空间碎片激光测距应用研究

空间碎片的存在使空间环境日益恶化,已影响到空间活动的安全。国际上很多国家开展了空间碎片探测技术的研究,空间碎片激光测距技术成为一种新的探测手段。首先,概述了国内外空间碎片激光测距技术的发展趋势和现状。其次,在成功获得空间碎片激光测距回波的基础上,研究了激光测距数据联合测角数据单站定轨的方法,仿真计算结果表明,该方法的定轨精度优于单纯光学测角数据定轨的精度。最后,提出一种利用空间碎片激光测距误差来初步测定空间碎片尺度的方法,并分别通过地面靶激光测距实验和空间碎片激光测距实验验证了该方法的可行性,为空间碎片尺度测定提供了一种参考依据。     

Passive Orbit Measurement of Geosynchronous Satellite Based on Four-station's Time Difference of Arrival

基于卫星通信信号的多站时差测轨是一种重要的新型无源测轨方法,分析其定轨精度对系统应用具有重要意义.介绍了四站时差测轨原理与系统组成,提出了基于四站时差测量数据的自校准统计定轨策略,采用计算机仿真了同步轨道卫星的统计定轨精度.仿真结果表明:当无系统误差时,24h观测数据统计定轨位置误差约为11m,预报1周位置误差约100 m;当存在系统误差时,可用自校准方法同步估计系统误差,系统误差估计精度约为4m,位置误差约为120 m,预报1周的位置误差约为200 m.     

同步轨道卫星四站时差统计定轨精度分析

基于卫星通信信号的多站时差测轨是一种重要的新型无源测轨方法,分析其定轨精度对系统 应用具有重要意义。介绍了四站时 差测轨原理与系统组成,提出了基于四站时差测量数据的自校准统计定轨策略,采用计算机 仿真了同步轨道卫星的统计定轨精度。仿真结果表明：当无系统误差时,24 h观测数据统计定轨位置误差约为11 m,预报1周位置误差约100 m;当存在系统 误差时,可用自校准方法同步估计系统误差,系统误差估计精度约为4 m,位置误差约 为120 m,预报1周的位置误差约为200 m。     

基于多星联合的雷达精度鉴定方法研究

针对雷达数据汇集处理中心评估不同型号雷达测轨数据精度的迫切需求,研究了利用多颗低轨卫星开源精密星历开展精度鉴定的方法。通过分析标校卫星过境规律,探讨了多星联合观测标校方法在雷达精度鉴定中的可行性。系统讨论了标校星位置计算方法,解决了精密星历与测量数据在时间系统、坐标系统、数据率等方面存在的不一致问题,分析了雷达测量数据误差修正方法,有效消除了外界因素对测量误差的影响。在残差统计方面,通过统计雷达单圈次测量误差及多圈次总误差,综合反映雷达测轨精度水平。利用该方法对某型雷达测轨数据进行了误差分析,验证了该雷达测距优于10 m,测角优于360″。结合实际案例,探讨了该方法在雷达精度鉴定、雷达状态常态化监测中的应用价值。     

APOSOS光电望远镜空间目标观测精度分析

利用内符合精度和外符合精度两种精度判定方法,对国内首台基于APOSOS亚太地基光学空间物体观测系统）项目安装在国外的15 cm地基空间碎片光电观测望远镜获得的观测数据进行了观测精度计算分析。经过计算分析,得到内符合精度在5左右;利用全球激光测距服务系统提供的综合激光测距数据格式标准点资料对Lageos1、Lageos2和Ajisai卫星进行精密定轨,进而获得这些卫星的精密轨道,并以此精密轨道作为APOSOS 15 cm光电望远镜观测数据外符合精度的评定依据,得到外符合精度大约在6左右。计算分析结果表明:系统的观测精度较高,达到了设计指标,能够满足科研和工程应用的需要。     

空间监视雷达高精度实时目标定轨方法

地基空间监视雷达肩负着新目标发现、编目维持、空间事件监视等太空态势实时感知任务。在太空态势实时感知任务中,必须对空间目标进行实时高精度目标定轨。这类任务对实时性和精度要求都很高,传统方法难以满足任务需求。例如,传统的空间目标定轨算法为事后处理,为达到任务的精度要求需要积累多天多圈数据,不能满足此类任务的实时性要求。而传统的雷达目标跟踪滤波算法仅支持单弧段,其精度无法达到应用要求。为此,本文提出了基于高精度空间目标轨道模型和空间目标轨道预报误差协方差传播理论的不敏卡尔曼滤波（UKF）。该方法采用高精度空间目标轨道模型,支持多装备多弧段雷达观测数据,可以很好地解决多弧段滤波中断导致协方差不匹配的问题。根据仿真实验,跟踪三圈后,实时定轨的目标位置精度可以达到百米级,速度精度达到分米级。     

一种提高导弹落点预报精度方法的研究

在对弹道导弹目标的预警中,如何使用相控阵雷达观测数据对目标进行实时定轨及轨道改进,并提高导弹落点预报精度成为弹道导弹预警研究的重要内容。文中针对这一问题进行了研究和实验仿真,通过将实时定轨和改进方法应用到弹道导弹预报中能够有效地提高导弹落点预报精度,较好地解决解决导弹落点预报问题。     

系统差及南纬站对GEO多站测距定轨精度的影响分析

在基于多站测距的GEO卫星定轨中,为了提高卫星的定轨精度,通过仿真分析了测距系统差对定轨精度的影响。阐述了GEO卫星多站测距定轨的原理,分析了系统差的误差源及其修正精度,分析表明系统差综合修正误差在2 m左右;定轨仿真分析了系统差及南纬站对GEO卫星定轨精度的影响。实验结果表明,系统差主要影响GEO卫星切向和外法向定轨精度,南纬站的加入对改善外法向定轨精度作用显著。     

容积卡尔曼滤波在空间目标轨道确定中的应用

针对空间监视雷达的近地目标轨道确定问题,提出了基于容积卡尔曼滤波的精密轨道确定方法,与被广泛应用的扩展卡尔曼滤波方法相比,所提方法具有更高的定轨精度.同时,由于容积卡尔曼滤波在理论上具有严格的数学证明,其在处理空间目标复杂运动问题的过程中具有更好的数值稳定性.通过引入递推形式的后验克拉美罗界,分析了不同观测模型对定轨性能的影响.利用仿真数据进一步验证了所提出方法的有效性和分析的正确性.     

基于连续测角的被动测距技术研究

在复杂的电子战环境中,为了精确定位目标,需要探测目标的距离.被动测距具有探测距离远、隐蔽性好、抗打击能力和生存能力强等特点.机载红外搜索跟踪系统(IRST)可以通过连续获取目标的角度数据估测目标的距离.基于这种连续测角的被动测距技术,建立了空间极坐标系下的测距模型,并对此模型的可观测性进行分析验证,然后通过选用滤波算法,进行仿真实验和飞行实验.实验结果表明.此测距方法收敛速度快,精度高达5%,具有很高的实用价值.     

低轨空间碎片弹道系数及应用

稀疏数据条件下,弹道系数是影响低轨空间碎片精确轨道确定与预报的关键因子。使用长期累积的TLE（二行根数）跟踪数据,通过半长轴的大气阻力摄动方程,将2 000多个轨道近地点高度低于850 km的空间碎片的弹道系数进行估算,得到这些空间碎片的弹道系数值,并给出弹道系数的两个应用实例。第一个应用实例关于利用弹道系数进行TLE的数据质量检测。使用质量检测方法剔除质量可疑的TLE后,对14个面质比较大的空间碎片进行弹道系数的重新估算,估算误差均显著减小,其中11个新计算得到的弹道系数与参考值的相对误差小于20%。第二个实例验证弹道系数在所谓的TLE-OD/OP方法中的应用。以GRACE-B卫星为例,精密轨道预报为参考,结果表明利用多组TLE的TLE-OD/OP的轨道预报精度显著优于TLE/SGP4的精度。     

GPS‐Based Orbit Determination for KOMPSAT‐5 Satellite

Korea Multi‐Purpose Satellite‐5 (KOMPSAT‐5) is the first satellite in Korea that provides 1 m resolution synthetic aperture radar (SAR) images. Precise orbit determination (POD) using a dual‐frequency IGOR receiver data is performed to conduct high‐resolution SAR images. We suggest orbit determination strategies based on a differential GPS technique. Double‐differenced phase observations are sampled every 30 seconds. A dynamic model approach using an estimation of general empirical acceleration every 6 minutes through a batch least‐squares estimator is applied. The orbit accuracy is validated using real data from GRACE and KOMPSAT‐2 as well as simulated KOMPSAT‐5 data. The POD results using GRACE satellite are adjusted through satellite laser ranging data and compared with publicly available reference orbit data. Operational orbit determination satisfies 5 m root sum square (RSS) in one sigma, and POD meets the orbit accuracy requirements of less than 20 cm and 0.003 cm/s RSS in position and velocity, respectively.     

天基激光清除小尺度空间碎片变轨模型研究

通过选取LEO区域中两种典型材料的小尺度空间碎片,分别建立了相应的强激光与靶材的冲量耦合模型,研究了高能脉冲激光与靶材作用下碎片速度的变化规律。在此基础上建立了激光辐照作用下小尺度空间碎片的变轨模型。通过仿真分析,对假定功率激光器作用下两种典型材料空间碎片轨道参数的变化规律进行了数值模拟,并讨论分析了碎片自旋角速率及不同功率的激光器对碎片清理效能的影响规律。研究结果表明,在假定功率的天基平台激光器作用下能在一个飞行周期内辐照两种典型材料碎片达到降轨清除效果,为天基平台激光清除空间碎片技术的应用提供了必要的理论基础。     

空间碎片天基光子计数激光探测研究

为了满足空间碎片探测与精确定轨的需求,采用光子计数的高灵敏激光探测方法,讨论了盖革模式下雪崩二极管探测器的光子计数探测基本原理,并建立了引入探测器与空间碎片的相对径向速度的天基光子计数探测模型,进行了空间碎片光子计数激光探测的理论分析和仿真验证。结果表明,在可探测速度范围内,光子计数激光探测技术能有效探测到尺寸为10cm的空间碎片目标,测距平均误差为34.72cm。与传统地基雷达和光电探测手段相比,此技术测距精度能提高3个数量级,可有效降低航天器与空间目标碰撞的概率。     

53 cm双筒望远镜高重频空间碎片激光测距系统

空间碎片的存在对在轨运行航天器的安全构成严重的威胁,同时空间碎片的不断产生对有限的轨道资源也将构成严重威胁。采用激光测距技术可实现空间碎片的实时高精度定轨,从而可有效规避其对航天器的撞击。为了开展高精度小尺寸空间碎片激光测距,研制了可快速平稳跟踪400 km以上空间目标的53 cm双筒望远镜,然后结合低功率高重频亚纳秒激光器和单光子探测技术,在该望远镜上研究和实现了空间碎片激光测距技术。结合激光测距方程,分析研究系统的空间碎片探测能力,当碎片距离为1 000 km时,能探测到回波光子的碎片最小尺寸约为478.5 cm。实际观测表明:该激光测距系统具有探测米级空间碎片（约1 000 km远）的能力。     

提高地月转移轨道入轨段初轨精度的技术途径

针对星箭分离前、后两段数据处于不同的飞行轨道,经典的轨道计算方法无法实现两段外测数据联合参与定轨,入轨段初轨精度难以进一步提高的问题,通过分析星箭分离时刻轨道半长轴确定精度与测量误差、轨道偏心率之间的关系,提出了提高站址坐标测量精度、采用分布式船姿船位测量体制以提高姿态测量精度、采用卫星测高数据计算任务海域垂线偏差并对船姿数据进行修正、船载雷达测速数据的东平台影响修正、合理的数据预处理以及采用基于速度增量修正的定轨新方法等多种技术途径,并重点介绍了基于速度增量修正、可实现星箭分离前后外测数据联合定轨的新方法。仿真计算和任务实测数据验算表明,新方法轨道半长轴确定精度较以往传统方法提高1个数量级以上,有利于后续测控计划制定和测控站的跟踪引导。     

空间目标激光测距技术发展现状及趋势

激光测距技术是空间目标轨道测定精度最高的手段,有利于实现空间目标高精度测量和监测,提高目标轨道预报精度和航天器机动规避能力。本文介绍了国内外漫反射激光测距技术、空间碎片激光烧融项目及一发两收测距技术的研究进展,提出了提高激光器功率、高重频测距、白天测距技术、发展阵列探测器等关键技术的发展趋势以及在碎片清除领域的应用前景。