CN115837992A - 面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法和系统 - Google Patents

面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法和系统 Download PDF

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CN115837992A
CN115837992A CN202211489898.4A CN202211489898A CN115837992A CN 115837992 A CN115837992 A CN 115837992A CN 202211489898 A CN202211489898 A CN 202211489898A CN 115837992 A CN115837992 A CN 115837992A
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China
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space
initial
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arc
optical observation
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CN202211489898.4A
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郭玲玲
汪少林
王鑫
吴泽鹏
叶小舟
代海山
桑峰
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Shanghai Institute of Satellite Engineering
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Shanghai Institute of Satellite Engineering
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Abstract

本发明提供了一种面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法和系统，包括：步骤1：通过天基光学观测平台获取成像数据并进行处理，获取未知目标的短弧观测数据；步骤2：将获取的短弧观测数据按时间进行编号管理；步骤3：将获取的短弧观测数据分别进行短弧初始轨道确定，保存原始的短弧观测数据以及编号、处理得到的初始轨道；步骤4：利用处理得到的初始轨道进行粗关联，若关联成功则执行步骤5；步骤5：利用处理得到的初始轨道以及原始短弧观测数据进行精匹配，若匹配成功则保存关联后的定轨信息。本发明能够对未编目的初轨之间进行准确关联，可以普遍适用于面向空间碎片的天基光学观测初轨关联。

Description

面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法和系统
技术领域
本发明涉及轨道关联技术领域，具体地，涉及一种面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法和系统。
背景技术
随着人类航天领域的快速发展，空间中人造物体的数量也大幅增加，其中绝大多数为空间碎片。空间碎片的来源包括失效的航天器、运载火箭箭体、航天器抛弃或剥落的物体、火箭喷射物、航天器爆炸或被击毁产生的碎片等。空间碎片会严重威胁正常运行航天器的安全，目前全球对空间碎片均高度重视。据称，已经退役的风云一号C星产生了约3000枚碎片，直径15厘米左右，曾发生过接近国际空间站的情况，需要进行变轨躲避。
利用天基光学观测对空间碎片进行编目管理，首先需要对观测弧段的测角信息进行初轨确定，初始轨道的精度高则后续与已编目目标关联、与未编目初轨(UCT)关联的难度会降低。目前初始轨道与已编目目标关联的算法已经相对成熟。而大量的未关联的初始轨道之间的关联是编目初期、新目标发现、异动发现的关键。
文献1(J.M.Maruskin,Correlation of optical observations of objects inearth orbit,Journal of Guidance,Control,and Dynamics,32(1))提出了一种基于协方差传播的关联方法。实际应用中初始轨道的误差矩阵一般难以准确获得。文献2(X.Lei,AGeometrical Approach to Association of Space-based Very Short-Arc LEO Tracks,Advances in Space Research,63(3))提出了一种几何关联算法，利用初轨的半长轴误差迭代调整两个初轨的半长轴，在两个初轨误差不超过100km的情况下关联正确率达到93％。文献3(杜建丽，面向空间碎片编目的天基监测系统研究，武汉大学博士论文，2018)应用几何关联方法对496个初轨结果尝试关联，关联正确率89.6％。
专利文献CN110002014A(申请号：CN201910218740.5)公开了一种空间碎片关联方法，包括如下步骤：步骤一、根据空间碎片的两组轨道参数，选取一个公共时刻；步骤二、将步骤一中所述的两组轨道参数分别传播至所述公共时刻；计算所述两组轨道参数在所述公共时刻的长半径之差和轨道面夹角；步骤三、当步骤二中所述的长半径之差和轨道面夹角均小于相应阈值时，转入步骤四；否则判定所述两组轨道参数为不同空间碎片；步骤四、调整所述两组轨道参数在所述公共时刻的长半径，当所述两组轨道参数在所述公共时刻的径向偏差、沿轨方向偏差、轨道面法向方向偏差均小于相应阈值时，判定所述两组轨道参数为同一空间碎片；否则判定所述两组轨道参数为不同空间碎片。
为了解决未编目初轨之间的高精度关联问题，本发明提出了一种初轨关联方法，首先按照初轨的轨道面信息进行粗关联，然后基于原始测角数据进行精关联，有效提升了初轨关联准确率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法和系统。
根据本发明提供的面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法，包括：
步骤1：通过天基光学观测平台获取成像数据并进行处理，获取未知目标的短弧观测数据，包括运动目标的成像时间、天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置、目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的单位向量；
步骤2：将获取的短弧观测数据按时间进行编号管理；
步骤3：将获取的短弧观测数据分别进行短弧初始轨道确定，保存原始的短弧观测数据以及编号、处理得到的初始轨道；
步骤4：利用处理得到的初始轨道进行粗关联，若关联成功则执行步骤5；
步骤5：利用处理得到的初始轨道以及原始短弧观测数据进行精匹配，若匹配成功则保存关联后的定轨信息。
优选的，第一未关联弧段的初始轨道为：时间t1，半长轴a1，偏心率e1，倾角i1，升交点赤经Ω1，近地点幅角ω1，平近点角M1；第二未关联弧段的初始轨道为：时间t2，半长轴a2，偏心率e2，倾角i2，升交点赤经Ω2，近地点幅角ω2，平近点角M2；
采用轨道面阈值法进行粗关联；
计算无奇点根数中系数p，对应第一弧段为p1，第二弧段为p2，表达式为：
Figure BDA0003964489510000021
若|p1-p2|<Th，则认为粗关联成功，其中，Th为粗关联阈值。
优选的，第一弧段原始观测数据中成像时刻依次为t11,t12,…,t1k，对应的天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置为
Figure BDA0003964489510000031
目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的指向为
Figure BDA0003964489510000032
i＝0,1,…,k，k为第一弧段样本数；
第二弧段原始观测数据中成像时刻依次为t21,t22,…,t2j，对应的天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置为
Figure BDA0003964489510000033
目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的指向为
Figure BDA0003964489510000034
i＝0,1,…,j，j为第二弧段样本数；
所述步骤5中的精匹配包括如下步骤：
步骤5.1：将第一弧段的初始轨道由开普勒根数转换为笛卡尔根数，得到位置[rx1,ry1,rz1]T，速度[vx1,vy1,vz1]T，将其记为初值
Figure BDA0003964489510000035
待确定轨道根数记为
Figure BDA0003964489510000036
迭代开始前
Figure BDA0003964489510000037
步骤5.2：计算当前轨道根数
Figure BDA0003964489510000038
对应的偏导数矩阵H，若由轨道根数
Figure BDA0003964489510000039
推导得到的某成像时刻对应的测角预测值为
Figure BDA00039644895100000310
则预测值相对
Figure BDA00039644895100000311
的偏导数矩阵
Figure BDA00039644895100000312
为：
Figure BDA00039644895100000313
偏导数矩阵H满足：
Figure BDA0003964489510000041
步骤5.3：首先根据轨道根数
Figure BDA0003964489510000042
推导得到分别对应t11,t12,…,t1k，t21,t22,…,t2j时刻的目标位置，然后由目标位置计算相对天基光学观测平台的指向预测值，并进行归一化，得到当前预测值yg，然后计算当前预测值yg与实测值yc之间的残差矩阵y＝yg-yc；
其中，实测值yc的表达式为：
Figure BDA0003964489510000043
步骤5.4：计算均方根差u，表达式为：
Figure BDA0003964489510000044
步骤5.5：若均方根差u小于预设收敛阈值或达到预设迭代次数上限，则停止迭代；否则，计算轨道改进量
Figure BDA0003964489510000045
并更新轨道根数
Figure BDA0003964489510000046
重复步骤5.2～5.5；
步骤5.6：比较迭代停止时的均方根差与精关联阈值，若小于精关联阈值，则判定精关联成功。
优选的，所述粗关联阈值Th设置为0.01；
所述精关联阈值设置为1×10-4。
优选的，在精关联成功后，对定轨信息按如下方式进行管理：
计算关联后的弧段时长t＝t2j-t11，若弧段时长t大于可入编目库阈值，则将更新后的轨道根数
Figure BDA0003964489510000054
转换至编目格式入编目库管理；否则，将两个关联弧段的短弧观测数据合并为一个弧段管理，保存合并后的短弧观测数据以及编号、初始轨道。
根据本发明提供的面向空间碎片的天基光学观测初轨关联系统，包括：
模块M1：通过天基光学观测平台获取成像数据并进行处理，获取未知目标的短弧观测数据，包括运动目标的成像时间、天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置、目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的单位向量；
模块M2：将获取的短弧观测数据按时间进行编号管理；
模块M3：将获取的短弧观测数据分别进行短弧初始轨道确定，保存原始的短弧观测数据以及编号、处理得到的初始轨道；
模块M4：利用处理得到的初始轨道进行粗关联，若关联成功则调用模块M5；
模块M5：利用处理得到的初始轨道以及原始短弧观测数据进行精匹配，若匹配成功则保存关联后的定轨信息。
优选的，第一未关联弧段的初始轨道为：时间t1，半长轴a1，偏心率e1，倾角i1，升交点赤经Ω1，近地点幅角ω1，平近点角M1；第二未关联弧段的初始轨道为：时间t2，半长轴a2，偏心率e2，倾角i2，升交点赤经Ω2，近地点幅角ω2，平近点角M2；
采用轨道面阈值法进行粗关联；
计算无奇点根数中系数p，对应第一弧段为p1，第二弧段为p2，表达式为：
Figure BDA0003964489510000051
若|p1-p2|<Th，则认为粗关联成功，其中，Th为粗关联阈值。
优选的，第一弧段原始观测数据中成像时刻依次为t11,t12,…,t1k，对应的天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置为
Figure BDA0003964489510000052
目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的指向为
Figure BDA0003964489510000053
i＝0,1,…,k，k为第一弧段样本数；
第二弧段原始观测数据中成像时刻依次为t21,t22,…,t2j，对应的天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置为
Figure BDA0003964489510000061
目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的指向为
Figure BDA0003964489510000062
i＝0,1,…,j，j为第二弧段样本数；
所述模块M5中的精匹配包括如下模块：
模块M5.1：将第一弧段的初始轨道由开普勒根数转换为笛卡尔根数，得到位置[rx1,ry1,rz1]T，速度[vx1,vy1,vz1]T，将其记为初值
Figure BDA0003964489510000063
待确定轨道根数记为
Figure BDA0003964489510000064
迭代开始前
Figure BDA0003964489510000065
模块M5.2：计算当前轨道根数
Figure BDA0003964489510000066
对应的偏导数矩阵H，若由轨道根数
Figure BDA0003964489510000067
推导得到的某成像时刻对应的测角预测值为
Figure BDA0003964489510000068
则预测值相对
Figure BDA0003964489510000069
的偏导数矩阵
Figure BDA00039644895100000610
为：
Figure BDA00039644895100000611
偏导数矩阵H满足：
Figure BDA00039644895100000612
模块M5.3：首先根据轨道根数
Figure BDA00039644895100000613
推导得到分别对应t11,t12,…,t1k，t21,t22,…,t2j时刻的目标位置，然后由目标位置计算相对天基光学观测平台的指向预测值，并进行归一化，得到当前预测值yg，然后计算当前预测值yg与实测值yc之间的残差矩阵y＝yg-yc；
其中，实测值yc的表达式为：
Figure BDA0003964489510000071
模块M5.4：计算均方根差u，表达式为：
Figure BDA0003964489510000072
模块M5.5：若均方根差u小于预设收敛阈值或达到预设迭代次数上限，则停止迭代；否则，计算轨道改进量
Figure BDA0003964489510000073
并更新轨道根数
Figure BDA0003964489510000074
重复模块M5.2～5.5；
模块M5.6：比较迭代停止时的均方根差与精关联阈值，若小于精关联阈值，则判定精关联成功。
优选的，所述粗关联阈值Th设置为0.01；
所述精关联阈值设置为1×10-4。
优选的，在精关联成功后，对定轨信息按如下方式进行管理：
计算关联后的弧段时长t＝t2j-t11，若弧段时长t大于可入编目库阈值，则将更新后的轨道根数
Figure BDA0003964489510000075
转换至编目格式入编目库管理；否则，将两个关联弧段的短弧观测数据合并为一个弧段管理，保存合并后的短弧观测数据以及编号、初始轨道。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明能够提供一种面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法，通过首先由初始轨道粗关联，然后基于原始测角数据进行精关联，能够普遍提高初轨关联精度；本发明方法合理、计算简单、实施简易，能够普遍应用天基光学观测平台初始轨道关联与空间碎片编目。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的流程图；
图2为对500组弧段进行粗关联筛除的组数示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
为了对空间碎片进行编目，需要确定其轨道信息。对于天基光学观测平台，一次成像仅能获取空间碎片相对天基光学观测平台的测角信息(缺距离信息)，故而理论上在不存在测量误差的情况下，需要三次成像才能够确定空间碎片的轨道。当天基光学观测平台的测角信息以及自身的定轨信息均存在误差时，即需要更长观测时间的数据才能确保计算得到的空间碎片的轨道精度。
如图1，由于面向空间碎片的天基光学观测平台一次对同一目标成像的持续时间可能仅几秒或几分钟，对天基光学观测平台获取的成像数据进行处理，获取未知目标的短弧观测数据，包括运动目标的成像时间、天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置、目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的指向信息(单位向量)。多次观测的初始轨道需要通过关联才能进一步应用。首先将天基光学观测平台获取的短弧观测数据按时间进行编号管理。
对天基光学观测平台获取的短弧观测数据分别进行短弧初始轨道确定。保存原始的短弧观测数据以及编号、处理得到的初始轨道。
由于初始轨道确定由于其问题的病态性，导致存在多解以及轨道半长轴、偏心率不准。利用处理得到的初始轨道进行粗关联，若某一未关联弧段的初始轨道为：时间t1，半长轴a1，偏心率e1，倾角i1，升交点赤经Ω1，近地点幅角ω1，平近点角M1，另一未关联弧段的初始轨道为：时间t2，半长轴a2，偏心率e2，倾角i2，升交点赤经Ω2，近地点幅角ω2，平近点角M2，初轨确定得到的轨道面一般偏差相对较小，故而粗关联方法为轨道面阈值法。
计算无奇点根数(又称正则根数或分点根数)中系数p，即对应第一弧段为p1，第二弧段为p2，则有：
Figure BDA0003964489510000091
若|p1-p2|<Th则认为粗关联成功。其中Th为粗关联阈值。粗关联阈值Th设置为0.01。
粗关联仅筛除了轨道面差异较大的短弧段，对于轨道面接近的弧段，利用处理得到的初始轨道以及原始短弧观测数据进行精匹配。
若第一弧段原始观测数据中成像时刻依次为t11,t12,…,t1k，对应的天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置为
Figure BDA0003964489510000092
(i＝0,1,…,k)，目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的指向为
Figure BDA0003964489510000093
(i＝0,1,…,k)。k为第一弧段样本数。第二弧段原始观测数据中成像时刻依次为t21,t22,…,t2j，对应的天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置为
Figure BDA0003964489510000094
(i＝0,1,…,j)，目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的指向为
Figure BDA0003964489510000095
(i＝0,1,…,j)。j为第二弧段样本数。
将第一弧段的初始轨道(时间t1，半长轴a1，偏心率e1，倾角i1，升交点赤经Ω1，近地点幅角ω1，平近点角M1)由开普勒根数转换为笛卡尔根数(时间t1，位置[rx1,ry1,rz1]T，速度[vx1,vy1,vz1]T)，将其记为初值
Figure BDA0003964489510000096
待确定轨道根数记为
Figure BDA0003964489510000097
迭代开始前
Figure BDA0003964489510000098
计算当前轨道根数
Figure BDA0003964489510000099
对应的偏导数矩阵H。若由轨道根数
Figure BDA00039644895100000910
推导得到的某成像时刻对应的测角预测值为
Figure BDA00039644895100000911
那么预测值相对
Figure BDA00039644895100000912
的偏导数矩阵
Figure BDA00039644895100000913
(3行，6列)为
Figure BDA00039644895100000914
偏导数矩阵H满足：
Figure BDA0003964489510000101
计算当前预测值yg与实测值yc之间的残差矩阵y＝yg-yc。
yg计算方法为：首先根据轨道根数
Figure BDA0003964489510000106
推导得到分别对应t11,t12,…,t1k，t21,t22,…,t2j时刻的目标位置，然后由目标位置计算相对天基光学观测平台的指向预测值，并进行归一化。
yc满足：
Figure BDA0003964489510000102
计算均方根差u：
Figure BDA0003964489510000103
若均方根差u小于收敛阈值或迭代次数上限达到，停止迭代；否则，计算轨道改进量
Figure BDA0003964489510000104
并更新轨道根数
Figure BDA0003964489510000105
重复步骤5.2～5.5。
由迭代停止时的均方根差与阈值Tr比较，则小于阈值认为精关联成功。阈值Tr设置为1×10-4。
若关联成功，关联后的定轨信息按如下方式管理：计算关联后的弧段时长t＝t2j-t11。若弧段时长t大于可入编目库阈值，则将更新后的轨道根数
Figure BDA0003964489510000111
转换至编目格式入编目库管理；否则，将两个关联弧段的短弧观测数据合并为一个弧段管理，保存合并后的短弧观测数据以及编号(统一为第一弧段编号)、初始轨道(由轨道根数
Figure BDA0003964489510000112
转换为开普勒根数)。
下面结合STK的仿真验证本发明方法的有效性，仿真生成500组空间碎片的两个观测弧段数据，仿真数据包含测量噪声，其中测角数据误差标准差6角秒，天基光学观测平台位置误差标准差10米，依次遍历以两个弧段中的第一弧段与第二弧段尝试关联，即250000对数据，关联成功率为100％，无错误匹配，无漏匹配。图2所示为依次遍历第一弧段对500组第二弧段进行尝试关联时，粗关联筛除的组数。以其中某一弧段与500组待关联弧段的处理为例，其中粗匹配筛除492组。精关联成功关联的均方根差1.94×10-5，精关联筛除的均方根差为0.30、0.47、0.33、0.55、0.57、0.41、0.43。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法，其特征在于，包括：
步骤1：通过天基光学观测平台获取成像数据并进行处理，获取未知目标的短弧观测数据，包括运动目标的成像时间、天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置、目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的单位向量；
步骤2：将获取的短弧观测数据按时间进行编号管理；
步骤3：将获取的短弧观测数据分别进行短弧初始轨道确定，保存原始的短弧观测数据以及编号、处理得到的初始轨道；
步骤4：利用处理得到的初始轨道进行粗关联，若关联成功则执行步骤5；
步骤5：利用处理得到的初始轨道以及原始短弧观测数据进行精匹配，若匹配成功则保存关联后的定轨信息。
2.根据权利要求1所述的面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法，其特征在于，第一未关联弧段的初始轨道为：时间t1，半长轴a1，偏心率e1，倾角i1，升交点赤经Ω1，近地点幅角ω1，平近点角M1；第二未关联弧段的初始轨道为：时间t2，半长轴a2，偏心率e2，倾角i2，升交点赤经Ω2，近地点幅角ω2，平近点角M2；
采用轨道面阈值法进行粗关联；
计算无奇点根数中系数p，对应第一弧段为p1，第二弧段为p2，表达式为：
Figure FDA0003964489500000011
若p1-p2<Th，则认为粗关联成功，其中，Th为粗关联阈值。
3.根据权利要求2所述的面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法，其特征在于，第一弧段原始观测数据中成像时刻依次为t11,t12,…,t1k，对应的天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置为
Figure FDA0003964489500000012
目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的指向为
Figure FDA0003964489500000013
k为第一弧段样本数；
第二弧段原始观测数据中成像时刻依次为t21,t22,…,t2j，对应的天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置为
Figure FDA0003964489500000014
目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的指向为
Figure FDA0003964489500000015
j为第二弧段样本数；
所述步骤5中的精匹配包括如下步骤：
步骤5.1：将第一弧段的初始轨道由开普勒根数转换为笛卡尔根数，得到位置[rx1,ry1,rz1]T，速度[vx1,vy1,vz1]T，将其记为初值
Figure FDA0003964489500000021
待确定轨道根数记为
Figure FDA0003964489500000022
迭代开始前
Figure FDA0003964489500000023
步骤5.2：计算当前轨道根数
Figure FDA0003964489500000024
对应的偏导数矩阵H，若由轨道根数
Figure FDA0003964489500000025
推导得到的某成像时刻对应的测角预测值为
Figure FDA0003964489500000026
则预测值相对
Figure FDA0003964489500000027
的偏导数矩阵
Figure FDA0003964489500000028
为：
Figure FDA0003964489500000029
偏导数矩阵H满足：
Figure FDA00039644895000000210
步骤5.3：首先根据轨道根数
Figure FDA00039644895000000211
推导得到分别对应t11,t12,…,t1k，t21,t22,…,t2j时刻的目标位置，然后由目标位置计算相对天基光学观测平台的指向预测值，并进行归一化，得到当前预测值yg，然后计算当前预测值yg与实测值yc之间的残差矩阵y＝yg-yc；
其中，实测值yc的表达式为：
Figure FDA0003964489500000031
步骤5.4：计算均方根差u，表达式为：
Figure FDA0003964489500000032
步骤5.5：若均方根差u小于预设收敛阈值或达到预设迭代次数上限，则停止迭代；否则，计算轨道改进量
Figure FDA0003964489500000033
并更新轨道根数
Figure FDA0003964489500000034
重复步骤5.2～5.5；
步骤5.6：比较迭代停止时的均方根差与精关联阈值，若小于精关联阈值，则判定精关联成功。
4.根据权利要求3所述的面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法，其特征在于，所述粗关联阈值Th设置为0.01；
所述精关联阈值设置为1×10-4。
5.根据权利要求3所述的面向空间碎片的天基光学观测初轨关联方法，其特征在于，在精关联成功后，对定轨信息按如下方式进行管理：
计算关联后的弧段时长t＝t2j-t11，若弧段时长t大于可入编目库阈值，则将更新后的轨道根数
Figure FDA0003964489500000035
转换至编目格式入编目库管理；否则，将两个关联弧段的短弧观测数据合并为一个弧段管理，保存合并后的短弧观测数据以及编号、初始轨道。
6.一种面向空间碎片的天基光学观测初轨关联系统，其特征在于，包括：
模块M1：通过天基光学观测平台获取成像数据并进行处理，获取未知目标的短弧观测数据，包括运动目标的成像时间、天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置、目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的单位向量；
模块M2：将获取的短弧观测数据按时间进行编号管理；
模块M3：将获取的短弧观测数据分别进行短弧初始轨道确定，保存原始的短弧观测数据以及编号、处理得到的初始轨道；
模块M4：利用处理得到的初始轨道进行粗关联，若关联成功则调用模块M5；
模块M5：利用处理得到的初始轨道以及原始短弧观测数据进行精匹配，若匹配成功则保存关联后的定轨信息。
7.根据权利要求6所述的面向空间碎片的天基光学观测初轨关联系统，其特征在于，第一未关联弧段的初始轨道为：时间t1，半长轴a1，偏心率e1，倾角i1，升交点赤经Ω1，近地点幅角ω1，平近点角M1；第二未关联弧段的初始轨道为：时间t2，半长轴a2，偏心率e2，倾角i2，升交点赤经Ω2，近地点幅角ω2，平近点角M2；
采用轨道面阈值法进行粗关联；
计算无奇点根数中系数p，对应第一弧段为p1，第二弧段为p2，表达式为：
Figure FDA0003964489500000041
若p1-p2<Th，则认为粗关联成功，其中，Th为粗关联阈值。
8.根据权利要求7所述的面向空间碎片的天基光学观测初轨关联系统，其特征在于，第一弧段原始观测数据中成像时刻依次为t11,t12,…,t1k，对应的天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置为
Figure FDA0003964489500000042
目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的指向为
Figure FDA0003964489500000043
k为第一弧段样本数；
第二弧段原始观测数据中成像时刻依次为t21,t22,…,t2j，对应的天基光学观测平台在历元地心天球坐标系中的位置为
Figure FDA0003964489500000044
目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学观测平台的指向为
Figure FDA0003964489500000045
j为第二弧段样本数；
所述模块M5中的精匹配包括如下模块：
模块M5.1：将第一弧段的初始轨道由开普勒根数转换为笛卡尔根数，得到位置[rx1,ry1,rz1]T，速度[vx1,vy1,vz1]T，将其记为初值
Figure FDA0003964489500000046
待确定轨道根数记为
Figure FDA0003964489500000047
迭代开始前
Figure FDA0003964489500000048
模块M5.2：计算当前轨道根数
Figure FDA0003964489500000049
对应的偏导数矩阵H，若由轨道根数
Figure FDA00039644895000000410
推导得到的某成像时刻对应的测角预测值为
Figure FDA00039644895000000411
则预测值相对
Figure FDA00039644895000000412
的偏导数矩阵
Figure FDA00039644895000000413
为：
Figure FDA0003964489500000051
偏导数矩阵H满足：
Figure FDA0003964489500000052
模块M5.3：首先根据轨道根数
Figure FDA0003964489500000053
推导得到分别对应t11,t12,…,t1k，t21,t22,…,t2j时刻的目标位置，然后由目标位置计算相对天基光学观测平台的指向预测值，并进行归一化，得到当前预测值yg，然后计算当前预测值yg与实测值yc之间的残差矩阵y＝yg-yc；
其中，实测值yc的表达式为：
Figure FDA0003964489500000054
模块M5.4：计算均方根差u，表达式为：
Figure FDA0003964489500000061
模块M5.5：若均方根差u小于预设收敛阈值或达到预设迭代次数上限，则停止迭代；否则，计算轨道改进量
Figure FDA0003964489500000062
并更新轨道根数
Figure FDA0003964489500000063
重复模块M5.2～5.5；
模块M5.6：比较迭代停止时的均方根差与精关联阈值，若小于精关联阈值，则判定精关联成功。
9.根据权利要求8所述的面向空间碎片的天基光学观测初轨关联系统，其特征在于，所述粗关联阈值Th设置为0.01；
所述精关联阈值设置为1×10-4。
10.根据权利要求8所述的面向空间碎片的天基光学观测初轨关联系统，其特征在于，在精关联成功后，对定轨信息按如下方式进行管理：
计算关联后的弧段时长t＝t2j-t11，若弧段时长t大于可入编目库阈值，则将更新后的轨道根数
Figure FDA0003964489500000064
转换至编目格式入编目库管理；否则，将两个关联弧段的短弧观测数据合并为一个弧段管理，保存合并后的短弧观测数据以及编号、初始轨道。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116659521A (zh) * 2023-06-01 2023-08-29 山东理工大学 空间碎片双弧测角值一体化定初轨及关联方法及装置
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