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基于天基监视的空间目标测向初轨确定研究

刘磊  
【摘要】: 天基空间目标监视具有重要的军事和民用价值,天基可见光(Space-Based Visible, SBV)在当前并将在以后相当长的时间内成为主要的天基监视手段。当前美国已有在轨运行的天基监视系统,而我国在此方面研究较为薄弱,为了未来建立相应系统,应开展天基轨道确定等相关关键技术研究。 论文基于SBV监视背景,采用理论分析与数值验证相结合研究了天基测向初轨确定,着重研究了初轨确定技术中的方法、模型和解算等相关问题,尤其是传统方法在天基测向定轨中的改进,并研究了地月转移轨道的天基测向初定轨问题与地月转移轨道和卫星编队构形设计等相关问题。主要内容与结论有: 首先,研究了空间目标对单星和星座观测平台的可见性及观测数据的预处理。研究表明,星座平台可以适当降低各种约束对可见性的不利影响;近地空间目标比中高轨道目标的天基可见性差;平滑随机噪声需要根据平滑多项式阶数折衷考虑采样率和采样点数。 其次,重点研究了双r迭代法、Gauss法和Laplace法在天基测向初定轨中的应用及相应改进,包括定轨误差、模型解算和初值问题等等,分析了观测误差对天基测向初定轨的影响,提出了消除误差定轨模型。 通过该部分研究得到如下主要结论: 1.传统地基定轨方法较适合于低轨平台确定中高轨空间目标,在天基测向初定轨上会出现平凡解和多值性问题,其本质在于缺乏距离观测信息,可以通过改进迭代算法和迭代初值等手段进行抑制,但是很难完全消除; 2.论文提出的天基双ρ迭代法及初值求解和解算算法,基本解决了天基稀疏测向初定轨中的迭代发散与平凡解问题,仿真表明解算成功率在90%以上; 3.定轨模型的截断误差对定轨结果影响不大,观测误差是主要的定轨误差因素; 4.如果不进行观测数据的预处理或者预处理失效时,观测系统差的模型对于分析其影响并进行消除相当重要;在观测数据稀疏时,随机噪声有可能造成平凡解。 再次,研究了星座对空间目标的测向初定轨,尤其从解算过程分析了天基测向初定轨模型奇异性和平凡解等问题。 通过该部分研究得到如下主要结论: 1.星座平台较好的观测几何可以消除平凡解,提高定轨成功率,其中星座同步定轨较优;星座定轨可以有效削弱或消除随机噪声的影响,减弱或者部分消除观测系统差的影响;同时,可以极大地缩短定轨所需弧段,但是对高轨目标成功定轨仍需一定长度的弧段; 2.观测采样率对于成功定轨所需弧段影响有限;观测几何对单星定轨影响比对星座定轨影响大;增加弧段长度和采样率有利于克服观测几何的不利影响,提高定轨成功率; 3.改善观测条件以及避开某些特定定轨时刻,均可以从一定程度上降低平凡解概率;模型奇异性是定轨模型固有的问题,不能通过外界手段进行消除,只能在定轨时避免相应时刻。 最后,作为对天基测向初定轨研究的进一步检验和拓展应用,开展了地月转移轨道的天基测向初定轨等研究,除利用单星和星座平台外,尤其研究了利用卫星编队作为观测平台的可行性,同时介绍了卫星编队设计等相关内容。 该部分研究表明,模型误差使得月球探测器的单星定轨误差远大于一般应用卫星,且利用星座双星定轨并非弧段越长越好;编队同步定轨精度明显优于非同步定轨,后者定轨弧长和观测几何影响与单星定轨基本相同;编队构形较小时,构形尺寸对定轨结果影响不大。 论文的研究可为我国建立天基监视系统提供相应的理论和技术支撑,并为我国探月二三期工程以及未来深空探测的天基测定轨提供一定的借鉴。


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