天基照相跟踪空间碎片轨道确定方法研究

论文摘要

空间碎片严重地威胁着在轨运行航天器的安全,是一个亟待解决的难题,引起了国际上的高度重视。天基照相跟踪具有能耗低、精度高以及易于小型化实现等方面的优势,是观测中小尺寸危险空间碎片的有效手段。本文分析了天基照相跟踪的特点和基本原理,对天基照相跟踪空间碎片初始轨道确定和精密轨道确定相关理论和方法进行了深入分析和研究。论文主要工作如下:考虑到空间碎片的特点和轨道确定研究的需要,定义了常用的坐标系统,分析了空间碎片所受的摄动力情况。总结讨论了天基照相跟踪的特点,考虑地球遮挡、地影及跟踪太阳角等因素的影响,推导出了跟踪卫星对空间碎片的可观测条件;从底片归算原理出发,建立了天基照相跟踪的观测模型。在没有任何空间碎片初始状态信息的情况下,为满足精密轨道对初始轨道的精度要求,提出了基于天基照相跟踪的广义Laplace初始轨道确定方法,并与数学意义上的初始轨道确定方法进行了仿真比较分析。基于天基照相的观测模型和空间碎片的运动方程,研究了批处理精密确定空间碎片轨道的方法;为了能实时地确定空间碎片的轨道,研究了扩展Kalman滤波精密确定空间碎片轨道的方法;针对低轨道和地球同步轨道空间碎片,仿真分析了这两种方法在单个跟踪弧段和多个跟踪弧段下的定轨精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 空间碎片概况
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 空间碎片天基监测研究现状
• 1.3.2 基于天基测量的轨道确定研究现状
• 1.4 研究内容
• 第二章 轨道确定基础
• 2.1 坐标系统
• 2.1.1 天球赤道坐标系
• 2.1.2 地心惯性坐标系
• 2.1.3 地心固联坐标系
• 2.2 空间摄动分析
• 2.2.1 地球非球形摄动
• 2.2.2 N 体摄动
• 2.2.3 相对论效应摄动
• 2.2.4 太阳辐射压力摄动
• 2.2.5 大气阻力摄动
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于跟踪卫星的空间碎片光学观测
• 3.1 基于天基照相观测的空间碎片轨道确定基本原理
• 3.2 跟踪卫星对空间碎片的可观测分析
• 3.3 底片归算
• 3.3.1 底片归算的基本关系式
• 3.3.2 坐标转换参数的几何意义及惯性的坐标转换关系式
• 3.4 观测值的修正
• 3.4.1 光行时间改正
• 3.4.2 空间碎片方向观测的归算流程
• 3.5 空间碎片方向观测的误差方程式
• 3.6 本章小结
• 第四章 空间碎片的初始轨道确定
• 4.1 数学意义上的初轨计算
• 4.2 Laplace 初轨计算
• 4.3 仿真与分析
• 4.3.1 仿真条件
• 4.3.2 仿真结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 空间碎片的精密轨道确定
• 5.1 状态方程和观测方程
• 5.2 精密轨道确定算法
• 5.2.1 批处理定轨
• 5.2.2 扩展Kalman 滤波定轨
• 5.2.3 精密定轨流程
• 5.3 仿真与分析
• 5.3.1 低轨道空间碎片定轨仿真分析
• 5.3.2 地球同步轨道空间碎片定轨仿真分析
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学习期间取得的学术成果