稀疏数据条件下空间碎片精密轨道确定与预报的有关理论和方法研究

There are about 17,000 unclassified Earth orbiting objects in the NORAD catalogue, about 74% of 23,000 objects in total. These objects are mostly larger than 10cm in diameter. It is estimated there are more than 500,000 space debris larger than 1cm in diameter, which pose realistic threats to space applications. Since the space collision between Iridium 33 and Kosmos 2251 in February 2009, the research on the accurate orbit determination and prediction for debris objects, which are required for the reliable space conjunction warning, has been an urgent issue in the areas of space geodesy and astrodynamics. Three prominent problems hinder the accurate debris orbit determination and prediction: sparse tracking data, unknown ballistic coefficients and area-to-mass ratios, and inaccurate atmospheric mass density models. In addition, the existing method of propagating orbital errors using the covariance matrix is not theoretically solid. This project is proposed to study some problems in order to develop theories, methods and algorithms for the accurate debris orbit determination and prediction. The researches will be focused on: the relation between the volume, distribution and quality of the tracking data and orbit determination and prediction accuracy under the sparse data conditions; accurate methods to estimate debris ballistic coefficients and area-to-mass ratios; and development of theories and methods to propagate the debris orbit prediction errors. A complete software of debris orbit determination and prediction will be developed, and it will be tested using large volume of tracking data such that it can be readily used by industry users. This project is to expand the space geodesy into the study of the Space Situational Awareness (SSA).

NORAD空间目标数据库编目的公开目标约有一万七千个，占总数两万三千的74%，其直径大都大于10厘米。大于1厘米的碎片估计在五十万以上。空间碎片已对空间应用造成了事实威胁。自2009年2月发生33号铱星与Kosmos 2251碰撞以后，碎片的精密轨道确定/预报以提供可靠的空间碰撞预警已成为空间领域的紧迫研究课题。碎片精密轨道确定/预报面临三个显著困难：观测数据稀少、弹道系数或面质比参数未知及大气质量密度模型精度不足。此外，现行碎片轨道预报误差传播存在一些理论缺陷。本项目将在近年工作的基础上，深入研究实现碎片精密轨道确定/预报的有关理论和方法。内容包括稀疏数据数量、分布及质量与轨道确定/预报精度的关系；碎片弹道系数和面质比参数的精密估计方法；轨道预报误差传播的理论与方法。将研发完整的空间碎片轨道确定与预报软件系统。本研究将把大地测量理论扩展至空间态势感知研究的领域，具有较大的理论与实用意义。

1cm尺寸以上的空间碎片已多达75万，它们对卫星安全、空间环境可持续利用形成了实际威胁，各空间大国都致力于实现更多碎片的高精度轨道编目。观测数据的稀疏性是造成空间碎片轨道确定精度显著低于卫星精密轨道确定精度的最主要原因。围绕稀疏数据条件下的空间碎片轨道确定与预报精度改善问题，本项目开展了有关理论与方法研究。主要研究内容为：1）稀疏数据对碎片精密轨道确定与预报的影响，2）利用二行参数（TLE）数据估计弹道系数及其应用，3）碎片轨道预报误差传播理论和方法。分别获得了如下结果：1）对甚短弧仅角度初轨确定问题，提出了基于距离搜索的初轨确定方法，收敛成功率在90%以上；2）甚短弧数据条件下的碎片实时精密轨道预报，为碎片高效率激光测距和碎片激光驱动清理提供了轨道力学的一种有效方法；3）研究了稀疏数据弧段相位与轨道确定精度的关系，发现：在2-3天内，即使只有3个观测短弧段，只要相位分布比较均匀，仍能获得精密的轨道确定解；4）算法优化使利用TLE数据估计低轨碎片弹道系数的计算效率大幅提升，并利用长期累积的TLE数据估计获得了2000多个低轨碎片的弹道系数；5）针对大气质量密度模型精度较低这一问题，利用TLE数据进行大气质量密度模型的实时校正，可以改善7天轨道预报精度达30%；6）未来将面临大规模（数十万碎片）碎片编目库的维护问题，开展了基于多尺度摄动理论的半解析法轨道理论研究，形成了WHU-SST半解析轨道理论；7）现有碎片轨道误差协方差传播过于乐观，为此，提出了基于历史数据动态校正轨道误差协方差的理论和方法，实验表明，动态校正可提高轨道预报误差协方差的精度达50%；8）研制了功能多样的碎片轨道确定与预报软件系统。上述成果，对提高我国空间碎片轨道确定与编目精度将产生非常积极的影响。