一种空间碎片关联方法及介质与流程

本发明涉及一种空间碎片关联方法及介质，特别是涉及一种无需误差信息的空间碎片甚短弧初轨关联方法，属于空间目标轨道确定技术领域。

背景技术：

甚短弧初轨关联是指：给定两组独立的由甚短弧仅角度观测值确定的初轨参数，确定他们是否属于同一目标。所谓甚短弧是指：观测首、末时刻之间的时长为被测天体轨道弧长，若被测轨道弧长不足天体运行周期的1％，称其为甚短弧。自然或人造天体的仅角度观测值初轨确定问题定义为：给定天体在至少三个时刻的角度观测值(赤经/赤纬或方位角/高度角)，解算天体的一组6个独立轨道参数。

据估计近地空间中尺寸1厘米以上的碎片至少在50万以上。现代技术已经可以探测这些碎片；当观测获得某个未编目碎片相对于观测者的一些角度、距离等几何观测值时，可以确定其初始轨道，但轨道参数精度不满足将其编目入库的要求。必须通过数据关联的方法，将属于同一碎片的若干个独立的初轨关联起来，然后利用各弧段的观测值确定其精密轨道，实现编目入库。因此，初轨关联是扩展现有编目库规模必不可少的一个关键技术，它是近十年空间态势感知领域的一个研究热点，目前在理论与方法上仍处于发展期，尚没有成熟、广为接受的初轨关联技术。

国际上比较典型的初轨关联方法为cbta(covariance-basedtrackassociation)方法，由hill等人在2008年8月18日～21日在夏威夷举行的aiaa/aasastrodynamicsspecialistconference上提出(aiaapaper2008–7211)；在2012年还发表了与之相关的comparisonofcovariancebasedtrackassociationapproachesusingsimulatedradardata在thejournaloftheastronauticalsciences的第59卷，第281页～300页。其基本思想是：给定两组独立的轨道参数及其协方差，选其中一组轨道参数的参考时刻，将另一组轨道及其协方差传播至该参考时刻，然后计算两组参数在该参考时刻的一个类似于马氏距离的变量，将该变量与预定的阈值比较，确定两组轨道参数是否属于同一个碎片。可以看出，该方法的前提是已知轨道参数的误差协方差信息。giza等人和linares等人结合自适应高斯和滤波(adaptivegaussiansumfilter)和信息度量(例如信息离散度和互信息)提出了数据关联的方法，分别发表于2010年8月2日～5日在加拿大多伦多举办的aiaaguidance,navigation,andcontrolconference(aiaapaper2010-7526)和2011年advancesintheastronauticalsciences的第140卷第665页～第680页，即利用信息离散度或互信息作为两组数据是否关联的度量。hussein等人于2015年9月15日～18在夏威夷举办的amosspacesurveillancetechnologiesconference上提出了利用bhattacharyyadivergence(bd)处理ttta(track-to-trackassociation)问题的方法，并指出可以建立该方法与cbta方法之间的关系，蒙特卡洛(montecarlo,mc)模拟比较了leo、meo、gto和geo情形下二种方法数据关联的效果，发现利用bd的ttta方法优于cbta方法。

现有技术中的关联算法在理论上是坚实的，但在实用中有两个突出的问题。一是需要已知轨道参数的协方差，二是需要进行协方差的传播。甚短弧仅角度观测值初轨确定时，求解得到的参数的误差波动很大，很难确定一个比较真实的误差值，即初轨参数的协方差在大部分情况下是未知的，或只是近似已知。轨道参数协方差的传播则是一个更困难的问题，这涉及传播后协方差的真实性和计算效率。两个问题的综合影响使得前述方法应用于初轨关联时存在较大的不适性。在观测获得巨量甚短弧初轨后，如果不能解决初轨关联问题或效率低下，将严重制约碎片编目库的扩展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间碎片关联方法及介质，不利用初轨参数的协方差信息，只利用两组独立的初轨参数，进行两者的关联以判断他们是否是同一碎片的，由此，避免了需要已知初轨参数协方差及其传播的困难。本发明的核心是：如果两组轨道参数是同一碎片的，则通过调整两个长半径参数，可使两组轨道参数表达的三维位置在某一时刻沿轨方向的偏差逼近零；若两组轨道参数是两个不同碎片的，则调整长半径不能使沿轨方向的偏差逼近零。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种空间碎片关联方法，包括如下步骤：

步骤一、根据空间碎片的两组轨道参数，选取一个公共时刻；

步骤二、将步骤一中所述的两组轨道参数分别传播至所述公共时刻；计算所述两组轨道参数在所述公共时刻的长半径之差和轨道面夹角；

步骤三、当步骤二中所述的长半径之差和轨道面夹角均小于相应阈值时，转入步骤四；否则判定所述两组轨道参数为不同空间碎片；

步骤四、调整所述两组轨道参数在所述公共时刻的长半径，当所述两组轨道参数在所述公共时刻的径向偏差、沿轨方向偏差、轨道面法向方向偏差均小于相应阈值时，判定所述两组轨道参数为同一空间碎片；否则判定所述两组轨道参数为不同空间碎片。

上述空间碎片关联方法，步骤一中所述的轨道参数为甚短弧仅角度观测值初轨参数。

上述空间碎片关联方法，步骤一中所述的公共时刻为两组轨道参数的参考时刻或两组轨道参数的参考时刻之间的任一个时刻。

上述空间碎片关联方法，步骤一中所述的公共时刻为两组轨道参数的参考时刻的均值。

上述空间碎片关联方法，步骤二中利用解析传播方法将步骤一中所述的两组轨道参数分别传播至所述公共时刻。

上述空间碎片关联方法，步骤四中利用迭代方法调整所述两组轨道参数在所述公共时刻的长半径。

上述空间碎片关联方法，步骤一中所述的轨道参数包括轨道长半径、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点角距、平近点角、轨道参数的参考时刻。

上述空间碎片关联方法，步骤四中调整所述两组轨道参数在所述公共时刻的长半径的方法包括如下步骤：

步骤(4a)、采用开普勒轨道参数计算所述公共时刻空间碎片的位置、位置差、速度；

步骤(4b)、根据碎片的位置、速度，建立轨道坐标系，计算初步径向偏差、初步沿轨方向偏差、初步轨道面法向偏差；计算所述公共时刻空间碎片的平均运动速度、平均地心距离，获得调整后所述公共时刻的长半径；

步骤(4c)、将调整后所述公共时刻的长半径作为所述两组轨道参数分别传播至所述公共时刻后的长半径；

步骤(4d)、重复步骤(4a)～步骤(4c)至少两次，将最后一次获得的初步径向偏差、初步沿轨方向偏差、初步轨道面法向偏差相应的作为所述两组轨道参数在所述公共时刻的径向偏差、沿轨方向偏差、轨道面法向方向偏差。

上述空间碎片关联方法，其特征在于：所述两组轨道参数根据甚短弧仅角度观测值初轨确定。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述空间碎片关联方法的步骤。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)在给定两组独立的甚短弧仅角度观测值初轨参数，利用本发明确定两者之间的关联性，正确率高于cbta方法；

(2)本发明用于两组初轨参数的关联判断计算时间只有cbta方法的1％以下，明显提高了关联判断的计算效率；

(3)本发明方法仅需已知两组独立的甚短弧仅角度观测值初轨参数及其参考时刻，需要的参数更少；

(4)本发明方法具有良好的自主关联判断能力，能够在计算机上自动运行并给出判断结果。

附图说明

图1为本发明实施例1的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

本发明解决的技术问题归纳为：1)基本假设：给定两组独立的甚短弧仅角度观测值初轨参数，他们或是同一碎片的两组轨道参数，或是两个碎片的轨道参数，轨道参数可以是经典的开普勒参数或其他形式的参数。2)待解决问题：确定两组独立的轨道参数是否是同一碎片不同时刻的轨道参数。

本发明思路为：

(1)、给定两组独立的甚短弧仅角度观测值初轨参数，他们或是同一碎片的两组轨道参数，或是两个碎片的轨道参数，轨道参数为经典的开普勒参数。

(2)、选取一个公共时刻，该公共时刻可以是两组轨道参数参考时刻之一，或两组轨道参数参考时刻之间的任意一个时刻。一般选两组轨道参数参考时刻的均值为公共时刻。

(3)、将两组轨道参数分别传播至公共时刻。由于初轨参数的误差一般很大，只需要利用简单的仅考虑低阶地球引力位系数的解析法轨道传播方法。

(4)、计算两组轨道参数在公共时刻的长半径之差和轨道面夹角。

(5)、将上述长半径之差和轨道面夹角与预置阈值进行比较，判断两组独立初轨参数的关联性。关联结果为：若长半径之差和轨道面夹角均小于预置阈值，则两者两组初轨参数有可能是同一碎片的，继续下一阶段的关联判决；若长半径之差和轨道面夹角其中之一大于对应的预置阈值，则判断两组初轨参数是不同碎片，关联计算结束。

(6)、调整轨道长半径，如果能使由两组轨道参数计算的在中间时刻的沿轨方向偏差逼近零，则根据在轨道径向、沿轨和轨道面法向方向的偏差判断两组轨道参数是否是同一碎片的。

实施例1：

一种空间碎片关联方法，包括如下步骤，如图1所示：步骤101、根据空间碎片的两组轨道参数，该轨道参数为甚短弧仅角度观测值初轨参数，包括轨道长半径、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点角距、平近点角、轨道参数的参考时刻。选取一个公共时刻，所述公共时刻为两组轨道参数的参考时刻或两组轨道参数的参考时刻之间的任一个时刻。优选的，所述公共时刻为两组轨道参数的参考时刻的均值。

步骤102、利用解析传播方法将步骤101中所述的两组轨道参数分别传播至所述公共时刻；计算所述两组轨道参数在所述公共时刻的长半径之差和轨道面夹角。

步骤103、当步骤102中所述的长半径之差和轨道面夹角均小于相应阈值时，转入步骤104；否则判定所述两组轨道参数为不同空间碎片。

步骤104、利用迭代方法调整所述两组轨道参数在所述公共时刻的长半径，当所述两组轨道参数在所述公共时刻的径向偏差、沿轨方向偏差、轨道面法向方向偏差均小于相应阈值时，判定所述两组轨道参数为同一空间碎片；否则判定所述两组轨道参数为不同空间碎片。

调整所述两组轨道参数在所述公共时刻的长半径的方法包括如下步骤：

步骤(4a)、采用开普勒轨道参数计算所述公共时刻空间碎片的位置、位置差、速度；

步骤(4b)、根据碎片的位置、速度，建立轨道坐标系，计算初步径向偏差、初步沿轨方向偏差、初步轨道面法向偏差；计算所述公共时刻空间碎片的平均运动速度、平均地心距离，获得调整后所述公共时刻的长半径；

步骤(4c)、将调整后所述公共时刻的长半径作为所述两组轨道参数分别传播至所述公共时刻后的长半径；

步骤(4d)、重复步骤(4a)～步骤(4c)至少两次，将最后一次获得的初步径向偏差、初步沿轨方向偏差、初步轨道面法向偏差相应的作为所述两组轨道参数在所述公共时刻的径向偏差、沿轨方向偏差、轨道面法向方向偏差。

实施例2：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述空间碎片关联方法的步骤。

实施例3：

(1)、设在惯性空间坐标系，给定两组独立的开普勒轨道参数，分别为σ1＝(a1,e1,i1,ω1,ω1,m1；t1)和σ2＝(a2,e2,i2,ω2,ω2,m2；t2)，括号中各变量依次表示空间碎片轨道的长半径、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点角距、平近点角和轨道参数的参考时刻。惯性空间坐标系为地心j2000。

(2)、选定t1和t2的中间时刻为公共时刻tm，即tm＝(t1+t2)/2。

(3)、利用解析传播方法将σ1和σ2传播到公共时刻，分别得：

解析传播时考虑地球非球形引力场的二、三、四阶带谐摄动。轨道传播可采用“人造地球卫星轨道力学”(刘林，1992，高等教育出版社)给出的方法。

(4)、比较和如果两组轨道参数是同一碎片的，则和之差应小于某一预置阈值。由于初轨参数由甚短弧仅角度观测值确定，误差可能很大，可设和之差阈值为δa阈值＝300km。当和之差的绝对值大于阈值时，判断两组轨道参数分属两个不同的碎片，关联计算结束；否则转至第(5)步。

(5)、比较两个轨道的轨道面法向矢量。如果两组轨道参数是同一碎片的，则两组参数表达的轨道面之间的夹角α应小于某一预置阈值。由于初轨参数由甚短弧仅角度观测值确定，误差可能很大，可设夹角阈值为α阈值＝3°。α的计算公式如下

其中和的计算方法如下：

当α大于阈值时，判断两组轨道参数分属两个不同的碎片，关联计算结束；否则转至第(6)步。

(6)、计算两组轨道参数在公共时刻的径向、沿轨方向和轨道面法向方向的偏差。

(6.1)、根据和计算tm时刻的三维惯性位置和速度，分别记为和采用由开普勒轨道参数计算位置和速度的标准计算公式。其中

(6.2)、计算三维位置差

(6.3)、利用和定义轨道坐标系如下：

(6.4)、计算初步径向偏差δr、初步沿轨方向偏差δl、初步轨道面法向偏差δc：

(7)、由和计算平均运动速度nm：

其中μ＝3.986×10¹⁴m³/s²；

nm＝(n1+n2)/2

(8)、计算公共时刻的平均地心距离rm：

rm＝(r1+r2)/2

其中

(9)、计算长半径的改正量δa：

其中

(10)、计算新的长半径

用替代和中的和重复第(6)～(10)步至少两次。

将最后一次计算的δr、δl和δc与预置阈值比较，判断两组轨道参数的关联性。针对leo目标甚短弧初轨参数，δr、δl和δc的阈值设置分别为δl阈值＝200km、δr阈值＝δc阈值＝600km。针对geo、meo目标甚短弧初轨参数，δr、δl和δc的阈值设置分别为δl阈值＝1m、δr阈值＝δc阈值＝100km。如果|δl|≤δl阈值并且|δr|≤δr阈值并且|δc|≤δc阈值，则两组轨道参数是同一碎片的；否则是不同碎片的。c

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。