空间目标天基甚短弧初轨关联的基本理论与方法研究

The arc length from the survey-mode optical tracking of a low Earth-orbiting (LEO) object from a LEO space surveillance satellite is usually shorter than 30s,the so-called two-short-arc (TSA) problem. Angles-only TSA makes the initial orbit determination (IOD) fail or the determined orbit elements have large errors, which in turn makes cataloguing of the object impossible, and consequently, resulting in large number of uncorrelated tracks (UCTs). Associating two or more UCTs to the same object has recently been a hot research topic in the field of astrodynamics, with main focuses on the error characterizing of IOD elements, the propagation of the covariance matrices or probability density functions (PDFs), and determination of the distance/similarity between PDFs of two UCTs propagated to a common epoch. Furthering the researches on the angles-only TSA IOD and UCT association, this project is designed to tackle the space-based TSA angles data association problem, with the following focuses: (1) error or PDF propagation using the methods of the Monte Carlo simulation and Gaussian mixture models; (2) UCT association using “distance”; (3) distance determination between two PDFs; and (4) development of a prototype software for the space-based TSA UCT association, to provide vital technical support to the future China space-based space surveillance system.

低轨卫星扫描式光学监测低轨空间目标所获得的角度观测弧段通常短于30s（甚短弧），造成初轨确定的失败或初轨参数误差较大，不能将新目标编目入库，因而产生了巨量的所谓未关联数据（或轨道参数），使得空间目标甚短弧段数据关联理论和方法研究成为过去几年轨道力学领域的一个难点和热点。主要困难包括初轨参数误差特性或概率密度函数的确定、观测值（或初轨参数）误差或概率密度函数的传播、传播到公共时刻的两组未关联数据之间接近程度的确定。本项目将在近年甚短弧段角度观测值初轨确定和关联研究的基础上，开展空间目标甚短弧段初轨关联基本理论与方法研究，主要研究内容为：（1）利用蒙特卡罗仿真、高斯混合模型等误差逼近技术的初轨参数误差传播；（2）利用“距离”的初轨关联（3）利用信息理论准则的概率密度函数之间距离确定；（4）研发完整的空间目标甚短弧段初轨关联原型软件系统，为我国研拟中的空间目标天基光学监测系统提供关键技术支撑。

近地空间的目标数量日益增加，空间碰撞风险也随之增加。为确保卫星运行安全，空间目标轨道编目成为空间态势感知的核心任务之一。空间监测装备技术的发展为空间目标编目提供了基础数据，但如何有效利用这些扩展编目库，需要解决一系列关键技术，本项目开展的天基甚短弧初轨关联的基本理论与方法研究即为其中之一。.本项目研究内容包括：（1）天基甚短弧角度观测值初轨确定的误差特性研究：甚短弧数据条件下，观测数据误差对初轨确定结果的影响；（2）甚短弧关联新方法：充分考虑甚短弧的轨道特性，提出理论严密、适用性广、算法简单的甚短弧关联方法；（3）应用验证。.主要成果如下：（1）在短弧/甚短弧测角数据条件下，当低轨弧段长度在1分钟以上时，J2轨道长期摄动造成初轨确定结果的严重系统误差。为此，提出了顾及该项摄动的初轨确定方法，大幅提高初轨确定精度。2）现有甚短弧初轨关联方法存在两大问题：a）需要初轨参数的协方差及其传播，而这些信息的精度不足、传播困难；b）计算效率低、关联正确率低。针对这些问题，提出了双弧定轨关联一体化新方法：通过J2摄动项的改正，将非二体轨道系统下的双弧定轨问题转化为二体轨道系统下的双弧定轨问题，然后通过残差的统计检验，确定两个弧段是否属于同一目标。大规模实测数据处理结果表明，该方法适用于各类轨道目标测角弧段、雷达弧段的关联，正确率普遍在95%以上，远高于国内外其他双弧关联方法；同时，如果两个弧段属于同一目标，双弧定轨的长半径误差一般在数十至数百米，为后续多弧定轨提供了精度足够的初始轨道。.本项目基于严格的轨道力学理论。在深入研究单弧和双弧轨道数据摄动影响的基础上，在理论和方法上较好地解决了困扰多年的短弧/甚短弧初轨确定误差大、双弧关联正确率低的问题，具有鲜明的特色和广阔的应用前景，有关核心算法和软件已在国家工程项目中得到成功应用，获得赞誉。