空间碎片激光测距中基于测角信息实时修正距离预报偏差的研究

Space debris is orbital junk generated by space operations. It causes long-term hazards to future space operations. Space debris orbit information is necessary for future space projects and national defense systems. At present, the large inaccuracy of space debris orbit puts heavy constraint in space debris research areas such as collision avoidance, orbital clearing and accurate cataloging. Space debris laser ranging technology is capable of accurate tracking of space debris orbit, but large inaccuracy of space debris causes low success rate of laser ranging. ..This proposal is inspired from space object orbital motion theory. By regarding prediction inaccuracy as adjacent orbit, it proposes to create a technique that can correct space debris range prediction inaccuracy based on optical angular measurements. The technique should collect angular measurements in the beginning phase of space debris tracking, and provide range corrections for the laser ranging phase. It is estimated to correct range prediction inaccuracy as large as ±10km to less than ±300m, so that to significantly reduce search time of laser ranging system and enhance success rate of space debris laser ranging. The realization of this proposed project should facilitate space debris laser ranging technology, space debris tracking, early-warning and orbital clearing technologies.

空间碎片是航天活动中遗弃在太空的物体，对未来航天活动具有长期危害，因此，空间碎片轨道信息是未来航天事业和国防安全必需的基本信息。当前，空间碎片轨道信息误差较大，这制约了空间碰撞预警、空间碎片清理、空间碎片高精度编目等领域的研究进展。空间碎片激光测距技术可精密测定空间碎片轨道，但空间碎片距离预报偏差过大，导致激光测距成功率低。.本项目以轨道运动原理为基础，提出把空间碎片预报偏差视为邻近轨道的思想，通过空间碎片在轨相对运动理论建立一种基于测角信息实时修正距离预报偏差的方法。该方法通过空间碎片跟踪开始阶段采集测角信息，为激光测距阶段提供实时距离修正。距离预报偏差±10km可修正到不大于±300m，可大幅减少激光测距系统搜索时间，提高空间碎片激光测距成功率。本项目研究目标实现后，将会促进空间碎片激光测距技术的实用化，从而推动空间碎片轨道精密测量及空间碎片预警、清理等相关应用领域的发展。

空间碎片是人类在航天活动中遗弃在太空的废弃物，对人类航天活动具有长期危害。空间碎片轨道信息是未来航天事业和国防安全必需的基本信息。空间碎片轨道信息误差较大，达到km级，制约了地面观测站对空间碎片应用激光测距等精密测量技术。空间碎片激光测距技术可精密测定空间碎片轨道，但因空间碎片距离预报偏差过大，导致测距成功率低。.本项目以轨道运动原理为基础，提出把空间碎片预报偏差视为邻近轨道的思想，通过空间碎片在轨相对运动理论建立基于测角信息实时修正距离预报偏差的方法。该方法通过空间碎片跟踪开始阶段采集测角信息，为激光测距阶段提供距离修正，可提高空间碎片激光测距成功率。本项目将会促进空间碎片激光测距技术的实用化，从而推动空间碎片轨道精密测量及空间碎片预警、清理等相关应用领域的发展。.本项目构建了近圆轨道空间碎片距离预报偏差实时修正的理论模型和算法模型。理论模型中的空间几何模型定义了站-星矢量和预报偏差矢量的空间相对位置关系，状态演化模型以 Clohessy-Wiltshire 方程为数学基础对相对运动的演化过程进行数学描述，角度观测模型构建了视位置角度偏差观测量和预报偏差矢量的几何映射关系。算法模型以卡尔曼滤波器作为相对运动初始状态求解器，实现了对距离预报偏差真值的最优估计。编制了实时计算程序，对所选近地合作目标的数值仿真统计结果显示，程序可在较短的时间内将距离偏差量修正至小于 100 m。这表明，该程序可应用于空间碎片激光测距的实际观测，是一种有效的预报偏差实时修正技术。