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单星对卫星目标的被动定轨与跟踪关键技术研究

李强  
【摘要】: 从近年来发生的几次高技术局部战争来看,卫星等航天器由于不受国界限制、可在全球范围内自由活动,在现代战争中已成为确保信息优势的强有力手段。单观测平台无源接收定轨跟踪系统具有隐蔽性强、可独立工作、配置灵活等优点,具有广泛的应用前景。论文在非合作工作方式下,以卫星观测平台对卫星目标被动定轨与跟踪为研究背景,对其中的被动定轨跟踪方法(体制)和系统模型选取、系统可观测性和可观测度分析以及非线性滤波、估计技术等理论问题和关键技术进行了深入分析和研究,取得了一定研究成果。论文的主要工作如下:论文第二章分别在二维、三维情况下基于角度测量信息建立了目标加速度由其位置、速度确定的运动模型,推导了相应情况下的系统可观测充要条件,严格证明了二维、三维情况下单星对卫星目标的仅测角被动跟踪系统满足上述可观测充要条件。其次,提出了一种单星对卫星仅测角被动定轨跟踪方法,建立了二体问题和考虑J_2项摄动两种被动定轨跟踪模型,推导了相应的EKF跟踪方法。再次,研究了仅测角被动跟踪系统的可观测度与状态方程和测量方程相关影响因素之间的关系。最后,结合CRLB对影响该方法估计性能的各种因素进行了计算机仿真分析,得到了对后续研究有益的指导性结论。 论文第三章针对仅测角被动定轨跟踪方法滤波收敛时间较长且跟踪精度不高等问题,提出了一种基于角度和频率信息的单星对卫星被动定轨跟踪新方法,并针对目标辐射载频f_0未知和已知两种不同情况,建立了二体问题和考虑J_2项摄动两种被动定轨跟踪模型,推导了相应的EKF跟踪方法。其次,研究了基于角度和频率信息被动定轨跟踪系统的可观测度与状态方程和测量方程相关影响因素之间的关系。最后,结合CRLB对影响该方法估计性能的各种因素进行了计算机仿真分析。仿真结果表明,当两颗卫星非同轨运行时,在测角的基础上增加目标频率测量信息,能够有效改善被动定轨跟踪性能,为单星对卫星被动定轨跟踪提供了一种新的系统体制。 论文第四章将粒子群优化(PSO)算法引入到单星对卫星被动定轨中,提出了一种基于PSO算法的单星对卫星仅测频被动定轨新方法,针对目标辐射载频f_0未知和已知两种不同情况,建立了二体问题和考虑J_2项摄动两种被动定轨模型,推导了相应的状态估计方法。其次,研究了一定观测几何条件下仅测频被动定轨系统的可观测度与目标卫星轨道根数之间的关系。再次,详细推导了待估状态参数的理论估计下限(CRLB)。最后,结合CRLB对影响该方法估计性能的各种因素进行了计算机仿真分析。仿真结果表明,对于非同轨运行的两颗卫星,该方法能够很好地解决二体问题和考虑摄动两种系统模型下对目标卫星的被动定轨问题,且该方法的运算量也明显小于网格搜索法。 论文第五章在第二章、第三章被动定轨跟踪方法的基础上进一步研究了改善摄动条件下估计性能的非线性滤波方法。针对直角坐标系下仅测角被动跟踪系统测量方程严重非线性导致的系统可观测度不高的问题,提出了基于修正球坐标系的被动跟踪滤波算法;针对复杂系统模型条件下模型误差随时间发生改变的问题,研究了自适应渐消EKF方法;针对复杂系统模型条件下EKF方法仅有一阶线性近似的问题,研究了基于UKF的单星对卫星被动定轨跟踪方法。仿真结果表明,三种改进非线性滤波方法中,UKF方法的估计精度最高,自适应渐消EKF和修正球坐标系滤波方法的估计精度次之,且三种方法均明显优于论文第二章、第三章考虑摄动模型下的EKF方法。 论文第四章的轨道数据由四阶Runge-Kutta方法外推得到,其余各章仿真中所用的数据均由卫星轨道通用仿真软件STK6.0产生。


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