長(zhǎng)春站非合作目標(biāo)激光測(cè)距資料的定軌?

孫建南劉承志 范存波 孫明國(guó)

(1中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)長(zhǎng)春人造衛(wèi)星觀測(cè)站長(zhǎng)春130117)

(2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049)

長(zhǎng)春站非合作目標(biāo)激光測(cè)距資料的定軌?

孫建南1,2?劉承志1范存波1孫明國(guó)1

(1中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)長(zhǎng)春人造衛(wèi)星觀測(cè)站長(zhǎng)春130117)

(2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049)

精密解算了非合作目標(biāo)的單站激光測(cè)距數(shù)據(jù).觀測(cè)數(shù)據(jù)少、數(shù)據(jù)弧段分布不好是對(duì)非合作目標(biāo)進(jìn)行精密定軌的難點(diǎn).通過(guò)定軌過(guò)程中對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的選擇及求解參數(shù)的選取,使得軌道計(jì)算收斂.解算多組圈數(shù)的非合作目標(biāo)數(shù)據(jù),將軌道重疊弧段對(duì)比作為評(píng)判定軌精度的指標(biāo);從多組圈數(shù)中提取出一圈的觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)其余數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌處理,將定軌后的軌道結(jié)果與提取出的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到在同一時(shí)刻的距離偏差,使其作為精密定軌的外符合.結(jié)果表明:對(duì)非合作目標(biāo)(4814)進(jìn)行精密定軌,平均測(cè)距殘差為1.01 m,在測(cè)距方向上，測(cè)量數(shù)據(jù)外符合的平均軌道精度為14.35 m,預(yù)報(bào)1 d的測(cè)距精度為24.60 m.

航天器,天體力學(xué):軌道計(jì)算與定軌,方法:數(shù)據(jù)分析

1 引言

利用漫反射激光測(cè)距對(duì)非合作目標(biāo)進(jìn)行探測(cè),其測(cè)距精度可達(dá)米級(jí)或分米級(jí),比雷達(dá)和光電觀測(cè)精度高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)[1–3].高精度漫反射激光測(cè)距資料的應(yīng)用對(duì)實(shí)現(xiàn)非合作目標(biāo)精密定軌及其監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重要作用.同時(shí)有利于提高地球低軌道區(qū)域大氣密度模型精度,進(jìn)而對(duì)實(shí)現(xiàn)近地衛(wèi)星精密定軌與預(yù)報(bào)、保障衛(wèi)星順利完成科學(xué)目標(biāo)具有重要意義.

低軌非合作目標(biāo)具有運(yùn)行速度快、過(guò)境時(shí)間短、軌道預(yù)報(bào)精度差以及受到觀測(cè)晨昏條件限制等特點(diǎn),致使對(duì)其觀測(cè)獲得的有效激光測(cè)距數(shù)據(jù)遠(yuǎn)少于對(duì)合作目標(biāo)觀測(cè)獲得的數(shù)據(jù),導(dǎo)致在軌道改進(jìn)計(jì)算中條件方程不可解,無(wú)法進(jìn)行精密定軌.觀測(cè)數(shù)據(jù)少已成為目前對(duì)非合作目標(biāo)精密定軌的一個(gè)主要難點(diǎn).文獻(xiàn)[4?5]闡述了利用兩行根數(shù)(Two-Line Element,TLE)數(shù)據(jù)模擬多站衛(wèi)星激光測(cè)距(Satellite Laser Ranging,SLR)數(shù)據(jù)的方法實(shí)現(xiàn)單站SLR數(shù)據(jù)定軌,文章表明:對(duì)Ajisai衛(wèi)星在1 d內(nèi)擁有5圈共68個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)施定軌,軌道外推5 d的位置誤差在40 m以內(nèi).文獻(xiàn)[6]基于文獻(xiàn)[7]的方法,對(duì)軌道高度為800 km的空間目標(biāo)在連續(xù)兩天內(nèi)擁有19個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌,預(yù)報(bào)1 d的軌道精度可達(dá)20′′,優(yōu)于利用光學(xué)數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)的軌道精度.

本文首先介紹了SLR精密定軌的原理與方法及定軌過(guò)程中動(dòng)力學(xué)模型的選取原則;其次,對(duì)長(zhǎng)春站實(shí)測(cè)非合作目標(biāo)的激光測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行精密定軌.將TLE數(shù)據(jù)作為非合作目標(biāo)精密定軌的初始軌道,選取適當(dāng)?shù)膭?dòng)力學(xué)模型與求解參數(shù),使得軌道解算方程收斂;最后,通過(guò)重疊弧段比對(duì)和利用同類(lèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)在距離方向上進(jìn)行符合,分析定軌的精度.

2 SLR定軌原理與方法

SLR精密定軌采用動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)中基于線性估計(jì)的方法,利用含有測(cè)量誤差的觀測(cè)資料,依據(jù)動(dòng)力學(xué)模型建立空間目標(biāo)狀態(tài)方程和觀測(cè)方程,用動(dòng)力學(xué)理論求解出目標(biāo)狀態(tài)參數(shù)的最佳估計(jì)值[8].

根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論,空間目標(biāo)的狀態(tài)方程可寫(xiě)為:

SLR的觀測(cè)量是從觀測(cè)站到衛(wèi)星的距離,記為ρ0,其理論計(jì)算值為ρc.令Y=ρ0,G(X,t)=ρc,則空間目標(biāo)的觀測(cè)方程可寫(xiě)為:

式中,Xi、Yi、εi分別為ti時(shí)刻的狀態(tài)、觀測(cè)值以及觀測(cè)噪聲.

在參考狀態(tài)X?(t)處按Taylor公式展開(kāi)狀態(tài)方程(1)與觀測(cè)方程(2),忽略2階及以上的高階項(xiàng),得到觀測(cè)方程為:

在求解估值過(guò)程中,一般采用迭代方法,直至滿足設(shè)置的收斂準(zhǔn)則為止.收斂準(zhǔn)則為:①空間目標(biāo)最新估值方差的位置矢量小于預(yù)先指定的判據(jù)POSmin.②觀測(cè)殘差的均方根滿足:|RMS?RMSP|/RMS<δmin,RMS為觀測(cè)殘差的均方根,RMSP為觀測(cè)殘差均方根的線性預(yù)報(bào)值,δmin為預(yù)先指定的一個(gè)小量.若相繼兩次迭代滿足條件①或條件②,則表示迭代過(guò)程已收斂.

在迭代計(jì)算中,需要依據(jù)衛(wèi)星定軌精度σ以及定軌弧段的長(zhǎng)短(t?t0)選取攝動(dòng)加速度,即動(dòng)力學(xué)模型.設(shè)衛(wèi)星所受的攝動(dòng)力為Fτ,衛(wèi)星受到的地球中心引力為F0,對(duì)Fτ的量級(jí)EST通常采用下式來(lái)估計(jì)[9]:

設(shè)要考慮的Fτ的最小量級(jí)為estmin,那么

式中,to為軌道起算時(shí)刻,tf為終止時(shí)刻,n為衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行的平均角速度.

3 非合作目標(biāo)的精密定軌

3.1 定軌方案

現(xiàn)階段長(zhǎng)春人造衛(wèi)星觀測(cè)站成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)400～1800 km的非合作目標(biāo)漫反射激光測(cè)距,目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(Radar Cross-Section,RCS)范圍為1.2～18.5 m2,觀測(cè)共計(jì)244個(gè)目標(biāo)466圈的數(shù)據(jù),激光測(cè)距誤差范圍為0.3～1.2 m,平均測(cè)距誤差為0.9 m.通過(guò)www.space-track.org網(wǎng)站查詢非合作目標(biāo)的軌道高度,對(duì)文中實(shí)施定軌的非合作目標(biāo)而言,平均軌道高度為550 km.根據(jù)平均測(cè)距殘差值,取定軌精度為2 m,則σ=2.89×10?7,取弧長(zhǎng)為4 d,那么,對(duì)耗散力而言,estmin=1.00×10?14;對(duì)保守力而言,estmin=3.82×10?10.根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),所選取的動(dòng)力學(xué)模型如表1所示:

表1 動(dòng)力學(xué)模型Table 1The perturbation dynamics models

在動(dòng)力學(xué)定軌過(guò)程中,為了有效降低數(shù)學(xué)模型誤差及吸收未模型化的誤差,常把一部分的動(dòng)力學(xué)參數(shù)作為待估計(jì)量,參與衛(wèi)星狀態(tài)參數(shù)解算中.解算參數(shù)的選擇要在保證獲得較高的定軌精度下設(shè)置,使所選參數(shù)之間保持弱相關(guān)性或不相關(guān),以保證觀測(cè)法方程的求解精度.綜合考慮上述動(dòng)力學(xué)模型后,對(duì)非合作目標(biāo)的精密定軌方案如下:

(1)測(cè)量模型:大氣折射模型選用Marini-Murray模型;臺(tái)站位移的變化要考慮由固體潮、永久潮汐、海潮負(fù)荷以及地球自轉(zhuǎn)形變對(duì)臺(tái)站的影響.

(2)參考系:J2000.0慣性系;歲差選用IAU76模型;章動(dòng)選用IAU1980模型;地球參考框架選擇ITRF2000參考框架.

(3)本文所選的待估參數(shù)為:初始軌道的位置與速度,大氣阻力系數(shù).

3.2 數(shù)據(jù)處理

長(zhǎng)春站在2014年3至5月對(duì)非合作目標(biāo)進(jìn)行了漫反射激光測(cè)距實(shí)驗(yàn),對(duì)同1顆非合作目標(biāo)擁有3圈以上觀測(cè)弧段的數(shù)據(jù)做了部分統(tǒng)計(jì),見(jiàn)圖1.圖中縱坐標(biāo)為NORAD(North American Aerospace Defense Command)編號(hào).

圖1 2014年3至5月長(zhǎng)春站漫反射激光測(cè)距觀測(cè)非合作目標(biāo)部分統(tǒng)計(jì)Fig.1 The partial data statistics of non-cooperative targets by the SLR based on di ff use reflection at Changchun station from 2014 March to May

從上圖中選取出4組具有連續(xù)弧段的非合作目標(biāo)數(shù)據(jù)(表2),分別實(shí)施精密定軌.由于非合作目標(biāo)沒(méi)有國(guó)際激光測(cè)距服務(wù)(International Laser Ranging Service,ILRS)提供的Consolidated Prediction Format(CPF)星歷,不能獲得較為精確的初始軌道信息.由文獻(xiàn)[17–20]可知,使用Simplified General Perturbation Version 4(SGP4)模型計(jì)算TLE數(shù)據(jù),對(duì)于近地軌道目標(biāo),軌道預(yù)報(bào)精度在百米量級(jí),可作為非合作目標(biāo)精密定軌的初始軌道.參數(shù)解算時(shí),在整個(gè)弧段上求解初始軌道的位置、速度及大氣阻力系數(shù)(對(duì)編號(hào)為4814、28222目標(biāo),需附加求解大氣阻力系數(shù)的變化率).運(yùn)用改良后采用數(shù)值方法的精密定軌軟件解算非合作目標(biāo)的Full-rate格式數(shù)據(jù),設(shè)置迭代收斂判據(jù)POSmin為5 mm,δmin為0.01(見(jiàn)第2節(jié)).由于無(wú)法準(zhǔn)確獲取非合作目標(biāo)形狀特征,不能給出精確的質(zhì)心改正值,但我們會(huì)依據(jù)定軌精度要求,并參考RCS值,對(duì)目標(biāo)給出一定量的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行質(zhì)心修正.

采用上述定軌方案,對(duì)4顆非合作目標(biāo)進(jìn)行精密定軌后,在整個(gè)弧段上的內(nèi)符合精度為1～2 m(圖2),符合激光漫反射測(cè)距殘差范圍.

3.3 精度評(píng)定

(1)重疊軌道弧段的符合程度常用來(lái)評(píng)價(jià)定軌結(jié)果的精度.對(duì)有連續(xù)4 d觀測(cè)數(shù)據(jù)的非合作目標(biāo)(4814),可以對(duì)前三天的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌,生成軌道Orbit_1;對(duì)后三天的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌,生成軌道Orbit_2;對(duì)連續(xù)4 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌,生成軌道Orbit-3,計(jì)算重疊弧段在兩天內(nèi)的平均三維位置偏差與三維位置偏差的均方根誤差.軌道Orbit-1與軌道Orbit-2之間計(jì)算出重疊軌道Overlap-1,軌道Orbit-2與軌道Orbit-3之間計(jì)算出重疊軌道Overlap-2,軌道Orbit-1與軌道Orbit-3之間計(jì)算出重疊軌道Overlap-3.通過(guò)重疊軌道弧段方法,得到重疊弧段上平均的最大三維位置偏差不超過(guò)80 m,其定軌精度在90 m以內(nèi)(表3).

表2 非合作目標(biāo)的激光漫反射測(cè)距信息Table 2 The information of non-cooperative targets by di ff use reflection laser ranging

表3 通過(guò)軌道重疊方法得到的軌道偏差Table 3 The orbit deviation obtained with the method of orbit overlap

圖2 單站定軌后的測(cè)距殘差Fig.2 The measurement residuals computed by precise orbit determination

(2)由于激光對(duì)非合作目標(biāo)測(cè)距的誤差在米級(jí)或分米級(jí),在沒(méi)有同等精度的外來(lái)軌道對(duì)非合作目標(biāo)的定軌精度評(píng)價(jià)時(shí),可利用同類(lèi)激光觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)軌道在測(cè)距方向上的精度.選取非合作目標(biāo)(4814)其中3 d的激光漫反射測(cè)距數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行精密定軌,利用未參加軌道解算的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)距符合,即對(duì)解算出的精密軌道,通過(guò)插值方法求得未參加軌道解算的觀測(cè)數(shù)據(jù)在對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的距離值,得到非合作目標(biāo)軌道在測(cè)距方向上的偏差.

將5月28日、5月30日、5月31日3 d數(shù)據(jù)作為弧段Arc-1,將5月28日、5月29日、5月31日3 d數(shù)據(jù)作為弧段Arc-2,將5月28日、5月29日、5月30日3 d數(shù)據(jù)作為弧段Arc-3,分別實(shí)施精密定軌,得到定軌后的平均測(cè)距殘差為0.95 m(表4).在精密定軌過(guò)程中,解算參數(shù)為初始軌道的位置與速度和大氣阻力系數(shù).

利用弧段Arc-1的精密定軌結(jié)果符合5月29日的觀測(cè)數(shù)據(jù),平均測(cè)距誤差為11.35 m,均方根值為13.62 m.利用弧段Arc-2的精密定軌結(jié)果符合5月30日的觀測(cè)數(shù)據(jù),平均測(cè)距誤差為?17.32 m,均方根值為17.35 m(圖3).對(duì)弧段Arc-3精密定軌后,進(jìn)行24 h軌道預(yù)報(bào),將軌道結(jié)果與5月31日的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行符合,平均測(cè)距誤差為24.60 m,均方根值為56.10 m(圖4).

表4 各個(gè)弧段精密定軌的測(cè)距殘差Table 4 The measurement residuals calculated by precise orbit determination of each arc segment

圖3 觀測(cè)數(shù)據(jù)外符合的精度Fig.3 The precision of orbit determination coincided with the SLR data

圖4 預(yù)報(bào)1 d的軌道精度Fig.4 The precision of 1-day orbit prediction

4 結(jié)論與討論

對(duì)長(zhǎng)春站在2014年3至5月實(shí)測(cè)的部分非合作目標(biāo)進(jìn)行了精密定軌,得到內(nèi)符合精度范圍為1～2 m.通過(guò)軌道弧段重疊比對(duì)可得到非合作目標(biāo)數(shù)據(jù)精密定軌的精度.對(duì)非合作目標(biāo)(4814)進(jìn)行精密定軌,在連續(xù)兩天的重疊弧段內(nèi),平均最大三維位置偏差不超過(guò)80 m,精密定軌精度好于90 m.由于目前還沒(méi)有同等精度的外來(lái)軌道對(duì)非合作目標(biāo)的軌道進(jìn)行符合,尤其是針對(duì)空間碎片數(shù)據(jù)的定軌,可利用同類(lèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)精密定軌結(jié)果進(jìn)行測(cè)距方向的符合.結(jié)果表明,非合作目標(biāo)(4814)在距離方向上平均定軌精度為14.35 m,預(yù)報(bào)1 d的測(cè)距精度為24.60 m.

本文利用長(zhǎng)春人造衛(wèi)星觀測(cè)站短弧激光漫反射測(cè)距數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了非合作目標(biāo)(4814、12904、28222和37363)的精密定軌,具體分析了非合作目標(biāo)(4814)的定軌結(jié)果,定軌精度優(yōu)于百米.使用SGP4模型計(jì)算TLE數(shù)據(jù)作為精密定軌的初始軌道,通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型的選取及求解參數(shù)的選擇,使得非合作目標(biāo)的定軌程序解算收斂.若使用光學(xué)數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、TLE數(shù)據(jù)共同參與激光漫反射測(cè)距數(shù)據(jù)的解算中,更有助于提高軌道解算的收斂性.倘若增加多個(gè)臺(tái)站對(duì)同一顆非合作目標(biāo)的觀測(cè),則可獲得非合作目標(biāo)更高的軌道精度與預(yù)報(bào)信息,在不斷提高非合作目標(biāo)的預(yù)報(bào)精度時(shí),可實(shí)現(xiàn)激光漫反射測(cè)距的良性循環(huán)觀測(cè),對(duì)空間非合作目標(biāo)監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

致謝感謝長(zhǎng)春人造衛(wèi)星觀測(cè)站激光測(cè)距組全體職員為本文提供的數(shù)據(jù)支持

[1]李語(yǔ)強(qiáng),李祝蓮,伏紅林,等.中國(guó)激光,2011,38:154

[2]Kirchner G,Koidl F,Friederich F,et al.AdSpR,2013,51:21

[3]Bennett J C,Sang J,Smith C H,et al.AdSpR,2013,52:1876

[4]梁智鵬,劉承志,范存波,等.天文學(xué)報(bào),2012,53:137

[5]Liang Z P,Liu C Z,Fan C B,et al.ChA&A,2012,36:417

[6]Bennett J C,Sang J,Smith C,et al.Improving Low-Earth Orbit Predictions Using Two-line Element Data with Bias Correction.Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference, 2012:12-14

[7]Levit C,Marshall W.AdSpR,2011,47:1107

[8]Schutz B,Tapley B,Born G H.Statistical Orbit Determination.New York:Academic Press,2004: 1-10

[9]劉林.人造地球衛(wèi)星軌道力學(xué).北京:高等教育出版社,1992:102-103

[10]Tapley B,Ries J,Bettadpur S,et al.JGeod,2005,79:467

[11]Standish E M.BAAS,1995,27:1203

[12]Berger C,Biancale R,Ill M,et al.JGeod,1998,72:161

[13]Eanes R J,Watkins M M.ITN,1994,17:118

[14]Ray R D.A Global Ocean Tide Model from Topex/Poseidon Altimetry:GOT99.2.NASA Tech.Memo. 209478,Goddard Space Flight Center,Greenbelt

[15]Sengoku A,Cheng M K,Schutz B E.JGeod,1995,70:140

[16]Pavlis D E,Luo S,Dahiroc P,et al.Hughes STX Contractor Report,1998

[17]韓蕾,陳磊,周伯昭.中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2005,24:65

[18]韋棟,趙長(zhǎng)印.天文學(xué)報(bào),2009,50:332

[19]Wei D,Zhao C Y.ChA&A,2010,34:69

[20]劉衛(wèi),繆元興.天文研究與技術(shù),2011,8:128

Orbit Determination of Non-cooperative Targets Using Laser Ranging Data at Changchun Station

SUN Jian-nan1,2LIU Cheng-zhi1FAN Cun-bo1SUN Ming-guo1
(1 Changchun Observatory,National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130117)
(2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

The precise orbit determination software successfully processes the satellite laser ranging data of the non-cooperative targets in a single station.The insufficient observation data and the sole distribution data have become a principal difficulty in the orbit determination of the non-cooperative targets.Through the choices of dynamic models and the selections of solving parameters in the process of orbit determination, the condition equation can be solved with a convergence algorithm,and the orbit is obtained.The positional deviation obtained with the method of orbital overlap will be used as the accuracy index in calculating more groups of non-cooperative targets data.And the ranging deviation is obtained by comparing the trajectory information after orbit determination with the observation data uninvolved in orbit determination, which can be regarded as the externally coincident precision.The results show that the average ranging residual is 1.01 meters,the outer precision is 14.35 meters,and the precision of 1-day orbit prediction is 24.60 meters for non-cooperative target(4814).

space vehicles,celestial mechanics:orbit calculation and determination, methods:data analysis

P135;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2015.05.007

2015-01-22收到原稿,2015-04-16收到修改稿

?國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11373047)資助

?sunjn@cho.ac.cn