基于雙星交匯的無緣探測的空間飛行器主動段軌道估計

高瑞　韓娟

摘要：采用逐點交匯定位理論，借助兩顆無源觀測衛星對目標飛行器進行軌道估計。在只考慮隨機誤差的前提下，首先對隨機誤差的分析，采用標準的平方根卡爾曼濾波法對原始觀測數據進行去噪處理。通過對相關坐標進行統一變換，將兩個衛星觀測角與空間飛行器在基礎坐標系下的三維坐標聯系起來。確定出空間飛行器在固定時刻處于基礎坐標系下的位置，得出各時刻飛行器的主動段軌道估計。

Abstract： The point-by-point intersection positioning theory is used to estimate the orbit of the target aircraft with the help of two passive observation satellites. On the premise of considering only random errors， first of all， the analysis of random errors is performed by using a standard square root Kalman filter method to denoise the original observation data. By uniformly transforming the relevant coordinates， the two satellite observation angles are linked to the three-dimensional coordinates of the spacecraft in the basic coordinate system. The position of the spacecraft in the base coordinate system at a fixed time is determined， and the active segment orbit estimates of the aircraft at each time are obtained.

關鍵詞：軌道估計;卡爾曼濾波;空間飛行器;主動段

Key words： orbit estimation;Kalman filter;spacecraft;active segment

中圖分類號：V412.4+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）14-0212-04

0? 引言

空間飛行器軌道一般由三段組成：火箭推進的主動段、地球外層空間的慣性飛行段以及進入大氣層后的攻擊段[1]。根據飛行目的，飛行器將再入大氣層到達指定目標完成攻擊段的飛行。通常情況下衛星在壽命結束前一直繞地飛行，因此衛星并無攻擊段[2-3]。由于地球赤道平面與同步軌道平面的重合性，僅用三顆間隔120°分布的同步軌道衛星即可覆蓋地球絕大部分表面。而赤道平面與中低軌近圓軌道平面相交成一定角度，軌道距地球表面的距離也由數百至幾千千米不等，為實現觀測面的覆蓋率，通常需要若干衛星組網探測。

經數據觀測，選擇合適的數學模型與計算方法，可推斷出空間飛行器的軌道參數[4-5]。在觀測衛星飛行一定時間后，通過收集飛行器相對于衛星的觀測數據，以兩者之間的運動和觀測模型為基礎，對包括軌道位置、飛行速度初始值等飛行器的軌道參數進行推理運算，從而為判斷飛行器類別與飛行意圖提供參考信息。

1? 衛星軌道估計模型

1.1 建立基礎坐標系和觀測坐標系

通過建立合適的坐標系即可描述飛行器與觀測衛星之間的運動。以地球中心O為原點，選取O由指向零時刻的0經度線為x軸，按右手系確定y軸，取指向北極為正向，地球自轉軸為z軸選定隨地心平移的基礎直角坐標系O-XYZ，在此段時間內將基礎坐標系定義為不會對地球旋轉的慣性坐標系。第二個坐標系取衛星中心Os為原點，建立對衛星運動的觀測坐標系Os-XsYsZs。通常測量衛星的軌道不會準確經過南北極上空，故觀測坐標系具有明確的定義，所建立的基礎坐標系和觀測坐標系如圖1所示。

4? 結語

本文采用標準的平方根卡爾曼濾波法對原始觀測數據進行去噪處理，通過對相關坐標進行統一變換，將雙星的觀測角度與空間飛行器在基礎坐標系下的三維坐標聯系起來，得到了空間飛行器在各時刻處于基礎坐標系下的位置與飛行器的主動段軌道估計。

參考文獻：

[1]王志剛.遠程火箭與衛星軌道力學基礎[M].西北工業大學出版社，2006.

[2]張毅，肖龍旭，王順宏.彈道導彈彈道學[M].國防科技大學出版社，2005.

[3]中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會.外彈道測量數據處理[M].國防工業出版社，2002.

[4]董婷婷，楊慧，吳祥.基于衛星無源探測的空間飛行器的軌道估計[J].杭州電子科技大學學報，2012（06）：164-167.

[5]鹿傳國，劉玉磊，李思佳.基于衛星無源探測的空間飛行器主動段軌道估計與誤差分析[J].數學的實踐與認識，2013（14）.