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《中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)》 2018年
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三轴光电跟踪设备对在轨目标捕获策略的研究

陈德毅  
【摘要】:在轨目标监视是国家空间战略信息获取的重要途径,而地基无源监视跟踪系统是我国空间目标监视系统的重要组成部分。已经运行的地基无源监视跟踪系统多采用地基光电跟踪设备,将其按结构分类可分为两轴和三轴光电跟踪设备,三轴光电跟踪设备具有跟踪过天顶目标的优势而被广泛应用。目前光电跟踪设备跟踪空间目标的工作流程是引导、探测、捕获、跟踪等,其中捕获是完成任务的关键环节,是高概率完成任务的重要基础和保障。现有的捕获技术多数是针对两轴有源主动式的,而基于三轴无源被动式的捕获方法尚无系统的研究。本文是在分析捕获原理的基础上,制定的基于三轴无源被动式搜索捕获空间目标的捕获策略,重点研究捕获过程中空间目标的短时间、高概率“落入”视场问题。经分析,解决捕获“落入”问题主要有三个步骤,误差源分析、主要误差到不确定区域的计算、不确定区域内搜索捕获方法的设计。文中详细的讨论了以上几个步骤,建立了地基三轴光电跟踪设备无源被动的搜索捕获空间目标的方法,并通过仿真实验说明了模型的正确性。本文先是介绍了空间目标捕获的基本概念和光电跟设备跟踪空间目标的工作流程,结合三轴光电跟踪设备捕获空间目标的实际应用场景,分析出影响捕获过程视轴指向与目标位置存在偏差的各种因素。对各因素采用误差传递的方法计算出主要误差和次要误差。经计算主要误差包括轨道预报误差和三轴光电跟踪设备的视轴指向误差。接着,建立主要误差到不确定区域的传递模型。其中,轨道预报误差到不确定区域的传递过程需要经过空间坐标转换,于是对几种空间坐标系统进行了简单介绍,包括地心惯性坐标系、地固坐标系、测站坐标系、站址坐标。当轨道预报误差由地固坐标系统经过固定方位轴引导模式传递到三轴光电跟踪设备的测量值时,需要引入三轴光电跟踪设备的视轴指向误差进行误差传递。通过以上两个阶段的误差引入和空间对应关系,最终可以计算出不确定区域的范围以及目标位置在不确定区域内的分布类型。文中列举了一些典型的空间目标,计算了主要误差到不确定区域的传递结果,并对目标位置的分布类型进行了数据分布类型检验。经计算,不同轨道高度的空间目标,在不确定区域内目标位置的分布类型均服从二维正态分布,且主要集中在不确定区域的X方向,即空间目标的沿速度方向。不确定区域的范围决定了视场搜索捕获的最大范围,但在不确定区域内采用何种方式搜索捕获、从什么位置开始搜索以及平均捕获时间等仍然是未知。为此,继续讨论了常用的几种搜索捕获方法,通过对比分析得知目标位置集中在沿速度方向的不确定区域使用螺旋搜索捕获比较合适。文章的最后,针对搜索捕获过程具有不确定性的特点,适合采用Monte Carlo法进行搜索捕获实验的仿真。选择一些典型空间目标的不确定区域计算结果,通过搜索捕获系统各个模块的构建,计算了螺旋搜索捕获方法的搜索捕获范围与平均捕获时间的关系和多场搜索捕获的捕获概率。由实验结果的分析可知,螺旋搜索捕获方法重叠率高且搜索效率低,为此设计了非等距的逐行螺旋搜索,经验证在同等捕获概率的条件下,非等距的逐行螺旋搜索的平均捕获时间优于传统的螺旋搜索。综上,本文根据地基三轴光电跟踪设备以无源被动的工作方式搜索捕获空间目标的实际需求,系统地分析了捕获方法中的几个步骤,最终建立了一套完整的三轴光电跟踪设备搜索捕获空间目标的方法,该方法对三轴光电跟设备搜索捕获空间目标具有一定的参考价值。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP391.41

【参考文献】
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