进行学习,预测未来短期动力学模型的预报误差,以此对预报结果进行修正.选用A...     

空地联合预警系统的弹道估计实时算法

针对弹道导弹预警系统中的弹道实时估计难题,提出了一种新的卫星与雷达测量数据的加权快速融合方法,它是一种递推式计算方法,对有效测元进行逐个融合计算,可以提高估计精度。在此基础上,探讨了一种基于匹配多项式最小二乘滤波的雷达数据实时处理方法,该算法能有效的降低截断误差。给出了应用这两种方法的具体步骤,理论分析和仿真计算结果表明了算法的有效性。     

低轨卫星物联网场景下基于吸引子选择算法的多星负载均衡算法

低地球轨道(low earth orbit,LEO)卫星物联网系统中由于低轨卫星的高速运动,导致卫星波束覆盖范围内节点业务模型在空间和时间两个维度呈现不均匀性和时变性.针对这一特征,提出一种空时二维卫星物联网业务模型,在空间维度采用网格划分的方法确定不同地理环境下节点密度和坐标位置,在时间维度采用贝塔分布进行建模,从而...     

大型低轨星座部署对空间碎片环境的影响分析

为分析大型低轨(low Earth orbit, LEO)星座部署对未来空间碎片环境的影响,本文利用空间碎片环境长期演化模型(space objects long-term evolution model, SOLEM)研究了大型星座卫星数量、质量、面积、部署高度及任务后处置(post mission disposal, PMD)策略等因素对碰撞次数和碎片数量的影响。分析可知,卫星数量和面积主要影响碰撞次数,而卫星质量主要影响由碰撞产生的新增碎片数量。在满足任务条件下,可综合考虑三者关系选取最合适方案。同时,星座部署在1 100 km高度对空间碎片环境影响较大,在遵守25年规则的前提下应将PMD成功率提升至95%以上。     

大型低轨星座部署对空间碎片环境的影响分析

为分析大型低轨(low Earth orbit, LEO)星座部署对未来空间碎片环境的影响,本文利用空间碎片环境长期演化模型(space objects long-term evolution model, SOLEM)研究了大型星座卫星数量、质量、面积、部署高度及任务后处置(post mission disposal, PMD)策略等因素对碰撞次数和碎片数量的影响。分析可知,卫星数量和面积主要影响碰撞次数,而卫星质量主要影响由碰撞产生的新增碎片数量。在满足任务条件下,可综合考虑三者关系选取最合适方案。同时,星座部署在1 100 km高度对空间碎片环境影响较大,在遵守25年规则的前提下应将PMD成功率提升至95%以上。     

稀疏轨道信息下的非合作飞行器机动识别方法

在已知信息为稀疏轨道根数情况下, 针对非合作飞行器的机动参数识别问题进行了研究, 提出一种基于轨道反演的机动参数识别方法及相应的求解算法。首先, 建立轨道反演模型及机动参数识别优化模型。然后, 提出一种“全局寻优+局部修正”的双重优化算法。最后, 对提出的机动参数识别方法进行了仿真校验。结果显示, 双重优化方法能够有效求解本文的优化模型, 所提方法在误差允许范围内能够有效识别机动参数。研究为有限信息下的非合作飞行器的机动识别提供了一种思路, 一定程度上保障了空间飞行器的在轨安全。