Review on strategies of space-based optical space situational awareness

Space-based optical(SBO)space surveillance has attracted widespread interest in the last two decades due to its considerable value in space situation awareness(SSA).SBO observation strategy,which is related to the performance of space surveillance,is the top-level design in SSA missions reviewed.The recognized real programs about SBO SAA proposed by the institutions in the U.S.,Canada,Europe,etc.,are summarized firstly,from which an insight of the development trend of SBO SAA can be obtained.According to the aim of the SBO SSA,the missions can be divided into general surveillance and space object tracking.Thus,there are two major categories for SBO SSA strategies.Existing general surveillance strategies for observing low earth orbit(LEO)objects and beyond-LEO objects are summarized and compared in terms of coverage rate,revisit time,visibility period,and image processing.Then,the SBO space object tracking strategies,which has experienced from tracking an object with a single satellite to tracking an object with multiple satellites cooperatively,are also summarized.Finally,this paper looks into the development trend in the future and points out several problems that challenges the SBO SSA.

国外地球同步轨道目标天基光学监视策略

空间目标观测策略是决定天基光学监视系统性能的关键因素之一,本文对国外已服役和在研的GEO目标天基光学监视系统及其观测策略进行了讨论。首先,概述了GEO目标天基光学监视技术的发展历程;然后,简要分析了GEO目标的轨道特性,并在此基础上讨论了主流的GEO目标监视策略;最后,针对近年来呈现出的监视系统小型化和自主运行的发展趋势,对SBO载荷与3U CubeSat星座的目标监视性能进行了仿真评估。实验结果表明:SBO载荷和CubeSat卫星均可探测1 m直径的GEO目标,单颗SBO载荷探测GEO目标比例大于51%,观测弧长和重访周期分别约1.2°和1.5天,CubeSat星座则可探测超过90%的GEO目标,平均观测弧长和重访周期分别大于67.1°和小于0.4天。由此可见微小卫星通过组网能实现对GEO目标的独立自主监视。

面向天基光学监视的空间目标TLE拟合与跟踪方法

针对天基光学监视特点和需求对TLE拟合方法进行改进,使其适于仅测角被动跟踪定轨应用.在采样拟合方法基础上,提出基于测角资料的TLE非线性最小二乘拟合方法;将TLE单点拟合方法与SGP4模型嵌入跟踪滤波过程,在混合坐标系中采用Sigma点卡尔曼滤波方法提高滤波稳定性.仿真结果表明,本文方法在获取非合作空间目标TLE的同时可实现摄动条件下天基光学被动跟踪.

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.

基于天基光学监视的空间目标跟踪方法研究

利用天基观测平台实现对空间目标的有效监视跟踪是空间监视的发展趋势.在对天基光学监视特点进行分析的基础上,通过对帧集内目标运动条痕线性拟合提取帧集测量信息,提出适合其数据特点的空间目标被动跟踪方法,并给出相应跟踪初始化方法.该方法在降低信息处理数据流量的同时可以保证一定的精度.

基于稀疏重构的光学传感器扩展目标量测划分（英文）

提出一种稀疏重构框架下利用幅度实现扩展目标量测划分的方法.利用衍射受限光学系统特性对像平面进行网格采样,建立稀疏重构模型及"超完备字典".通过重构挖掘像元幅度值中的有效信息并基于成像机理对重构出的非目标量测进行抑制处理,利用重构出的亚像元级目标位置、幅度信息实现目标量测的划分.仿真结果表明:信噪比为6dB时,本文算法比传统方法在实现对所有扩展目标量测的正确划分上提前30s,对目标探测信息能充分利用,在量测划分准确性上比依靠距离划分的传统方法有较大提高,尤其在低信噪比条件下较传统方法量测划分的准确性提升明显.

混合坐标系下空间目标天基光学跟踪方法研究

在对天基光学监视跟踪特点进行分析基础上,利用直角坐标系和修正极坐标系分别在状态外推和线性测量更新方面具有的优势,采用混合坐标系下的扩展卡尔曼滤波方法实现对空间目标的三维被动跟踪,并给出相应初始化方法。仿真结果表明该方法与直角坐标系跟踪滤波具有一致的收敛趋势,并在收敛速度和稳健性上更有优势。

基于高轨光学监视平台的定轨精度分析

高轨光学监视平台具有获取高轨空间目标态势信息的优势。本文主要研究基于高轨光学监视平台的空间目标的改进轨道确定算法和精度评定方法,分析了高轨光学监视平台对高、中、低轨三类典型空间目标的定轨精度,用观测值残差和估计参数协方差两种方法对定轨精度进行评定,并讨论光学观测误差对定轨结果的影响。通过仿真实验可以得出,高轨光学监视平台对这三类空间目标的定轨误差都在千米级,观测系统误差是定轨误差的主要来源。

应用改进遗传算法优化天基光学监视平台轨道

针对地球遮挡、地影、太阳光干扰、月光干扰、空间目标相对观测平台的角速度等约束对空间目标可见性的影响问题,基于已编目空间目标双行轨道根数,研究以太阳同步晨昏圆轨道作为观测平台轨道,采用改进多变异位自适应遗传算法对单星观测平台轨道倾角进行优化设计。仿真结果表明,改进的多变异位自适应遗传算法有效地解决了多变异位自适应遗传算法不能保证收敛到所有种群中最优个体的问题,且随机抽取10%左右的目标样本可以达到与采用所有目标相当的性能,计算效率提高约1个量级。

一个新颖的轮廓线跟踪算法

提出了一个新颖的基于隐马尔科夫模型与光流的轮廓线跟踪算法。曲线描绘由B样条形状空间向量来表达,能够捕捉全局和局部变形。提出应用沿曲线的光流计算来预测曲线在下一帧的位置,在预测曲线的基础上,提出应用隐马尔科夫模型来准确定位曲线的位置。隐马尔科夫模型提供了一种有效的概率手段来融合多种量测特征比如边缘,曲线平滑性,区域灰度或颜色统计信息等等,能够更准确的定位曲线位置。基于仿射形状空间的实验了表明本文所提出算法的有效性。

基于视频遥感卫星的空间目标光度测量

基于“吉林一号”视频系列卫星开展空间目标光度测量试验,阐述了视频星对空间目标成像以及光度反演原理,利用相机探测器输出图像的灰度值反演计算目标光度学特征.根据误差传递原理分析了辐射定标系数偏差和目标图像噪声对反演精度的影响,并以恒星作为标准辐射源对反演精度进行验证,结果表明恒星类点目标光度反演误差小于0.15 Mv.列举了空间目标拍摄及反演结果样例,并对视频星观测试验结果进行了统计和说明,得到视频星的极限探测距离、捕获概率以及观测效能,分析结果表明视频星的灵活成像模式可较好地适用于空间目标观测任务.

空间目标天基光学混合状态SPKF跟踪方法

根据天基光学监视特点,利用直角坐标系和修正极坐标系分别在状态外推和状态更新上的优势,并引入UT变换避免空间目标非线性运动方程线性化外推的截断误差影响,实现对空间目标在混合状态空间的三维被动跟踪滤波。仿真结果表明,该方法在收敛性和稳健性上更有优势。

空间目标光电跟踪的调度策略

针对空间目标光电跟踪调度问题,根据不同轨道空间目标的运动特征,着重考虑对编目定轨影响最大的轨道弧长,基于线性规划模型,分别提出了适合低轨道和中高轨道空间目标跟踪调度优化数学模型。仿真计算表明,模型在消除弧段冲突、充分利用观测时间的基础上实现了最优轨道弧长的观测策略,计算量适当,能够满足实践应用的需求。实测试验表明调度策略有效可行,能够提高50%的有效观测时间。

空间目标光电巡天策略的优化

随着空间目标与碎片数量的激增,传统的基于目标跟踪的空间目标光电监视手段已不能满足需求,近年出现了面向空域的空间目标巡天观测。针对空间目标巡天观测的特点,同时考虑空间目标观测的目标个数和数据量,提出了一种空间目标巡天观测策略,并建立了相应的空间目标光电巡天优化数学模型。模型中通过0-1变量的使用,实现了目标函数和约束条件的线性化,十分有利于大规模问题的求解,能够更好地满足实际需求。仿真计算表明:策略简单,易于实现,并且有很好的效果;通过优化,只需要少量望远镜即能实现大批量空间目标的监视,并保持一定的观测数据量,为空间目标光电监视策略提供了新的思路。

摄动条件下空间目标天基光学跟踪方法研究

该文针对摄动条件下的空间目标天基光学监视跟踪问题,引入UT变换和混合坐标系,在直角坐标空间内采用UT变换完成目标运动状态预测和预测协方差计算并考虑摄动因素影响,在修正球坐标空间内实现状态滤波更新,提出混合坐标SPKF跟踪方法,可避免EKF线性截断误差影响并增强跟踪滤波稳定性。仿真结果表明,在密集采样和稀疏测量条件下该方法在收敛性和稳健性上均具有优势。

低轨光学星座目标监视信息处理技术分析

以空间跟踪与监视系统(STSS)为原型,对低轨光学星座目标监视信息处理技术进行了综述。作为典型的低轨光学星座,STSS能对高速运动目标进行全程连续跟踪监视。该星座预计将由24~30颗卫星组成,介绍了其体系结构、平台与载荷的特点和性能。星座具备多载荷、多波段协同探测能力且星上信息处理能力强大。给出了星座对目标的分布式跟踪监视信息处理结构与流程,归纳了杂波背景抑制与目标检测捕获、多目标跟踪、目标识别,以及星座传感器管理等关键技术。讨论了光学星座信息处理中空间邻近目标分辨、目标群跟踪、机动目标跟踪、真假目标识别,以及信息处理总体技术等技术难点和发展趋势。

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。

无先验信息的低轨空间目标航迹起始方法

针对光学观测中缺乏预报信息的低轨道空间目标自动识别捕获问题,提出一种基于修正Hough变换的空间目标航迹起始方法,从而实现空间目标的自动识别。首先利用背景恒星运动规律对观测数据进行预处理,剔除大部分背景恒星。再利用观测数据的时序信息、定向参数进行Hough变换。本方法并没有采用传统的Hough变换对所有参数空间中的数据点进行投票,而是仅对参数空间中部分点投票,可以大幅减少运算量和存储量。试验表明:该方法能够有效地抑制背景恒星产生的虚假航迹,并快速准确地完成无先验信息的低轨道空间目标的航迹起始;可以在光学观测中实现空间目标的自动识别捕获,以及实时发现新目标,这为低轨道空间目标光学观测的无人值守和联网观测奠定了技术基础。

基于贝叶斯框架的空间群目标跟踪技术

对大量密集的空间群目标进行有效跟踪、编目已成为空间监测的迫切需求。地基雷达作为近地轨道空间监测的主要手段,在对高密度的空间小碎片云进行跟踪时,通常会由于分辨能力有限,造成对个体目标检测、观测信息严重缺失,使得传统的多目标跟踪技术难以奏效。为此,该文基于"群"跟踪的概念,在贝叶斯框架下以群目标的整体运动趋势为跟踪对象,同时兼顾个体的运动目标轨迹跟踪,通过建立群目标的中心和观测量之间的相互作用约束模型,可以提升在漏警概率较高情况下的目标数目估计的稳健性以及单个目标的跟踪精度。贝叶斯积分的求解过程通过MCMC-Particle算法具体实现。通过对空间群目标跟踪的仿真实验验证了群跟踪技术的有效性。

基于汇聚点观测的天基光学监视星座设计

针对地球静止轨道目标监视问题,提出了一种基于汇聚点观测的天基光学监视星座设计方法。研究分析了地球静止轨道目标分布特性,针对静止轨道目标在特定位置分布密度较大的特点,设计了监视星座对汇聚点区域进行重点观测的策略。分析了监视星座的轨道类型和传感器观测策略,提出采用太阳同步轨道设计监视星座和相应的汇聚点区域观测的方法。在满足对汇聚点观测要求及同步带重访周期为1d的条件下,对星座进行了设计。仿真结果表明:设计的4颗卫星组成的观测星座,对同步带目标的重访周期小于1d,24h内的平均观测时间约为900s,且能观测到更多的同步带目标。该方法可供工程应用参考。