CN111998855B - 光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法及系统 - Google Patents
光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于空间目标数据处理技术领域，公开了一种光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法及系统，基于双目望远镜共视观测数据，在空间目标和两个测站组成的三角形中，利用几何法直接求解目标位置信息；根据观测量的连续性，利用差分方法直接求出目标的速度信息。具体包括：通过内插的方法使两个观测数据时间同步；在三角形ABS中利用几何法计算目标的距离；通过方位和距离信息得到目标的位置矢量。本发明几何法和现有技术的矢量法比较，几何法两个方程解两个未知数，矢量法是三个方程解两个未知数，几何方法根据准确。求解是唯一的。本发明提出求解速度的位置差分法，整个求解过程完全摆脱了力学方程。对变轨目标有明显的优势。
Description
技术领域
本发明属于空间目标数据处理技术领域，尤其涉及一种光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法及系统。
背景技术
空间目标定轨有两种概念，短弧意义下的初轨计算和长弧意义下的轨道改进——精密定轨。初轨确定在天体力学方面是最基本的问题，比较经典的就是Laplace和Gauss方法。这两种方法都是求解空间目标和中心天体组成的二体问题的力学方程。虽然这些方法随着时间的推移又有了不断改进，但对于一些特定目标其收敛性和大误差等问题并没有得到本质的改变。对一些近地轨道卫星和空间碎片，特别是一些变轨目标，传统方法不能满足精度的要求。武汉大学对空间目标的光学数据提出一种距离搜索的方法定初轨，可以将定轨转为兰伯特问题(Lambert)，从而很好地解决了程序收敛问题，但是这种方法对于变轨目标只能求出平庸解。
空间目标异地双目望远镜共视观测，即两个观测站在共同视场内对一个目标进行同时观测。对于光学望远镜和光电阵列系统的共视观测，基于两行根数做预报。对观测时经过光学望远镜视场内所有的已知目标做出标识。低轨目标和恒星背景有明显的相对移动，在观测时便于观测员发现疑似的未知目标并及时跟踪。因为光电阵列系统的视场远大于单个光学望远镜的视场，共视观测时该目标也出现在光电阵视场内。
异地双目望远镜共视观测可以不用迭代而快速确定目标的初轨根数，从原则上说只要双目望远镜共视观测到目标，就可以通过矢量计算或者几何方法确定目标的位置，它的求解过程不需要力学方程，对变轨目标和临界空间目标有明显优势。
目前最接近的方法是矢量方法，利用矢量法求出目标的距离。光电望远镜给出的观测数据是站心赤道坐标系的赤经和赤纬(α、δ)。如果一个测站的观测值为(α1，δ1)，测站在地心赤道坐标系中的位置为(X1，Y1，Z1)，而另一测站的观测值为(α2，δ2)，测站在地心赤道坐标系中的位置为(X2，Y2，Z2)。设测站到空间目标的距离分别为ρ1，ρ2，可以得到方程(1)，解方程得到ρ1、ρ2。
容易看出，矢量方法是三个方程求解两个未知数，取不同的两个方程求解结果有偏差。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)望远镜观测中，经典的Laplace和Gauss方法都需要迭代，在数据质量不好的情况下都有迭代失败无法定轨的情况。经典方法对变轨目标无效，无法求出变轨目标准确的轨道参数。
(2)矢量方法求解初轨是三个方程求解两个未知数，在三个方程中任意取两组方程都可以求出结果，但是采用不同的两个方程会求出不同的结果。
(3)矢量方法求解速度矢量，仍然沿用了力学方法。虽然矢量方法也可以用差分法求解速度，但是由于矢量方法的距离偏差不稳定，速度偏差会也会有不确定性。
解决以上问题及缺陷的难度为：Laplace和Gauss方法都都是单个光学观测站短弧段定轨，如果仍然沿用单站短弧段定轨，定轨精度和稳定性很难有明显的提高。解决问题的导向是采用不同的观测模式，最有效的方法就是雷达观测，但是雷达观测能耗太高，运行经费太贵。采用两站光学望远镜共视观测，就是保证空间目标同时出现在两个望远镜的视场内，从实际观测上来说，一个没有任何先验信息的目标同时进入两个望远镜的视场之内，而其中至少有一个是大视场的光电望远镜阵列。
解决以上问题及缺陷的意义为：利用光学观测站共视观测数据，可以快速计算空间目标距离。异地双目望远镜共视观测可以产生一个类似光电雷达的观测效果，而光学望远镜的运行费用要比雷达的运行费用少很多。基于共视观测数据的空间目标初始轨道确定，具有定轨快和精度高等特点，而且不用迭代即可完成。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法及系统。
本发明是这样实现的，一种光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法，基于双目望远镜共视观测数据，在空间目标和两个测站组成的三角形中，利用几何法直接求解目标位置信息；根据观测量的连续性，利用差分方法直接求出目标的速度信息。
进一步，所述光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法具体包括：
步骤一，通过内插的方法使两个观测数据时间同步；
步骤二，在三角形ABS中利用几何法目标的距离；
步骤三，通过方位和距离信息得到目标的位置矢量。
进一步，所述步骤一中，利用拉格朗日内插方法使两个站的观测数据同步；在计算过程中把测站的大地坐标转化为J2000坐标系下的(X，Y，Z)。
进一步，所述步骤二具体包括：
测站A的观测值为(α1，δ1)，测站A在地心赤道坐标系中的位置为(X1，Y1，Z1)，测站B的观测值为(α2，δ2)，测站B在地心赤道坐标系中的位置为(X2，Y2，Z2)；设测站到空间目标的距离分别为ρ1，ρ2，通过下面方程组得到ρ1、ρ2。
进一步，所述步骤二中，在测站A，测站B和空间目标S组成的三角形ΔABS中，把测站A和测站B之间的线段AB作为基线，在光学观测时可以把目标的赤经赤纬信息直接转为目标和基线的角度值∠SAB和∠SBA，在三角形中，利用基线长度和角度信息直接用三角函数求出目标到测站的距离量SA和SB即ρ1、ρ2。
进一步，所述步骤三中，利用位置的变化量得到目标的速度矢量，得出目标的六个轨道参数。
本发明的另一目的在于提供一种光电望远镜共视观测确定空间目标初轨系统包括：
观测数据时间同步模块，用于通过内插的方法使两个观测数据时间同步；
目标的距离获取模块，用于在三角形ABS中利用几何法目标的距离；
目标位置矢量获取模块，用于通过方位和距离信息得到目标的位置矢量。
本发明的另一目的在于提供一种如所述光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法在空间目标的光学观测中的应用，所述应用方法包括：
在精度要求不高度情况下，直接使用轴系定位，然后再使用所述光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法定轨，实现目标的定位。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明利用异地两站的光电望远镜共视观测数据，确定空间目标的初始轨道根数。它利用纯几何方法和坐标变换求解未知空间目标的位置信息和速度信息。它的求解过程不用迭代，具有实时性好，定轨精度高，定轨速度快等特点。本发明提供的异地两站光电望远镜共视观测定初轨可以解决变轨空间目标快速定初轨的问题。
本发明几何方法定初轨，不用迭代就可确定没有先验性信息的空间目标的轨道根数。具有实时性好，定轨精度高，定轨速度快等特点，它不用力学方程，对变轨目标和临界空间目标具有明显优势。
本发明几何法和现有技术的矢量法比较，几何法两个方程解两个未知数，矢量法是三个方程解两个未知数，几何方法根据准确。求解是唯一的。
本发明提出求解速度的位置差分法，整个求解过程完全摆脱了力学方程。对变轨目标有明显的优势。
本发明基于两站共视观测的几何方法定轨，如果观测数据精度达到5个角秒，定轨精度好于2000米。能够对变轨目标定初轨，利用光学观测站共视观测数据，可以快速计算空间目标距离。异地双目望远镜共视观测可以产生一个类似光电雷达的观测效果。基于两站共视观测的几何方法定轨对于变轨目标有突出的优势，基于二体问题的力学方程无法求出变轨目标准确的轨道参数。
Laplace和Gauss方法受观测弧段长度影响比较明显，定轨精度在一般在3000米到10000米之间，且存在定轨不能收敛的情况。几何法定初轨，定轨精度有明显提高。矢量方法定轨精度和几何法定轨精度相当，但是矢量方法采用不同的方程会几十米到几百米的偏差。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法流程图。
图2是本发明实施例提供的几何方法的定初轨的原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法包括：基于双目望远镜共视观测数据，在空间目标和两个测站组成的三角形中，利用几何法直接求解目标位置信息。
根据观测量的连续性，利用差分方法直接求出目标的速度信息。定初轨过程不需要力学方程，不需要迭代，只要两个望远镜有共视观测数据，就可以实时准确定初轨。
如图1所述，本发明提供的光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法包括：
S101，通过内插的方法使两个观测数据时间同步。
S102，在三角形ABS中利用几何法目标的距离。
S103，通过方位和距离信息得到目标的位置矢量。
步骤S101具体包括：通过内插的方法使两个观测数据时间同步。双目望远镜共视观测时，目标的观测时间段是相同的，利用拉格朗日内插方法使两个站的观测数据严格同步。在计算过程中把测站的大地坐标转化为J2000坐标系下的(X，Y，Z)。
步骤S102具体包括：在三角形ABS中利用几何法目标的距离。光电望远镜给出的观测数据是站心赤道坐标系的赤经和赤纬(α、δ)。如果测站A的观测值为(α1，δ1)，测站A在地心赤道坐标系中的位置为(X1，Y1，Z1)，而测站B的观测值为(α2，δ2)，测站B在地心赤道坐标系中的位置为(X2，Y2，Z2)。测站A和B之间的距离为AB，则∠SAB和∠SBA可以分别由以下两个公式求得：
设测站到空间目标的距离分别为ρ1，ρ2，则在三角形ABS中通过方程组(4)得到ρ1、ρ2。
步骤S102中，几何方法的定初轨的原理如图2所示。在测站A，测站B和空间目标S组成的三角形ΔABS中，把测站A和测站B之间的线段AB作为基线，在光学观测时可以把目标的赤经赤纬信息直接转为目标和基线的角度值∠SAB和∠SBA，在三角形中，利用基线长度和角度信息直接用三角函数求出目标到测站的距离量SA和SB即ρ1、ρ2。
步骤S103具体包括：通过方位和距离信息得到目标的位置矢量。因为观测是连续的，利用位置的变化量得到目标的速度矢量，从而得出目标的六个轨道参数。
光电望远镜共视观测编目定轨，只需要坐标变换和差值计算等过程，不需要动力学方程和迭代过程即可实时确定空间目标的初始轨道根数。在不使用迭代的情况下，光学望远镜的观测精度达到5角秒的情况下，初轨的位置精度达到2000米。
下面结合具体应用例对本发明的技术方案作进一步的描述。
例如，用长春站40cm光学望远镜和吉林基地15cm光学望远镜共视观测的Jason3卫星观测数据，直接用几何方法定出轨道的结果数据如下(部分数据文件省略)：
(1)20190606，14:01:53705239；-3999567.488，-2770634.808，5987190.712；-638.664，364.313，867.789，-903.336；-6226.910，-3454.995，-9.277，-1.052，19.144；7694179.135255，0.00421590，66.13876492，352.0949767067.68560972，129.47494576，121.94158553
(2)20190606，14:01:54256429；-4000084.283，-2774033.153，5985321.310；-614.139，331.392，821.492；-903.159，-6226.694，-3456.771；-11.009，-2.159，20.231；7695631.898456，0.00433489，66.14139844，356.44520836，67.68559126，125.12235365，121.97259384
……
(41)20190606，14:01:59433245；-4003877.081，-2806773.076，5966154.121；-1393.405，880.347，1919.345；-877.284，-6211.968，-3495.198；-3.0760.063，8.655；7699201.541512，0.00256747，66.13870533，344.1871158367.68541077，137.86723140，122.25124922
(42)20190606，14:01:59781486；-4004909.146，-2808423.755，5965972.887；-665.565，367.889，880.080；-881.241，-6206.790，-3490.192；-8.2414.394，15.464；7687475.137171，0.00435212，66.14966022，337.1346753967.68539990，144.85290057，122.27340313
……
(38)20190606，14:02:09645599；-4013676.564，-2869340.300，5931624.988；-340.664，135.753，396.377；-849.611，-6178.735，-3538.262；-10.859，8.205，18.320；7678910.348442，0.00547908，66.15929617，332.5932819367.68507121，149.89793135，122.80425302
(39)20190606，14:02:09981380；-4013930.296，-2871398.775，5930396.585；-368.373，116.912，430.257；-835.335，-6186.972，-3558.527；2.250，-0.866-0.216；7711742.784741，0.00053493，66.13015943，332.64160640，67.68505866150.13002148，122.80213861
输出文件格式说明：每一组独立的结果文件分为六个组，分别用分号隔开。
第一组为时间：分别为年月日和时分秒20190606，14:01:53705239；(t)。
第二组为目标在惯性坐标系中的位置，x坐标，y坐标，z坐标：-3999567.488，-2770634.808，5987190.712(x,y,z)。
第三组为目标位置和理论值的偏差：-638.664，364.313，867.789(Δx,Δy,Δz)。
第四组为目标在惯性坐标系中的速度，x方向速度，y方向速度，z方向速度：-903.336，-6226.910，-3454.995(Vx,Vy,Vz)。
第五组为目标速度和理论值的偏差：-9.277，-1.052，19.144(ΔVx,ΔVy,ΔVz)。
第六组为位置和速度量转化为的瞬时轨道根数，半长轴，偏心率，倾角，升交点赤经，近地点幅角，平近点角，轨道周期：7694179.135255，0.00421590，66.13876492，352.09497670，67.68560972，129.47494576，121.94158553(a,e,i,Ω,ω,Μ,T)(轨道参数和位置速度矢量是等价的，可以相互转换)。
从实验数据发现，几何法定轨位置偏差一般好于2000米，速度偏差一般在几十米每秒左右，整个过程完全摆脱卫星动力学方程，定轨精度优于传统方法。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法，其特征在于，所述光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法基于双目望远镜共视观测数据，在空间目标和两个测站组成的三角形中，利用几何法直接求解目标位置信息；根据观测量的连续性，利用差分方法直接求出目标的速度信息；
所述光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法具体包括：
步骤一，通过内插的方法使两个观测数据时间同步；
步骤二，在三角形ABS中利用几何法计算目标的距离；
步骤三，通过方位和距离信息得到目标的位置矢量；
所述步骤一具体包括：通过内插的方法使两个观测数据时间同步；双目望远镜共视观测时，目标的观测时间段是相同的，利用拉格朗日内插方法使两个站的观测数据严格同步；在计算过程中把测站的大地坐标转化为J2000坐标系下的(X，Y，Z)；
所述步骤二具体包括：在三角形ABS中利用几何法目标的距离；光电望远镜给出的观测数据是站心赤道坐标系的赤经和赤纬(α、δ)；如果测站A的观测值为(α1，δ1)，测站A在地心赤道坐标系中的位置为(X1，Y1，Z1)，而测站B的观测值为(α2，δ2)，测站B在地心赤道坐标系中的位置为(X2，Y2，Z2)；测站A和B之间的距离为AB，则∠SAB和∠SBA分别由以下两个公式求得：
设测站到空间目标的距离分别为ρ1，ρ2，则在三角形ABS中通过方程组(4)得到ρ1、ρ2；
在步骤二测站A，测站B和空间目标S组成的三角形ΔABS中，把测站A和测站B之间的线段AB作为基线，在光学观测时可以把目标的赤经赤纬信息直接转为目标和基线的角度值∠SAB和∠SBA，在三角形中，利用基线长度和角度信息直接用三角函数求出目标到测站的距离量SA和SB即ρ1、ρ2；
所述步骤三具体包括：通过方位和距离信息得到目标的位置矢量；利用位置的变化量得到目标的速度矢量，得出目标的六个轨道参数。
2.一种如权利要求1所述方法的光电望远镜共视观测确定空间目标初轨系统，其特征在于，所述光电望远镜共视观测确定空间目标初轨系统包括：
观测数据时间同步模块，用于通过内插的方法使两个观测数据时间同步；
目标的距离获取模块，用于在三角形ABS中利用几何法目标的距离；
目标位置矢量获取模块，用于通过方位和距离信息得到目标的位置矢量。
3.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1所述光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法。
4.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1所述光学望远镜共视观测确定空间目标初轨的几何方法。
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