自主导航天基监测非合作目标的联合定轨方法研究

Space-based Space Objects Surveillance is an important future space technology development direction. It can strengthen the space emergency and abnormal situation of rapid awareness ability. One side, Space objects orbit determination is a key technology of dynamic space objects cataloging; on the other side, from the flight security, the future space-based space surveillance platform has basic ability of autonomous navigation。 The space-based surveillance platform can realize really autonomous navigation using star sensor measurement, navigation precision adapt to space objects tracking orbit determination accuracy requirement, and the sensor technology is highly mature. For these reasons, proposed a tracking orbit determination method using the space objects tracking data and the star sensor navigation measurements. This project will research following issues: designing the space-base surveillance platform, star sensor autonomous navigation and space-based tracking observation on space objects under an accurate simulation environment of, and most of all, robust adaptive filtering method, the platform and space objects combined orbits determination using star sensor measurements and space objects tracking data. The research results will have important application value to the development of our national space-based surveillance system.

天基空间目标监测是未来空间技术的重要发展方向，其可增强对空间突发事件和异常情况的快速感知能力，实现对近地卫星和空间碎片的无缝隙监测。一方面，空间目标轨道确定是天基系统完成对空间目标动态编目的关键技术；另一方面，从天基监测系统的安全性出发，未来天基监测平台应具备基本的自主导航能力。由于星敏感器测量精度与平台对空间目标跟踪定轨精度要求相适应，技术成熟度高，可实现天基监测平台真正意义上的自主定轨。本课题以此为切入点，深入研究空间目标仅利用测角资料的轨道确定方法，提出一种融合星敏感器导航资料与跟踪测角资料的天基平台与空间目标联合定轨方法。本课题将就天基监测平台轨道设计、精确仿真环境建模、短弧段测角资料的初轨确定方法、抗差自适应滤波算法设计、融合星敏感器导航观测数据与空间目标跟踪测角数据（分别就单星跟踪和多星跟踪两种情况）对天基平台和目标实现联合定轨等相关技术开展研究。

自主导航天基监视非合作目标联合自主定轨方法青年科学基金项目针对天基监视非合作目标弧度定轨问题以及自主导航天基基于星敏感器与星间相对测量的联合定轨问题进行了深入研究；本项目建立了低轨天基监视平台观测低中高卫星的初轨确定方法，推导了低轨目标确定平凡解问题的数学形式，并提出具体的解决方法并进行了仿真验证，结果表明方法收敛性较好。完成了基于星敏感器自主导航卫星与目标卫星相对测量的联合自主定轨的数学建模并进行了数学建模，基于一种容积卡尔曼滤波方法实现了自主导航卫星基于星敏感器观测与星间测向资料的联合定轨，结果表明该方法可行，滤波能快速收敛。基于我国二代导航卫星星座构型，针对“一对多”的联合定轨模型，研究了基于星敏感器与星间链路的“一对多”联合自主定轨，仿真了多种定轨模型，发现了最佳构型为多个轨道面存在较好的定轨几何构型因子，会的到更好定轨结果，尽量避开同一轨道面的卫星。总的来说，通过三年的努力，课题组严格执行了项目的研究计划，圆满完成了研究内容与研究目标，多位研究生收益与本基金项目的资助，支撑了相关的研究。本项目具有重要的应用价值，天基空间目标监测逐渐成为了各国争相发展的热点领域，进入21世纪以来，多次发射了天基监测任务卫星，覆盖了中高低轨道，天基监视地基往天基发展的趋势愈发明显；此外我国二代导航进入到全球组网的阶段，考虑了导航卫星本身的星上自主备份导航技术的研究与应用，本项目的研究成果已经应用到我国天基监视卫星的研究中，并为导航卫星组网的自主备份导航提供技术参考。