危险目标陨落期预报的置信区间估计及非线性滤波方法研究

The reentry of risk object pose a great threat to human security.The existence of various errors made the prediction become an uncertainty problem.In this project we intend to make an analysis about the ballistic coefficient variation by using historical TLEs and our radar and optical observations.Determine risk object's covariance matrix of the final stage by analyzing the nonlinear propagation law of the covariance matrix, calculate the reentry's time range to make an confidence interval estimation about the uncertainty of the reentry prediction. Introduce the filter orbit determination method into reentry prediction, combined with the first two studies, give a complete reentry prediction program.The research result of the project has an important value to improve the level of our country's risk object re-entry predictions.

危险目标的陨落对人类的安全造成了很大的威胁,各种误差的存在使得陨落期预报成为一个不确定性问题。本项目拟利用历史TLE数据和我国的雷达和光学观测数据，分析危险目标弹道系数的变化规律，提高陨落期预报的精度。拟通过对误差协方差矩阵的非线性传播规律的研究，确定陨落最后阶段的协方差矩阵，并进而给出陨落的时间范围，以期对预报的置信区间给出估计。拟针对陨落后期批处理定轨的缺陷,将滤波定轨引入陨落期预报，以提高预报的时效性。并结合前两项的研究，给出一套完整的陨落期预报方案。项目的研究成果对提高我国的陨落期预报水平具有重要的价值。

随着人类航天活动的日益频繁，空间目标也日益增多。对于低轨目标，在运动过程中，由于受到大气阻力的影响，在无人为干预的情况下，轨道高度不断降低，最终再入大气层烧毁。其中部分质量较大或有防热涂层的卫星，在大气中烧不尽，可能与地面碰撞，对人类的安全构成了极大的威胁，这类目标统称为危险目标。对危险目标进行陨落期预报，估计其在轨寿命，快速准确的确定陨落的时间范围，并进而确定目标陨落的区域范围，对降低灾难发生的可能性，减少危险目标对人类可能造成的伤害，有着重要的意义。.本项目主要研究了采用扩展卡尔曼滤波进行陨落期预报的方法，成功的将扩展卡尔曼滤波引入了陨落期预报，可利用陨落阶段的雷达测距资料进行滤波，获得危险目标的状态量和状态参数，并最终给出陨落预报时刻。利用数值模拟对扩展卡尔曼滤波的正确性进行了验证。经过计算验证，利用距滤波初始时刻24小时以内的雷达测距模拟资料，滤波后可达到30米左右的位置精度，精度量级与精密定轨基本相当。同时，经过滤波后，大气阻力系数也逐渐收敛于模拟给定的真值。使用扩展卡尔曼滤波程序，对GOCE、神舟9号、10号留轨舱、ROSAT、UARS、萤火一号等已多颗已陨落的危险目标，采用实测大气辐射流量与地磁指数，进行了陨落期预报。利用陨落最后阶段的雷达数据，距离实际陨落时刻12小时左右，采用扩展卡尔曼滤波，预报的陨落时刻与实际陨落时刻偏差约5分钟，最大不超过10分钟。.本项目同时提出了一种完全基于TLE根数进行陨落期预报的方法，解决了因缺少观测资料而无法进行陨落期预报的问题，从实际的运行效果来看，在中长期陨落期预报中，还因为可以较好的刻画较长一段时间的大气阻力平均效应，而取得了较稳定和准确的陨落期预报结果。.本项目系统的研究了利用扩展卡尔曼滤波进行陨落期预报的方法，解决了卡尔曼滤波初值确定，模型误差Q矩阵设置，协方差矩阵外推，雷达观测资料预处理等多个问题，解决了陨落末期因观测资料稀疏和模型缺陷而导致定轨失败的问题，项目的研究成果对提高我国陨落期预报水平、进一步开展陨落期预报具有重要的参考价值。从实际应用来看，也取得了很好的应用效果。