天基光学监视的GEO空间目标短弧段定轨方法

《天基光学监视的GEO空间目标短弧段定轨方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、2011年6月第3期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology天基光学监视的GEO空间目标短弧段定轨方法李冬1易东云1(1国防科学技术大学数学与系统科学系，长沙410073)程洪玮2(2北京跟踪与通信技术研究所，北京100094)摘要利用两个短弧段的天基测角资料实现对GEO空间目标的轨道确定是天基空间目标监视系统需解决的重要问题之一。将短弧段的主要测量信息表示为弧段属性，构造约束空间目标距离和径向速度的容许域，采用桁架平衡法对第一个短弧段的容许域三角剖分采样，以

2、这些采样点的轨道预报第二个短弧段的孤段属性，通过分析预报值与实际值的差异，优先选取多个采样点的轨道作为初轨，分别对各初轨进行轨道改进。仿真结果表明，该方法能成功解算最小二乘轨道。关键词短弧段桁架平衡法采样法最小二乘轨道轨道确定空间目标地球同步轨道DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2011．03．0011引言目前，对GEO空间目标的探测主要依赖于地基光学监视系统，而天基光学监视系统具有功耗小、作用距离远、不受地理位置和气象条件限制等特点，成为空间目标监视的研究热点ll。J。受监

3、视卫星载荷、工作模式、光照条件的限制，对GEO空间目标的观测弧段只能持续几分钟，弧段长度太短而无法获取角度测量的曲率信息，于是仪利用一个短弧段的测角资料难以确定新发现目标的初轨‘5

4、。许多学者研究了短弧段轨道确定问题。Milani等人提出了利用角度测量的两个短弧段确定小行星轨道的容许域采样算法¨吨j，首先构造约束太阳系行星相对测站的距离和径向速度的容许域，然后对容许域进行三角剖分采样，选择一些采样点的轨道确定为行星的初轨，利用两个弧段的观测数据对这些初轨进行约束微分改进，获得多个定轨结果。Farno

5、cchia等人将此方法应用于地基光学和雷达观测的空间碎片的初轨确定，但没有给出具体的定轨结果【9J。李俊等提出基于剖分节点优选的约束微分修正方法计算天基短弧段光学观测的空间目标初轨¨0

6、，此方法优选节点的计算量很大，而且只适合于两短弧段问隔时间较短的情形。本文研究利用两个短弧段的天基测角资料对GEO空问目标进行轨道确定的问题：将短弧段的主要测鼍信息表示为中间时刻的弧段属性(包括赤经、赤纬以及这两个角度的变化率)；利用地球二体轨道能鼍约束构造容许域，用它限制监视卫星与空间目标之间的距离及径向速度的取值

7、范围；采用桁架平衡法对第一个短弧段的容许域进行三角剖分采样，用各采样点的轨道预报第二个短弧段的弧段属性及其协方差矩阵，结合第二个短弧段实际的弧段属性和协方差矩阵选择合适的初轨；为避免轨道改进陷入局部极小值，选择多个初轨进行轨道改进；最后通过仿真试验检验算法的可行性。国家自然科学基金(60974124)资助项目收稿Ij期：2010-11—25。收修改稿口期：2010—12-202中国空间科学技术2011年6月2容许域的构造用监视卫星的可见光相机获取GEO空间目标的赤经和赤纬(口，艿)。监视卫星的位置坐

8、标分别记为(z。，Y。，‰)和(z。，Y。，2。)，则口：arctan必I厶一矗l艿=arcsin塑lPJ式中

9、D一以ii币可≮≯=歹了干瓦可。赤经和赤纬的变化率为在惯性坐标系下，目标和占=亟尘也墅PCO芋S逊]ol；一坚学COSJpdJ单个短弧段的赤经和赤纬序列随时间近似线性变化，对其进行多项式拟合，得到该弧段中间时刻i的赤经、赤纬及这两个角度变化率的估计值，记为A一(口，艿，占，艿)∈[一7c，丌)×(一7【／2，7【／2)xR2式中R表示实数集；A为该弧段在F时刻的弧段属性，它可以表示短弧段的

10、主要测量信息。同时也可得到A的协方差矩阵，记为n。在地心惯性坐标系下，空间目标t时刻的位置矢量，．和速度矢量f可表示为，=q+印]．>(3)}=白+知+lD(占p。+印。)J式中口和面分别为监视卫星的位置和速度矢量；P和占分别是监视卫星与空间目标之间的距离和径向速度；P为视线方向，p一(cos口cos艿，sinacos8，sin3)；以和Pa分别是P关于口和艿的偏导数，P。=(一sinacos8，cosacos艿，0)，肌一(一cosasin8，一sinasin艿，cosS)。由式(1)～(3)，空

11、间目标i时刻的(a，占，艿，各，P，刍)与位置速度矢量(r，≯)可以相互转化，也能与空间目标的瞬时轨道根数相互转化，称(口，占，艿，各，lD，刍)为轨道属性，轨道属性可以唯一确定空间目标的轨道。GEO空间目标的位置速度矢量(，，})满足地球二体轨道能量约束：￡一言⋯2_卫Irl