空间目标天基光学定位方法综述

近年来空间目标定位领域不断结合网络协同、多模融合等探测技术,发展迅速。其中,基于天基光学探测的定位方法以隐蔽性好、测量精度高的独特优势在民用和国防领域应用广泛。为了分析不同情景下适用于不同类型目标的定位方法,针对基于天基光学探测的空间小目标定位进行综述。首先介绍天基光学探测技术的发展、空间目标的分类和特点以及空间目标定位的概念。然后着重分析适用于空间“小、弱”目标的单星和多星定位方法,并对近年提出的异质传感器联合定位展开说明。最后,依据成像过程建立空间目标定位误差分析模型,分析定位精度的影响因素占比并根据现存问题做出总结和展望。

天基光学短弧观测约束域的粒子群优化定轨方法

针对空间目标定轨问题,提出一种利用两段天基光学短弧观测数据的粒子群优化定轨新算法。在介绍天基光学短弧观测测量帧集、测量约束域及目标函数构造的基础上,为解决已有的基于网格搜索思想寻优的算法存在的多解、局部最优解及运算量过大等问题,提出了一种利用粒子群优化算法在约束域内对目标函数值寻优达到定轨目的的新算法。对算法的性能进行了仿真验证。多次仿真结果表明:该算法大大降低了计算量,且有效地解决了目标函数多解和局部最优解问题,对目标定轨的精度与定轨算法的克拉美罗下限接近。

一种天基光学GEO目标定位方法及初轨算法观测几何评价

提出一种基于天基光学短弧观测数据对GEO区目标进行定位的方法,以GEO区目标半径、偏心率为几何约束,通过最小二乘法估计目标位置、速度,估计结果可作为初轨算法的输入,也可以为初值预测轨道,引导其它平台对目标观测。利用广义Laplace初轨算法对多平台多观测弧段处理,为表征观测几何对定轨性能的影响,将几何精度因子(GOP)扩展到多平台多观测弧段,并引入几何精度因子的误差灵敏度(ESGOP)表征测量误差对观测几何的影响,仿真结果表明:对GEO目标而言,当GOP不小于0.03、ESGOP不大于0.005时,对目标的初轨精度可控制在50km之内。

天基光学观测低轨多目标跟踪的多模型CPHD滤波方法

低轨多目标跟踪是天基光学系统信息处理需要解决的重要问题之一。提出了一种基于多模型势概率假设密度(CPHD)滤波的跟踪方法,建立了描述低轨目标运动的常轴向力模型和二体力学模型,给出了天基测量模型,将低轨目标的运动模式和运动状态组合成扩展状态,利用CPHD滤波递推扩展状态的验后概率假设密度(PHD)和目标数量的验后概率密度,能够同时得到目标状态和目标数量的估计。仿真结果表明,多模型CPHD滤波对目标数量和目标状态的估计精度相对多模型PHD滤波和单模型CPHD滤波有显著提高。

基于改进Phong模型的天基光学观测GEO目标姿态估计方法

针对于缺少基于天基光学观测的空间目标姿态估计的问题,提出将无味卡尔曼滤波应用于基于天基光学观测的地球同步轨道目标姿态估计中.以光学横截面积代替星等作为观测量,提高观测方程的线性化水平,实现观测方程的简化;同时建立基于改进Phong模型的光学横截面积观测模型,在提高观测方程描述能力的同时,以角度作为模型的输入,极大地简化了计算,增强了实时性.最后,以贴敷聚酰亚胺薄膜及朗伯体材质的长方体为例,对比分析了姿态估计情况,验证了所提方法的有效性;并进一步对正六棱柱、正八棱柱进行了姿态估计.

空间目标天基光学观测模式分析

对空间目标的监视可采用地基和天基两种方式实现。与地基观测相比,天基观测在空域覆盖性和监视时效性等方面具有较大优势,空间目标天基观测技术已成为当今空间领域的前沿性技术。目前,许多国家和组织都在大力发展空间目标天基观测技术。天基光学观测可采用光学栅栏、特定天区和地球同步带搜索方式实现空间目标的捕获；可通过恒星跟踪和天文定位方法获取空间目标的位置信息；可采用等待或跟踪方式实现对目标的成像。

空间目标天基光学跟踪可观测性分析

针对天基光学监视跟踪系统可观测性问题,建立了空间目标天基光学监视跟踪模型,引入跟踪滤波误差下限(CRLB)和系统可观测度定义,并提出了瞬时可观测度概念.结合仿真实验对测量条件、观测几何以及系统配置等影响系统跟踪可观测性的因素进行了分析.仿真结果表明,所提出的可观测分析方法能实现对天基光学定位跟踪系统性能的客观有效评定.

LEO轨道危险碎片天基光学观测技术

低轨危险空间碎片可对航天器造成灾难性损伤,对空间碎片的远程探测与识别是实施碎片规避和碎片清除任务的基础和前提。但由于该类目标信号微弱、运动速度快、光学特性存在时变和不确定性,因此,对其探测与识别提出了严重挑战。针对远距离危险空间碎片的实时监测、识别、碰撞预警、精确定轨的迫切需求,为给天基载荷发展与设计提供支持,总结了电荷耦合器件、雪崩光电二极管、位置读出光子计数探测器等器件的主要性能,并对基于不同探测器的探测技术用于LEO轨道危险碎片天基光学观测的能力进行了比较分析。

基于天基光学短弧观测的GEO卫星分选

提出一种基于天基光学短弧观测数据集分选同步带目标的方法,引入测量属性和约束域概念。为利用短弧观测数据中的有效信息,以目标和平台的相对距离和距离变化率为坐标轴,建立约束域平面。利用GEO（地球同步轨道）目标运动特点,通过能量约束和假设轨道反演2种方法,从多个目标轨迹中分选出GEO目标。仿真结果表明,该算法可在数据库不完备的条件下通过短弧观测分选出同步轨道卫星。

基于立体观测的空间目标天基光学监视定位

利用天基观测平台实现对空间目标的有效监视是空间监视的发展方向和必然趋势。本文提出充分利用天基光学观测灵活性，采用基于双／多星立体观测定位的方法，提高空间目标监视定位效能，并就系统观测条件进行分析。

基于天基光学观测的空间碎片运动轨道仿真

根据天体力学与测量的相关原理,结合太阳晨昏轨道卫星数据和光学相机观测范围信息,本技术提出基于天基光学观测平台的空间碎片运动轨道仿真方法,并且依据仿真方法给出仿真实例,进一步验证了该方法的有效性和正确性,为后续深入研究空间碎片相关问题奠定基础。

空间目标天基光学成像观测现状研究

地球静止轨道(GEO)因其轨道特殊性,常常运行着各国天基信息网的关键节点卫星,对地球静止轨道带内目标的跟踪观测便显得极为重要。针对近年来国外对地球静止轨道带的观测方式和技术,对美国和加拿大等国的空间目标天基观测现状进行了研究。首先从时空角度、覆盖范围等方面总结了天基光学成像观测的优势,其次结合美国和加拿大近来的研究情况分析了地球静止轨道目标天基光学成像观测的研究现状和不足之处,最后给出了地球静止轨道目标天基光学成像观测的发展趋势。

天基光学平台下弹头与气球诱饵中段观测运动差异分析

为了解决弹道导弹在中段释放气球诱饵伴飞,以干扰天基光学防御系统对导弹目标进行精确跟踪识别的问题,基于弹头和气球诱饵质阻比的差异,利用美国NRLMSISE-00(Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter radar Exosphere,海军研究实验室质谱仪和非相干散射雷达大气经验性模型)对气球诱饵进行相应动力学分析,得出气球诱饵在弹道中段的大气阻力模型。然后给出了J2摄动下,气球诱饵经过阻力修正后较精确的中段运动模型,并将结论引入到天基光学平台中,进行观测仿真实验。结果表明,在200km以上的高空,大气阻力对于弹头和气球诱饵的影响微弱,可忽略不计,在观测像平面中表现为一块难以区分的亮斑;而在100~200km高度范围内,气球诱饵受大气阻力影响剧烈,在观测像平面内的运动与弹头存在较大差别,具有较强的可区分性。

基于天基观测网络的卫星光学定位研究

对于空间高速运动目标比如导弹来说,通过天基网络对目标进行光学定位,可以很好地改善地基观测系统定位精度不高的问题。在本文的研究中先对单星的可观测性能进行了分析,然后基于天基观测系统中的双星目标几何定位得到目标的位置信息,再使用无迹卡尔曼滤波算法(UKF)对目标进行定位跟踪。从仿真结果分析可知,无迹卡尔曼滤波算法在对超高速运动的目标进行定位跟踪时有更高的稳定性和优越性,可使得对目标的定位误差达到100 m/1000 Km以下。

天基光学传感器的视线测量误差分析

针对天基光学传感器的视线测量误差分析问题,提出一种基于多因素分析的视线测量误差分析方法。利用目标到光学传感器像平面的转换关系,建立目标观测模型。分析视线测量过程中的各种误差源,从理论上推导地惯坐标系下的视线测量误差与卫星轨道误差、卫星姿态误差、传感器指向误差以及像元分辨率的关系。Monte Carlo仿真试验验证了该理论分析方法的有效性,分析结论可以为工程应用提供参考。

基于虚拟测距的单星光学监测空间目标定轨方法

基于单颗天基卫星的光学监测数据在轨道改进时的可观测性差,迭代难以收敛,甚至法方程病态,造成大批量空间目标编目定轨失败。本文分析了仅利用单星光学监测确定空间目标轨道的特点和难点,针对基于天基监测的定轨亏秩问题和单星光学监测定轨的可观测度进行了研究。基于先验轨道信息建立了虚拟测距模型,提出了一种利用虚拟测距和天基测角数据联合的轨道改进方法,提高了利用单颗天基卫星的光学监测数据定轨系统的可观测性。采用我国首颗天基监测试验卫星2015年某40天内监测到的400多个目标的实测数据进行验证,添加虚拟测距后,定轨成功率由原来小于10%提高到90%以上,同时提高了轨道确定精度。

小倾角LEO多星天基平台光学跟踪GEO精密定轨

针对地基卫星测控系统(TrackingTelemetryandCommand,TT&C)系统对地球静止轨道(Geostationary EarthOrbit,GEO)卫星在空间和时间覆盖上的局限性,提出小倾角低地球轨道(LowEarthOrbit,LEO)多星组网天基平台对GEO卫星进行跟踪定轨的方法.根据空间环境和光学可视条件对仿真数据进行筛选以模拟真实的观测场景,利用光学测角数据,使用数值方法对GEO卫星的轨道进行确定.结果与参考轨道进行重叠对比,在平台轨道精度5 m、测量精度5′′、定轨弧长12 h的情况下,两颗LEO卫星对GEO卫星进行跟踪定轨的精度可达到千米量级,4颗LEO卫星对GEO目标进行跟踪定轨的精度可达到百米量级.随着LEO组网卫星数量的增加,定轨精度得到了较大的提高.

海上机动目标的天基观测体系的观测预判算法

为了适应海上机动目标的天基观测所具有的时间敏感性、不完全信息和复杂环境等三大特征,并克服这些特征给观测造成的困难,提出了一种天基观测体系来观测海上机动目标.在天基观测体系中,先由观测范围大的电子侦察卫星确认目标是否存在,再由观测精度高的光学成像卫星对目标查证识别,从而完成观测任务.设计了一种光学成像卫星观测可行性预判算法,天基观测体系可以根据此算法提前判断光学成像卫星能否直接观测目标或者能否通过侧摆来扩大观测范围进而观测到目标,并预估目标被光学成像卫星观测的具体时刻.若确定光学成像卫星侧摆后能够观测到目标则令其侧摆,既能增加体系完成观测任务的机会,又能避免频繁侧摆对卫星造成不利影响.天基观测体系的预判依赖于一种针对海上机动目标的位置预测算法,该算法采用最小二乘法对电子侦察卫星采集到的目标时空轨迹数据进行空间直线拟合,以拟合直线作为目标的预测航迹,结合目标的预测速度推理目标在未来时刻的位置坐标.采用基于Agent的建模与仿真方法在体系效能分析仿真平台上对天基观测体系进行了建模仿真,考察了体系和相关算法应对沿不同航迹行动的目标效果.仿真结果显示,观测预判算法能够使天基观测体系完成观测任务的次数至少增加200%,且算法准确率、精度和召回率都在95%以上.

地月DRO星载光学测量近地小行星轨道确定

针对地基光学监测系统对近地小行星在近太阳方向的监测存在盲区的问题,提出了远距离逆行轨道(Distant Retrograde Orbit,DRO)天基光学平台对近地小行星进行跟踪定轨的方法.通过可视性分析,筛选仿真观测数据,利用美国宇航局喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)公布的小行星初始轨道信息对不同轨道类型的目标天体进行轨道确定,将计算结果与参考轨道对比分析.仿真结果表明:在测量精度2角秒,定轨弧长3年的情况下,DRO平台对仿真算例中所选择的近地小行星的定轨精度可以达到几十公里量级,其中Atira型轨道精度可达10公里以内.由此可见,DRO天基平台对近地小行星具有较好的监测能力,定轨精度能实现对目标小行星的精确跟踪,并对其进行轨道预报.

应用距离搜索的低轨空间碎片初始轨道确定方法

使用低轨天基光学望远镜扫描式观测低轨空间碎片,由于两者的相对运动较快,只能获得很短时间内的角度观测值(甚短观测弧段),使用传统的Gauss方法和Gooding方法很难得到精确的空间碎片初始轨道。为此,文章提出了一种新的方法,在给定的一组角度观测值中,通过搜索其中2个时刻的距离信息,将纯角度的初始轨道确定问题转换为基于2个位置矢量的初始轨道确定问题;再利用其他时刻的角度观测值进行检核和约束,筛选出最优的初始轨道结果。利用文章方法对空间碎片在10~60s内的503个观测弧段进行处理,结果表明,其定轨误差与角度观测值变化率有关。将文章方法所得结果与Gauss方法和Gooding方法进行比较,证明文章方法在解的成功率和精度上都显著优于其他2种方法,能很好地确定空间碎片的初始轨道。