面向空间目标巡天的轨道计算方法研究

With the development of space activities, the observation for space objects and debris as well as its orbital motion becomes more and more import for the safety of manned spacecraft and working satellites. In past days, the observation focus on the tracking of known objects, while from the beginning of new century, survey for the huge quantity of undetected objects becomes the key task. Orbit computing, also called initial orbit determination or preliminary orbit determination, is not fully solved yet, though it is one of the classical problem in celestial mechanics. The different type and object of observation asks for different orbit computing method. A more reliable and robust orbit computing method is necessary for the survey. In this project, we try to construct a more reliable and robust method for the survey data, which is sparse and short. Modern methods, such as heuristic method and nonparametric method, will be employed. RMS is traditional criteria for the orbit computing result, in this work, reliability will be much more considered. The result of this research will be a great benefit to the operational orbit computing system for the next generation survey of space object.

随着人类航天活动的深入开展，为保障载人航天、应用工作卫星等航天器的安全，对空间目标与碎片跟踪观测，掌握其轨道运动规律，越来越为重要。进入新世纪以来，空间目标与碎片的探测也从对少量已知目标的跟踪，逐步发展到对大量未知目标的搜索与发现，即空间目标与碎片的巡天。轨道计算作为天体力学一个最经典的问题，始终没有得到满意的解决，同时它又是大量后续工作的基础，新的探测方法与目的促使必须不断研究新的轨道计算方法以满足日益增长的需求，本项目针对空间目标与碎片搜索的观测特征和资料特征，采用启发式算法、非参数方法等现代方法对轨道计算方法进行探索，在尽量少的假设基础上实现稳健的轨道计算方法，同时在轨道计算结果的评价上不再单一仅仅考虑以残差作为标志的精度，而是将可性引入对轨道计算结果的评价。项目研究成果将有助于建立一个面 向空间目标搜索的业务化的轨道计算系统

项目针对空间目标巡天观测方式与经典模式的不同，开展了相关研究。针对巡天观测获取的极弧段定轨问题建立了基于现代优化方法的轨道计算框架，并分别在遗传算法，粒子群算法，差分进化算法和分布估计算法等4种方法下具体实现了计算软件。相对于经典方法，新方法克服了求解矩阵病态等带来的困难，在10s级弧段下，获得了较好的定轨精度。方法不仅实现了轨道计算过程，采用了非参数精度估计方法和稳健估计方法，在优化计算框架下实现了轨道计算精度和实测数据野值处理等问题，完整建立了轨道计算的各个方面。结合极短弧定轨的特点，提出了并实现了采用优势解概率密度最大作为轨道计算结果的优选标准，替代经典的残差平方和最小标准，从而更全面刻画了解空间，克服经典方法在假解和多解上的不足。通过正交试验设计方法对优化算法参数实现了优选，建立了混合EDA/DE方法的轨道计算方法，在高频率采样下实现了3s弧段的轨道计算。.项目建立了多星混淆资料的轨道计算新方法，打破了过去把此类问题归到稳健估计问题，采用缺失变量问题模型处理。采用期望最大方法(EM)实现了识别量和轨道量两种不同属性量一同作为待估量进行估计求解。方法将定轨和识别两个过程有机的整合在一起，为轨道识别提供了一种新思路。同时引入极大似然估计，通过似然函数将不同属性观测量与信息实现了融合，为多属性数据融合识别提供了一种新途径。.项目针对空间目标巡天观测特点，实现了基于线性规划的巡天天区调度策略，长条星象及其相关测量量提取技术等，结合其他研究成果共同形成了完整的从观测模式，图像处理，资料提取到轨道计算和识别的完整方法和方案。.项目研究成果覆盖了巡天观测的各主要环节，针对巡天观测和跟踪观测不同点，开展了有针对性研究，成果具有很强的实用性,可为后续空间目标与碎片巡天观测提供重要参考。