空间监视雷达高精度实时目标定轨方法

地基空间监视雷达肩负着新目标发现、编目维持、空间事件监视等太空态势实时感知任务。在太空态势实时感知任务中,必须对空间目标进行实时高精度目标定轨。这类任务对实时性和精度要求都很高,传统方法难以满足任务需求。例如,传统的空间目标定轨算法为事后处理,为达到任务的精度要求需要积累多天多圈数据,不能满足此类任务的实时性要求。而传统的雷达目标跟踪滤波算法仅支持单弧段,其精度无法达到应用要求。为此,本文提出了基于高精度空间目标轨道模型和空间目标轨道预报误差协方差传播理论的不敏卡尔曼滤波(UKF)。该方法采用高精度空间目标轨道模型,支持多装备多弧段雷达观测数据,可以很好地解决多弧段滤波中断导致协方差不匹配的问题。根据仿真实验,跟踪三圈后,实时定轨的目标位置精度可以达到百米级,速度精度达到分米级。

基于超宽带技术的运动目标跟踪高精度定位系统设计

为克服运动目标不断变化导致跟踪定位精度较低的问题,设计基于超宽带技术的运动目标跟踪高精度定位系统;图像采集模块由FPGA单元、VGA显示单元、帧缓存单元以及图像采集单元构成,以此实现运动目标跟踪与定位中的图像采集,在超宽带技术模块中,设计超宽带运动目标定位所需的天线、定位基站、移动节点,完成超宽带动态组网,实现硬件系统的设计;基于硬件系统采集到的图像,实施图像灰度化处理、形态学滤波处理,以增强图像中有用的信息,设计TLD运动目标跟踪算法,随着运动目标开始运动,TLD模型会不断学习跟踪的运动目标,获取目标在距离、景深、角度等层面的改变,并不断学习、识别,达到良好的跟踪效果,基于超宽带技术设计运动目标动态定位算法,依据跟踪结果实现运动目标的高精度定位,完成软件系统的设计;实验测试结果表明,该系统在中、远距离目标跟踪与定位实验中跟踪错误率低于0.60%、2.4%,沿着S型运动时,路线弯折处的定位误差较低,与实验运动目标的飞行路线相贴合,具有良好的定位能力。

基于多目标优化的高速铁路车辆-轨道-桥梁空间耦合系统模型修正研究

为了提高高速铁路车辆-轨道-桥梁空间耦合系统仿真结果的准确性,提出1种基于多目标优化的模型修正方法。以高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道为模型修正对象,建立高速铁路车辆-轨道-桥梁空间耦合系统模型,基于现场实测的轴箱加速度和仿真结果验证模型的可靠性。建立多目标模型修正函数,采用拉丁超立方法对模型参数进行灵敏度分析,获得待修正参数。基于多岛遗传算法,对多目标模型修正函数进行全局寻优,完成模型的修正。结果表明:修正后的仿真模型既能准确地反映轴箱加速度的时域分布特征,又能准确地模拟轨道及桥梁结构的动态响应,因而基于多目标优化的高速铁路车辆-轨道-桥梁空间耦合系统模型修正是有效和可行的。

星载GPS数据及高精度轨道模型在极轨卫星轨道计算中的应用

利用GPS测量的卫星位置数据,计算出卫星的瞬时位置和速度,并以此为初值,用基于数值积分的高精度轨道模型对卫星轨道进行预报。将这种方法分别用于Terra/MODIS和Aqua/MODIS的轨道计算,并与GPS测量的卫星轨道进行比较。结果表明:由此方法计算出的卫星在某一时刻瞬时速度矢量与GPS测量的卫星速度偏差不超过±0.1 m/s;再以此为初值计算卫星位置和速度,与GPS测量值进行比较,在Terra/MODIS和Aqua/MODIS一条时长约10 min的轨道数据中卫星位置偏差不超过±40 m,速度偏差不超过±0.2 m/s。因此该方法基本适用于FY-3卫星轨道计算,且根据数值方法计算结果的连续稳定性,还可以用于检验GPS测量数据的可靠性。

简单二体引力模型用于空间目标轨道面交线确定的效果分析

在空间目标碰撞预警分析中,准确地计算出空间目标的轨道面交线是进行地心距筛选、时间差筛选的前提,目前较多使用的快速确定轨道面交线的方法为简单二体引力模型.深入分析该模型,比较了其计算的空间目标轨道面交线与STK计算结果的差异,指出了简单二体引力模型在计算空间目标轨道面交线时的局限性,认为轨道摄动是影响轨道面交线计算准确性的主要原因,应该采用更能反映空间目标实际运动规律的改进的二体引力模型的方法.

一种空间目标高精度指向控制方法

针对空间动目标指向任务对卫星提出的高精度控制需求,研究了卫星星体/快反镜二级复合系统的指向控制问题,给出了一种空间运动目标高精度指向控制方法。首先,基于近圆轨道Clohessy-Wiltshire方程获得追踪卫星与目标卫星的位置信息;然后,基于扩展Kalman滤波算法进行多信息融合确定追踪卫星姿态参数,并实时解算出追踪卫星载荷光轴与目标卫星的相对姿态,获得跟踪指向所需的方位角和俯仰角;最后,通过星体一级姿态控制和基于快反镜的载荷光轴二级指向控制,实现对目标卫星的快速、高精度指向。仿真结果表明,该方法可以在保证快速性的同时实现动态指向控制误差小于0.72″。该方法可以实现对空间目标的高精度指向控制,为未来空间中激光通信等航天任务提供技术支持。

高精度模型下Halo轨道设计研究

针对未来地月L2点Halo轨道空间站长期停泊任务,研究了高精度模型下Halo轨道设计方法。首先,详细推导了圆型限制性三体问题(Circular Restricted Three Body Problem,CR3BP)质心会合坐标系与高精度模型地心J2000坐标系之间的转换关系,并在此基础上,将CR3BP下的闭合Halo轨道转换到地心J2000坐标系得到了高精度模型下Halo轨道迭代初值。其次,采用序列二次规划(Sequence Quadratic Program,SQP)构造多层迭代格式,在高精度模型下对初值进行逐层修正。最后,通过仿真测试,验证了该方法的可行性与有效性。该研究结果可为未来平动点任务标称轨道设计方案的制定提供参考。

远程微小目标图像的粘连区域高精度分割模型

远程微小目标图像粘连区域存在孔洞和震荡突变问题,使得传统针对微小图像粘连区域分割模型,容易产生过分割现象,分割效率较低,获取的分割结果存在较大的偏差,提出了一种优化马尔科夫随机场(MRF)的分割方法,塑造远程微小目标图像优化分割模型,采用改进势函数获取MRF的条件概率,处理图像的粘连分割问题,全面分析图像分割区域的相对高度和面积,通过优化的MRF标记准确分割区域和过分割区域,运算过分割区域同邻域的紧密度,采集紧密度最大的领域并与之融合,实现远程微小目标图像粘连区域的高精度分割。实验结果说明,所提模型可对远程微小目标图像的粘连区域进行准确分割,准确率为97%。

天基照相机监测空间目标定轨方法及精度分析

考虑天基照相机观测中小尺寸空间目标时具有能耗低、精度高以及易于小型化实现等优势,研究了利用天基照相机监测空间目标的轨道确定和可观测性计算方法。分析了太阳同步轨道作为天基监视轨道的优点,结合目前国外的几种天基卫星轨道类型,设计了天基卫星轨道,在此基础上仿真分析了对不同轨道类型空间目标的可见观测弧段。根据目前地基光学观测设备的测轨精度和轨道动力学模型误差,添加了不同的测轨系统误差、随机误差及一定的动力学模型误差,仿真分析了对不同轨道高度空间目标的定轨精度。分析结果表明,采用6天7分钟/两天的天基光学测轨数据对近地轨道的空间目标定轨时,若测轨精度优于30″,动力学模型误差小于50%,则定轨精度与美国编目轨道(TLE)精度相当。采用10分钟/天的天基光学测轨数据对地球同步轨道上的空间目标定轨时,若测轨精度优于10″,动力学模型误差小于50%,则定轨精度在美国编目轨道精度范围内。

高轨道目标电离层折射修正方法研究

为了满足高轨道目标高精度测控的需要,提出了基于双频GNSS的空间投影法和自适应网格法两种电离层距离折射误差修正方法,并对比分析了两种方法在不同仰角、角径时电离层距离折射误差修正精度.分析结果显示:对于2.0 GHz电波信号而言,在较高仰角(仰角>45°)处,空间投影法和自适应网格法修正精度较高,均优于0.2 m;在低仰角和大角径时,空间投影法修正剩余快速增大,修正精度快速降低恶化,达到米量级,而自适应网格法修正精度则不受仰角和角径的影响.这表明:自适应网格法电离层距离修正精度高,适用性强,且便于工程应用,可为提高高轨道目标的测控精度提供有力支撑.

高精度航天器轨道预报仿真软件的研制

在航天器的设计过程中,必须要对轨道飞行状态进行预报,以确保航天器的正常运行。高精度轨道预报仿真软件是对航天器轨道进行预报的重要工具。首先简要介绍了航天器轨道预报的理论基础,详细阐述了航天器轨道动力学模型的建立方法,接着研究了高精度航天器轨道预报仿真软件的设计思路,提出了软件的实现方法,最后介绍了利用C++语言开发的适合航天器轨道预报仿真的航天器轨道计算工具软件包"Spacecraft Orbit Calculation Tool(SOCT)",并利用STK软件对SOCT进行测试验证,结果表明SOCT达到了高精度航天器轨道预报仿真的要求。

利用空间目标监测数据的大气质量密度模型校正

绕地运行空间目标精密轨道确定的基本前提是精确的摄动力模型和高精度、高密度观测数据。随着地球重力场的精确模型化,许多配置全球卫星导航系统等先进跟踪设施的卫星的精密轨道确定已成为常态。但是,对于数以十万计的空间碎片而言,由于大气质量密度模型的较大误差和监测数据的稀疏性,低轨碎片几天的轨道预报误差便可达数千米。越来越多卫星的入轨运行,使空间碰撞预警、碎片规避、碎片清理等空间应用对空间目标轨道(特别是轨道预报)精度提出了百米甚至十米量级的要求。空间目标轨道数据已成为航天和国防安全的基础信息之一,更是空间态势感知(SSA)的核心要素之一。不断提升空间监测能力、建设更大规模、更高精度的空间目标编目库,成为各航天大国的共同目标,也为SSA领域研究提供了许多挑战。大气质量密度模型精度的改善以提升低轨目标轨道确定与预报精度便是其中之一。

空间目标轨道预报及望远镜观测实现

分析了空间目标两行轨道根数（TLE）的格式及构成；阐述了相应的SGP4／SDP4轨道近似解析模型算法；提供了轨道坐标系与J2000．0坐标系及观测地平坐标系之间的转换关系。研究了ASCOM控件的用法，并结合TLE数据计算结果编程实现了用Meade望远镜对空间目标的自动搜索与跟踪观测。

双基地MIMO雷达多目标高精度跟踪算法

针对双基地多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达自适应非对称联合对角化(adaptive asymmetric joint diagonalization,AAJD)跟踪算法在低信噪比时失效的问题,提出一种双基地MIMO雷达高精度跟踪算法。首先,针对低信噪比时AAJD算法信号子空间扩展问题,利用主成分顺序估计原理求出特征值,根据特征值的大小对导向矢量进行排序,得到更加精确的信号子空间。其次,根据跟踪状态的不同,将多目标分类(multiple signal classification,MUSIC)算法分为两步:第一步全空域大步长扫描,对应跟踪非稳定状态;第二步小空域小步长扫描,对应跟踪稳定状态,空域范围由上一时刻估计角度和运动速度确定,并将峰值搜索过程变为取最大值操作,降低了计算量。算法解决了低信噪比时信号子空间扩展问题,提高了跟踪性能,且采用了性能更高的MUSIC算法,并对其进行改进,降低了计算量。仿真结果证明了算法的有效性。

铁路数字空间底座架构设计及关键技术

随着铁路建造、装备、运营等领域智能化建设的快速发展,推动新型测绘和工程设计技术在铁路领域的广泛应用,形成海量新型多维多模态铁路时空信息数据,而在智能高铁2.0中的模数一体化平台也提出基于统一的表征模型库,实现对铁路设计、施工、运营等不同阶段时空信息模型的统一管理和发布。为此,以智能铁路对时空信息数据深入需求为导向,基于中国国家铁路集团有限公司既有铁路地理信息平台,设计提出新一代高精度铁路时空信息服务平台总体架构及技术组成,构建形成铁路数字空间底座,攻克全空间数据融合、轻量化处理、服务共享发布等关键技术,赋能铁路时空信息智能化应用,也可为智能高铁2.0模数一体化平台中表征模型库搭建提供指导和借鉴。

济南市高精度机动车碳排放清单研究

为提高机动车排放清单的精度,对清单的空间分配模型进行优化,在模型复杂度与关联因素分析的基础上,对人口密度、国内生产总值(GDP)、交通兴趣点(POI)、坡度等影响因子进行主成分提取,并结合标准路长,提出了基于主成分综合调解系数的多因子空间分配模型,以济南市为例进行验证,结果显示:济南市2021年机动车碳排放总量为1259.9万t;基于构建的空间分配模型,获取了济南市1 km×1 km分辨率的网格化机动车碳排放清单;历下区等济南市中心城区是高排放的热点区域,高速公路与一级公路形成高排放的线状地带。基于空间分配模型与基于标准路长的分配结果相比,高排放区碳排放量更高,低排放区碳排放量更低;前者考虑了坡度,对于地形起伏较大地区的分配结果更合理。基于主成分调解系数的多因子空间分配模型提高了网格化排放清单的空间分辨率和分配结果精度。

ESA极地轨道卫星高精度测量海冰厚度变化

欧洲空间局（ESA）发射了一颗绕极地轨道运动卫星——“冷星”（CryoSat），该卫星能够用来测量极地海冰厚度的变化、覆盖在格陵兰岛和南极洲冰架的高度及高山冰川。

基于空时融合隐马尔科夫模型的舰艇编队目标识别方法

基于末制导雷达搜索舰艇编队目标时获得的目标大角域高分辨距离像(HRRP)信息,该文建立了描述单个HRRP样本内向量之间统计关系的"各态历经"空间隐马尔可夫模型(SHMM)和描述HRRP样本之间统计关系的"从左到右"时间隐马尔可夫模型(THMM)。与对一类目标全方位角训练数据只建立一个THMM模型的方法相比,该方法充分利用目标的大角域HRRP信息,提高了识别性能。通过对5类舰船目标的仿真和3类民用船只的外场实测数据分析表明该方法的有效性。

基于高/低轨监视平台的GEO卫星定轨精度比较

针对传统地基监视系统对地球同步轨道(GEO)卫星静地测量模式不利于获取其态势信息,而空间目标监视平台利用其快速轨道运动、增强观测几何强度和GEO卫星动力学模型的约束作用,有利于对GEO卫星环带的跟踪、监视和编目处理这一问题,分析了高、低轨平台与其观测模式,采用了数值微分法计算变分方程系数阵的定轨算法,统计了光学观测误差对定轨结果的影响.仿真计算表明,高、低轨平台对GEO卫星的定轨精度均在公里级,低轨平台对GEO卫星的定轨精度好于高轨监视平台,观测系统误差是定轨误差的主要来源.

基于TLE的空间目标碰撞预警计算

地球轨道上数量日益增长的空间飞行物体对在轨航天器及人类航天活动构成了严重威胁。分析了空间目标两行轨道根数(TLE)的格式及构成;阐述了相应的SGP4/SDP4轨道近似解析解模型算法;提供了轨道坐标系和惯性坐标系之间的转换关系;利用TLE数据和SGP4/SDP4模型进行了空间目标碰撞预警计算。该方法对于航天器初步威胁评估具有重要意义。