空间碎片仅角度甚短弧初轨关联研究

雷祥旭

山东理工大学建筑工程学院，山东 淄博 255000

随着各国航天技术的发展，持续增多的空间碎片对在轨航天器或卫星的正常运行造成了严重威胁。空间碎片编目是开展空间碰撞预警、航天器规避等工作的基础，研究空间碎片编目技术具有重要的理论价值和实际意义。光学观测空间碎片常用观测手段之一，利用甚短弧光学数据实现新空间目标编目关键问题之一就是初轨关联。无任何先验信息条件下，判断两组初轨参数是否来自同一目标就是所谓的初轨关联问题。没有有效的初轨关联技术，将无法发挥天基监测在小碎片编目库扩建中的巨大潜力。

现有关联方法大多理论性较强，但在实际应用中有诸多困难。提出理论严谨且计算高效的甚短弧初轨关联算法，满足在不远的将来建设的天基光学监测系统获得的大量甚短弧数据的关联需求，是该博士论文研究的主要出发点。该论文基于坚实的轨道参数误差和位置误差关系的分析，发展了无须初轨误差信息的1套纯几何的初轨关联算法。利用大量仿真和实测甚短弧角度数据对新算法进行了算法验证与性能分析；在此基础上，研发了基于甚短弧光学测角数据的空间目标轨道编目研究系统。论文的研究工作和贡献如下：

(1) 分析了当前空间目标观测数据关联问题的国内外研究现状，国内学者提出的算法主要针对雷达数据，而针对论文研究的甚短弧角度数据初轨关联问题的算法鲜有发现。将现有的空间目标观测数据关联的方法总结为4类算法，分别是AR(admissible region)类方法、IVP(initial value problem)和BVP(boundary value problem)类方法、CBTA(covariance-based track association)类方法、JPDA(joint probabilistic data association)和MTT(multi-target tracking)类方法，并总结了其优缺点。

(2) 详细研究了轨道根数误差和三维位置误差之间的关系，并据此提出无须误差协方差的初轨关联几何方法。理论上，沿轨方向的位置差异和半长轴线性相关。发展了初轨关联的几何法。如果两初轨来自相同目标，通过调整其中一组初轨的长半轴，二者在中间时刻的沿轨位置之差则接近于零。

(3) 对高、中、低轨空间碎片天基低轨光学甚短弧仿真初轨进行关联算法的性能分析。仿真甚短弧角度数据，低轨卫星监测低轨、中轨和高轨碎片的弧段平均长度分别为23 s、115 s和99 s。结果表明，当两初轨的时间间隔小于3 d时，几何法和CBTA方法的低轨相同目标关联正确率分别为84.0%和78.6%，中轨目标分别为95.8%和49.4%，高轨目标分别为75.8%和53.4%，表明几何法关联相同目标正确率显著高于CBTA方法。

(4) 利用地基光电阵实测甚短弧角度数据验证提出的几何法。利用地基光电阵实测角度数据验证关联算法的性能，几何法关联正确率90%，CBTA方法关联正确率48%，结果说明相比于公认的CBTA方法，几何法性能优异。2017年8—9月的地基光电阵实测数据处理，成功编目“新目标”415个。

(5) 基于甚短弧角度数据的空间目标编目软件系统研发。设计和开发了具有完全自主知识产权、基于甚短弧光学监测数据的空间碎片轨道编目软件系统，并进行了测试，包含新碎片识别、初轨确定、初轨关联和多个弧段的精密定轨等模块。该软件可服务于空间碎片编目库的维护和扩展；也可作为后续初轨关联和碎片编目的研究平台。