基于预报偏差的LEO航天器轨道异常检测

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1、40中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2012年10月第5期基于预报偏差的LEO航天器轨道异常检测张涛涛白显宗郝嘉陈磊(国防科学技术大学航天与材料工程学院，长沙410073)摘要针对由轨道控制、大气环境、碰撞等因素造成的低轨(LEO)航天器轨道突变问题，提出了一种基于预报偏差的轨道异常检测方法。选择LEO轨道的半长轴和倾角作为特征轨道参数，利用SGP4模型长期项对目标的两行轨道要素(TLE)进行预报得到特征轨道参数的预报值，通过对特征轨道参数的编目数据和预报数据进行平滑后求差得到预报偏差序列，基于马氏距离对预报

2、偏差数据的两个分量进行联合异常检测。对Terra卫星2010年的机动事件分析结果同NAsA发布的其机动历史相吻合，表明该方法可以有效地检测航天器轨道异常的次数、时间和类型，可应用于空间目标的监视与空间态势的感知。关键词低地球轨道轨道异常SGP4模型马氏距离两行轨道要素航天器DOI：10．3780／j．issn．1000一758X．2012．05．0071引言当航天器受到轨道机动、空间天气突变、解体或者极端情况下的碰撞等因素影响时，航天器的轨道会发生突变，此时，轨道异常事件检测信息可以为航天器所有者和操作者采取正确的措施提供依据。国内外学者针对航天器轨道异常

3、问题，提出了多种检测方法。Patera提出了一种基于移动窗口曲线拟合(MovingWindowCurveFit，MWCF)技术的空间事件检测方法，该方法在一定长度的时间窗口内对数据进行拟合，利用编目值和拟合值相减得到偏差，通过窗口的移动得到偏差数据序列，最后通过统计偏差数据的标准差设定检测门限进行异常检测[1]。Kelecy、Swartz等人基于Patera的曲线拟合技术对轨道异常检测方法进行了改进[2-3]。基于曲线拟合的检测方法存在移动窗口的长度和拟合曲线的阶次设定比较困难的不足。此外，董云峰等人提出了一种基于小波分析的轨道机动检测方法[4]。杨旭等人

4、提出了单个卫星相邻根数时间差控制加综合判据的卫星轨道异常分析方法[5]。上述检测方法基本上从数据处理人手，利用数学方法直接分析轨道数据，不利于分析航天器轨道变化的物理规律。本文将航天器轨道预报与数学检测方法相结合进行航天器轨道异常的分析。北美防空司令部(NORAD)发布的两行轨道要素(TwoLineElements，TLE)是目前最完整的空间目标编目数据，其对应的SGP4(SimplifiedGeneralPerturbation4)轨道预报模型是解析模型。作为例子，本文对航天器历史TLE数据进行分析，使用sGP4模型的长期项部分预报轨道根数的长期变化并基

5、于马氏距离对航天器轨道异常进行判定。此外，本文所提出的方法同样适用于其他类型的轨道数据以及相应预报模型。收稿日期：2012一02—23。收修改稿日期：201205一072012年10月中国空间科学技术2特征轨道要素长期变化预报模型(1)特征轨道要素的选择特征轨道要素是一个或多个可以表征航天器轨道异常的轨道要素或导出参数，选取合适的特征轨道要素是进行轨道异常检测的基础。航天器轨道异常主要可以分为两类：一类是轨道平面内轨道形状和大小发生突变，主要表现为半长轴、偏心率等参数的变化；另一类是轨道面的空间位置发生突变，主要表现在倾角、升交点赤经等参数的变化。为能够充

6、分地表征这两类异常，本文选择轨道半长轴n和轨道倾角i作为特征轨道要素。(2)基于SGP4模型的轨道要素长期变化预报sGP4是一种考虑了地球非球形摄动、大气阻力摄动、第三体引力摄动等因素综合影响的轨道传播计算模型，其可以配合NORAD发布的TLE平根数进行航天器轨道预报[6-9]。TLE数据包括空间目标的轨道要素以及其他相关信息，如目标编号、国际编号、大气阻力系数等。其中用于sGP4模型预报的参数包括：仃。一(fo，咒o，eo，io，叫o，no，M0，B’)1(1)式中￡。为历元时刻；n。为历元时刻的平均运动角速度(转／天)；e。为历元时刻的平均轨道偏心率；

7、i。为历元时刻的平均轨道倾角；叫。为历元时刻的平均近地点角距；n。为历元时刻的平均升交点赤经；M。为历元时刻的平均平近点角；B+为大气阻力系数；这些轨道要素中的下标“o”表示历元时刻的值。由TLE数据直接得到的咒。是Kozai格式，需要转化为Brouwer格式平均角速度才可以使用SGP4模型进行轨道预报凹]：乱一3愚23cos2io一12口j(1一Pj)号，∥～(·一÷＆一酯一等剐并一号南鬻蒙，舻一毒，舻一(易)亏研一i瓦下百虿’‰一雨i’‰一I痞)式中是。一．／石^瓦，其中G为牛顿万有引力常数，ME表示地球质量；口。、艿。、盘。7、艿，为推导的中间参数；

8、忌。一-厂。以§／2，．厂。一1．0826261x10，n。一63