雷祥旭

山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255000

隨著各國航天技術(shù)的發(fā)展，持續(xù)增多的空間碎片對在軌航天器或衛(wèi)星的正常運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅?？臻g碎片編目是開展空間碰撞預(yù)警、航天器規(guī)避等工作的基礎(chǔ)，研究空間碎片編目技術(shù)具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。光學(xué)觀測空間碎片常用觀測手段之一，利用甚短弧光學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)新空間目標(biāo)編目關(guān)鍵問題之一就是初軌關(guān)聯(lián)。無任何先驗(yàn)信息條件下，判斷兩組初軌參數(shù)是否來自同一目標(biāo)就是所謂的初軌關(guān)聯(lián)問題。沒有有效的初軌關(guān)聯(lián)技術(shù)，將無法發(fā)揮天基監(jiān)測在小碎片編目庫擴(kuò)建中的巨大潛力。

現(xiàn)有關(guān)聯(lián)方法大多理論性較強(qiáng)，但在實(shí)際應(yīng)用中有諸多困難。提出理論嚴(yán)謹(jǐn)且計(jì)算高效的甚短弧初軌關(guān)聯(lián)算法，滿足在不遠(yuǎn)的將來建設(shè)的天基光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)獲得的大量甚短弧數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)需求，是該博士論文研究的主要出發(fā)點(diǎn)。該論文基于堅(jiān)實(shí)的軌道參數(shù)誤差和位置誤差關(guān)系的分析，發(fā)展了無須初軌誤差信息的1套純幾何的初軌關(guān)聯(lián)算法。利用大量仿真和實(shí)測甚短弧角度數(shù)據(jù)對新算法進(jìn)行了算法驗(yàn)證與性能分析；在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了基于甚短弧光學(xué)測角數(shù)據(jù)的空間目標(biāo)軌道編目研究系統(tǒng)。論文的研究工作和貢獻(xiàn)如下：

(1) 分析了當(dāng)前空間目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，國內(nèi)學(xué)者提出的算法主要針對雷達(dá)數(shù)據(jù)，而針對論文研究的甚短弧角度數(shù)據(jù)初軌關(guān)聯(lián)問題的算法鮮有發(fā)現(xiàn)。將現(xiàn)有的空間目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的方法總結(jié)為4類算法，分別是AR(admissible region)類方法、IVP(initial value problem)和BVP(boundary value problem)類方法、CBTA(covariance-based track association)類方法、JPDA(joint probabilistic data association)和MTT(multi-target tracking)類方法，并總結(jié)了其優(yōu)缺點(diǎn)。

(2) 詳細(xì)研究了軌道根數(shù)誤差和三維位置誤差之間的關(guān)系，并據(jù)此提出無須誤差協(xié)方差的初軌關(guān)聯(lián)幾何方法。理論上，沿軌方向的位置差異和半長軸線性相關(guān)。發(fā)展了初軌關(guān)聯(lián)的幾何法。如果兩初軌來自相同目標(biāo)，通過調(diào)整其中一組初軌的長半軸，二者在中間時(shí)刻的沿軌位置之差則接近于零。

(3) 對高、中、低軌空間碎片天基低軌光學(xué)甚短弧仿真初軌進(jìn)行關(guān)聯(lián)算法的性能分析。仿真甚短弧角度數(shù)據(jù)，低軌衛(wèi)星監(jiān)測低軌、中軌和高軌碎片的弧段平均長度分別為23 s、115 s和99 s。結(jié)果表明，當(dāng)兩初軌的時(shí)間間隔小于3 d時(shí)，幾何法和CBTA方法的低軌相同目標(biāo)關(guān)聯(lián)正確率分別為84.0%和78.6%，中軌目標(biāo)分別為95.8%和49.4%，高軌目標(biāo)分別為75.8%和53.4%，表明幾何法關(guān)聯(lián)相同目標(biāo)正確率顯著高于CBTA方法。

(4) 利用地基光電陣實(shí)測甚短弧角度數(shù)據(jù)驗(yàn)證提出的幾何法。利用地基光電陣實(shí)測角度數(shù)據(jù)驗(yàn)證關(guān)聯(lián)算法的性能，幾何法關(guān)聯(lián)正確率90%，CBTA方法關(guān)聯(lián)正確率48%，結(jié)果說明相比于公認(rèn)的CBTA方法，幾何法性能優(yōu)異。2017年8—9月的地基光電陣實(shí)測數(shù)據(jù)處理，成功編目“新目標(biāo)”415個(gè)。

(5) 基于甚短弧角度數(shù)據(jù)的空間目標(biāo)編目軟件系統(tǒng)研發(fā)。設(shè)計(jì)和開發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、基于甚短弧光學(xué)監(jiān)測數(shù)據(jù)的空間碎片軌道編目軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行了測試，包含新碎片識(shí)別、初軌確定、初軌關(guān)聯(lián)和多個(gè)弧段的精密定軌等模塊。該軟件可服務(wù)于空間碎片編目庫的維護(hù)和擴(kuò)展；也可作為后續(xù)初軌關(guān)聯(lián)和碎片編目的研究平臺(tái)。