天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法及系统，步骤1，获取天基光学监测平台在一段时间内对同一目标成像的信息。步骤2，设置目标距离天基光学监测平台的距离限制。步骤3，初始化多组起点与终点可能的距离组合。步骤4，计算最优化目标函数值，并记录当前各组的目标函数值、各组的距离以及目标函数最小对应的目标函数值、距离、轨道参数。步骤5，对多组起点与终点可能的距离组合进行更新，并更新每组对应的最优化目标函数值。步骤6，重复步骤5直至满足收敛条件。本发明专利技术能够无需空间碎片的额外轨道先验信息，可以普遍适用于天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定。于天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定。于天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定。

【技术实现步骤摘要】
天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法及系统


[0001]本专利技术涉及轨道确定方法的
，具体地，涉及天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法及系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]目前用于空间碎片监测的设备主要为地基设备，地基监测易受到大气层的干扰，而天基监测具有高覆盖性与高时效性的特点。天基光学监测平台对空间碎片进行监测与管理的关键环节即为轨道确定，由于空间碎片、监测平台均在运动，空间碎片仅在很短暂的时间出现在天基光学监测平台的相机视场，轨道确定需要通过仅有的测角信息推算目标的轨道信息。
[0004]目前的空间碎片轨道确定方法分为两类：初轨计算与精密定轨。精密定轨一般针对长弧，除测角信息外，还需要输入轨道初值。初轨计算一般针对短弧，无轨道初值作为输入。文献1(李彬《空间碎片快速精密轨道确定与预报若干关键问题研究》，武汉大学博士学位论文，2017)对主动光学手段即激光测距进行轨道确定的方法进行了研究。文献2(《GJB6776.4
‑
2009空间目标测轨编目方法第4部分：定轨方法》)给出了地基空间目标观测的轨道改进方法。针对仅由测角信息推算目标的轨道信息，文献3(刘翔春，《天基照相跟踪空间碎片轨道确定方法研究》，国防科技大学硕士学位论文，2009)给出了一种基于广义Laplace方法的初始轨道确定方法。文献4(章品，《一种仅适用角度观测值的空间目标初始轨道确定方法》，武汉大学硕士学位论文，2017)给出了Gauss方法、Gooding方法及数值方法。文献5(杜建立，《面向空间碎片编目的天基监测系统研究》，武汉大学博士学位论文，2018)给出了一种基于距离搜索法的空间碎片初始轨道确定方法。
[0005]在公开号为CN111661368A的专利文献中公开了一种空间碎片清除方法与系统，该方法包括：控制搭载有碎片清除装置的卫星平台运动至预先确定的微小空间碎片聚集轨道；控制碎片清除装置发射高能粒子束，高能粒子束中的高能粒子附着于微小空间碎片表面，增大微小空间碎片表面的电荷量，以使微小空间碎片降低运行轨道后坠入地球大气层。
[0006]因此，需要提出一种新的技术方案。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法及系统。
[0008]根据本专利技术提供的一种天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法，所述方法包括如下步骤：
[0009]步骤S1：获取天基光学监测平台对同一目标成像的信息，包含成像时刻、天基光学监测平台在历元地心天球坐标系中的位置、标定后的目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学监测平台的指向信息；
[0010]步骤S2：根据相机观测能力，设置目标距离天基光学监测平台的距离上限标称值、距离下限标称值，根据实测数据，更新起点与终点的距离上限；
[0011]步骤S3：在距离限制内，初始化多组起点与终点的距离组合；
[0012]步骤S4：计算多组距离组合分别对应的最优化目标函数值，并记录当前各组的目标函数值、各组的距离以及目标函数最小对应的目标函数值、距离、轨道参数；
[0013]步骤S5：对多组起点与终点的距离组合进行更新，并计算每组对应的最优化目标函数值，若更新后的目标函数值小于该组原先的目标函数值，则将更新后的目标函数值与距离覆盖该组原先的目标函数值与距离记录，同时记录当前所有组合中目标函数最小对应的目标函数值、距离、轨道参数；
[0014]步骤S6：重复步骤S5直至满足收敛条件。
[0015]优选地，空间碎片的轨道参数定义在历元地心天球坐标系中，若需要其他坐标系中的轨道参数，根据其与历元地心天球坐标系的转换关系进行变换，描述空间碎片轨道信息的参数为位置和速度，若需要轨道六根数，根据关系进行转换。
[0016]优选地，所述步骤S2中，若成像时刻依次为t0,t1,
…
,t
k
，对应的天基光学监测平台在历元地心天球坐标系中的位置为标定后的目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学监测平台的指向为起点t0时刻对应的距离为ρ0、终点t
k
时刻对应的距离为ρ
k
，目标距离天基光学监测平台的距离上限标称值为ρ
max
，起点距离上限的更新方法如下：
[0017]步骤S2.1：起点距离上限的初值ρ
0,max
＝ρ
max
；
[0018]步骤S2.2：计算起点的目标位置
[0019][0020]步骤S2.3：计算起点的地心距离r0，r0等于向量的模值；
[0021]步骤S2.4：比较r0与近地点最小值，若r0大于近地点最小值，输出当前的ρ
0,max
，否则ρ
0,max
＝ρ
0,max
‑
10，重复步骤S2.2
‑
步骤S2.4，其中，近地点最小值设置为6400km。
[0022]优选地，所述步骤S3中初始化多组起点与终点的距离组合方法如下：
[0023]步骤S3.1：在起点距离范围下限ρ
min
与距离上限ρ
0,max
内，等间隔生成M组距离值；
[0024]步骤S3.2：对第j(j＝0,1,
…
,M
‑
1)组起点距离，在终点距离下限ρ
min
与距离上限ρ
k,max
内按照步长寻找终点距离，判断依据为根据起点距离ρ0与终点距离ρ
k
确定的轨道近地点需大于近地点最小值，搜索得到一个满足判据的ρ
k
即可进入第j+1组的搜索；
[0025]步骤S3.3：输出所有可能的N(N≤M)组起点与终点的距离组合Pxj＝(ρ
0,j
,ρ
k,j
)(j＝0,1,
…
,M
‑
1)。
[0026]优选地，所述步骤S4中最优化目标函数f为：
[0027][0028]其中，为对应t
i
时刻(i＝0,1,
…
,k)，目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学监测平台的实测指向，为根据起点与终点距离计算得到的ti时刻指向估算值，
·
表示向量内积运算；
[0029]对步骤S3中距离组合(ρ
0,j
,ρ
k,j
)(j＝0,1,
…
,N
‑
1)依次计算目标函数，得到分别的目标函数为f
j
，通过比较得到N组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1：获取天基光学监测平台对同一目标成像的信息，包含成像时刻、天基光学监测平台在历元地心天球坐标系中的位置、标定后的目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学监测平台的指向信息；步骤S2：根据相机观测能力，设置目标距离天基光学监测平台的距离上限标称值、距离下限标称值，根据实测数据，更新起点与终点的距离上限；步骤S3：在距离限制内，初始化多组起点与终点的距离组合；步骤S4：计算多组距离组合分别对应的最优化目标函数值，并记录当前各组的目标函数值、各组的距离以及目标函数最小对应的目标函数值、距离、轨道参数；步骤S5：对多组起点与终点的距离组合进行更新，并计算每组对应的最优化目标函数值，若更新后的目标函数值小于该组原先的目标函数值，则将更新后的目标函数值与距离覆盖该组原先的目标函数值与距离记录，同时记录当前所有组合中目标函数最小对应的目标函数值、距离、轨道参数；步骤S6：重复步骤S5直至满足收敛条件。2.根据权利要求1所述的天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法，其特征在于，空间碎片的轨道参数定义在历元地心天球坐标系中，若需要其他坐标系中的轨道参数，根据其与历元地心天球坐标系的转换关系进行变换，描述空间碎片轨道信息的参数为位置和速度，若需要轨道六根数，根据关系进行转换。3.根据权利要求1所述的天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法，其特征在于，所述步骤S2中，若成像时刻依次为t0,t1,
…
,t
k
，对应的天基光学监测平台在历元地心天球坐标系中的位置为标定后的目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学监测平台的指向为起点t0时刻对应的距离为ρ0、终点t
k
时刻对应的距离为ρ
k
，目标距离天基光学监测平台的距离上限标称值为ρ
max
，起点距离上限的更新方法如下：步骤S2.1：起点距离上限的初值ρ
0,max
＝ρ
max
；步骤S2.2：计算起点的目标位置步骤S2.2：计算起点的目标位置步骤S2.3：计算起点的地心距离r0，r0等于向量的模值；步骤S2.4：比较r0与近地点最小值，若r0大于近地点最小值，输出当前的ρ
0,max
，否则ρ
0,max
＝ρ
0,max
‑
10，重复步骤S2.2
‑
步骤S2.4，其中，近地点最小值设置为6400km。4.根据权利要求1所述的天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法，其特征在于，所述步骤S3中初始化多组起点与终点的距离组合方法如下：步骤S3.1：在起点距离范围下限ρ
min
与距离上限ρ
0,max
内，等间隔生成M组距离值；步骤S3.2：对第j(j＝0,1,
…
,M
‑
1)组起点距离，在终点距离下限ρ
min
与距离上限ρ
k,max
内按照步长寻找终点距离，判断依据为根据起点距离ρ0与终点距离ρ
k
确定的轨道近地点需大于近地点最小值，搜索得到一个满足判据的ρ
k
即可进入第j+1组的搜索；步骤S3.3：输出所有可能的N(N≤M)组起点与终点的距离组合Pxj＝(ρ
0,j
,ρ
k,j
)(j＝0,
1,
…
,M
‑
1)。5.根据权利要求1所述的天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法，其特征在于，所述步骤S4中最优化目标函数f为：其中，为对应t
i
时刻(i＝0,1,
…
,k)，目标在历元地心天球坐标系中相对天基光学监测平台的实测指向，为根据起点与终点距离计算得到的ti时刻指向估算值，
·
表示向量内积运算；对步骤S3中距离组合(ρ
0,j
,ρ
k,j
)(j＝0,1,
…
,N
‑
1)依次计算目标函数，得到分别的目标函数为f
j
，通过比较得到N组中目标函数最小对应的目标函数值f
g
、距离Pg、轨道参数。6.根据权利要求1所述的天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法，其特征在于，起始时设置第j组的最优位置Pb
j
即为初始化得到的位置(ρ
0,j
,ρ
k,j
)，步骤S5中对第j组起点与终点的距离组合进行更新的方法为：步骤S5.1：计算N组最优位置Pb
j
(j＝0,1,
…
,N
‑
1)的质心位置B：其中，Pb
j
表示当前第j组距离组合在更新过程中曾达到的最优位置，j＝0,1,
…
,N
‑
1，N为初始化中得到的可能的距离组合数目，B表示N组最优位置Pb
j
的等效质心位置；步骤S5.2：更新第j组起点与终点可能的距离组合Px
j
：其中，Pb
j
当前第j组距离组合在更新过程中曾达到的最优位置，Pg表示所有可能的N组距离组合在更新过程中目标函数值最小对应的距离组合，即全局最优位置，等号左边的Px
j
为更新后第j组距离组合的值，等号右边的Px
j
为更新前第j组距离组合的值，为Pb
j
对应的权重系数，为(0,1)范围内均匀分布的随机数，u
j
为权重控制数，更新过程中为(0,1)范围内均匀分布的随机数，下标j取值范为0～N
‑
1，N为初始化中得到的可能的距离组合数目；步骤S5.3：计算每组Pxj对应的最优化目标函数值f
new,j
，若更新后的目标函数值小于该组原先的目标函数值f
j
，则将更新后的目标函数值与距离覆盖该组原先的目标函数值f
j
＝f
new,j
与距离记录Pb
j
，同时记录当前所有组合中目标函数最小对应的目标函数值f
g
、距离Pg、轨道参数。7.根据权利要求1所述的天基光学监测平台空间碎片初始轨道确定方法，其特征在于，所述步骤S6中收敛条件设置为：f
g
<＝f
T...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玲玲，王鑫，汪少林，吴泽鹏，叶小舟，何军，林两魁，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：