基于TLE数据的空间目标大气再入预报

空间态势感知的主要任务之一是空间目标监测和编目,目的是提供全链条轨道数据服务,其中包括空间目标的再入和陨落预报.Spacetrack网站向全球用户提供了公开可获取、编目空间目标数量最多的两行轨道根数(two line element ,TLE)数据库,是开展空间目标轨道力学研究的重要数据源.如何利用该数据库实现无控目标再入时间、位置和坠落区域的精确预报,对于空间碎片管理和地面的安全评估至关重要.利用 TLE数据对空间目标进行无控再入预报,一般包括 TLE异常清理、弹道系数估计、轨道确定和再入预报.围绕这几个关键环节,论文主要内容如下.     

利用空间目标监测数据的大气质量密度模型校正

正绕地运行空间目标精密轨道确定的基本前提是精确的摄动力模型和高精度、高密度观测数据。随着地球重力场的精确模型化,许多配置全球卫星导航系统等先进跟踪设施的卫星的精密轨道确定已成为常态。但是,对于数以十万计的空间碎片而言,由于大气质量密度模型的较大误差和监测数据的稀疏性,低轨碎片几天的轨道预报误差便可达数千米。越来越多卫星的入轨运行,使空间碰撞预警、碎片规避、碎片清理等空间应用对空间目标轨道(特别是轨道预报)精度提出了百米甚至十米量级的要求。空间目标轨道数据已成为航天和国防安全的基础信息之一,更是空间态势感知(SSA)的核心要素之一。     

利用天文观测图像对空间碎片目标进行自动识别与追踪

提出了一种利用天文观测手段获取的CCD图像序列对空间碎片进行自动识别和追踪的方法。该方法采用计算机图像处理、图像识别与分析和计算机视觉等相关技术,自动识别出每幅CCD图像中的空间碎片以及背景恒星等空间目标,并定量计算其有关特征;然后根据空间碎片移动较快的特点,在CCD图像序列中结合基于Snake模型的主动轮廓追踪和特征相似性比较两种方法,对其中出现的空间碎片目标进行自动识别和追踪。实验结果显示,该方法能准确地对空间碎片目标进行自动识别和追踪。     

低轨空间目标甚短弧初轨关联

利用地基或天基光学观测技术进行低轨道(low earth orbit,LEO)目标编目库扩展,两个关键技术为甚短弧初轨确定(initial orbit determination,IOD)和初轨关联,针对这两个问题提出了距离搜索方法和几何方法。利用中国科学院国家天文台长春人卫站地基光电阵观测的角度数据和天基光学仿真角度数据进行实验。结果表明,利用距离搜索法进行甚短弧初轨确定,处理天基和地基数据的成功率约为90%;利用几何法进行初轨关联,相同目标初轨关联正确率高于80%。利用长春光电阵数据对关联算法进行了不同初轨条件下的大量测试和分析。初轨确定和初轨关联的试验结果验证了距离搜索法和几何法的有效性,表明这两种算法可应用于编目库扩展。     

X射线脉冲星单星动力学定轨

基于单脉冲星的动力学定轨,在X射线脉冲星导航技术尚不成熟时具有较强的实用价值.将X射线脉冲星观测方程与航天器动力学模型相结合,系统研究了利用X射线脉冲星观测量进行单星动力学定轨的方法原理.利用仿真数据量化分析了各项因素对定轨精度的影响,指出X射线脉冲星方向单位向量越靠近航天器轨道面单星定轨位置精度越差.因此提出了单探测器轮流观测多颗脉冲星的准多星定轨方法,从而使定轨精度由km量级提高到了20 m.     

脉冲星导航的相对论定位法(Ⅱ):4维时空的观测方程

现行X射线脉冲星导航方法中存在两种固有误差,源于推算太阳系质心在当前时刻接收脉冲的相位以及将航天器固有时转换成太阳系质心坐标时。针对这一情况,文章根据相对论定位系统的基本思想和后牛顿引力理论,导出了X射线脉冲星导航的4维观测方程。相对于现行的3维观测方程,新方法只需根据航天器测量脉冲轮廓的相位即可完成航天器定位,不必考虑太阳系质心处的光子到达时间因而不必推算该处观测者在当前时刻的脉冲轮廓相位;也不必进行航天器固有时与质心坐标时的转换因而不必预先估计航天器的运动状态。新方法简单易行,能够有效地减小测量误差,建议在X射线脉冲星导航中取代现行观测方程。     

空间碎片激光测距微弱信号实时识别方法

针对传统二次滤波算法在空间碎片激光测距微弱信号实时识别中表现出误检率高的问题,基于空间碎片激光测距回波信号时间相关性的特点,本文提出采用一次滤波和线性拟合相结合的方法,顾及微弱信号实时识别的搜索代价与识别精度,实现了空间碎片激光测距微弱信号的实时识别。利用空间碎片激光测距实测数据进行了算法验证,结果表明：本文提出的激光测距微弱信号实时识别算法能够快速准确提取空间碎片的微弱信号,误检率由原来的5.72%降低到0.12%,漏检率由原来的0.77%降低到0.34%,对提高空间碎片的探测成功率具有重要意义。     

基于TLE的空间目标碰撞预警计算

地球轨道上数量日益增长的空间飞行物体对在轨航天器及人类航天活动构成了严重威胁.分析了空间目标两行轨道根数(TLE)的格式及构成;阐述了相应的SGP4/SDP4轨道近似解析解模型算法;提供了轨道坐标系和惯性坐标系之间的转换关系;利用TLE数据和SGP4/SDP4模型进行了空间目标碰撞预警计算.该方法对于航天器初步威胁评估具有重要意义.     

火星探测器观测量天体引力时延量级分析

针对专门计算太阳系大天体对航天器引力时延的计算公式展开了研究.选择了有代表性的太阳、地球、木星和火星,首先从理论公式上分析了它们对航天器光行时引力时延的影响量级和特点;然后模拟了测站对地火转移轨道和环火星轨道航天器的距离、速度观测量中的引力时延项.模拟计算和理论分析显示了结果的一致性;用两种方法得到的天体引力时延对深空探测器观测量影响的特点,为实际光行时计算中各项的取舍提供了一定的参考依据.     

"墨子号"卫星空间安全评估

“墨子号”卫星是2011年中科院空间科学战略性先导科技专项首批批准的五颗科学实验卫星之一,旨在建立卫星与地面远距离量子科学实验平台,并在此平台上完成空间大尺度量子科学实验任务．作为一颗科学卫星,它已经为中国在空间量子通信领域奠定了基础,受到国内外的普遍关注．2019年1月起,“墨子号”卫星开始进入延寿期工作,该卫星仍然承担着繁忙的拓展实验任务,包括国际合作实验任务等．“墨子号”卫星在轨空间安全问题成为“墨子号”卫星团队的关注点之一．本文基于国际空间碎片或空间目标数据信息,结合“墨子号”卫星星历数据,仿真了2020年3月17日-3月24日,“墨子号”最可能遭遇的空间碎片或空间目标情况,并给出了一些重要参数结果,对“墨子号”卫星运行具有参考作用．