基于TLE數(shù)據(jù)的空間目標(biāo)大氣再入預(yù)報(bào)

劉勁宏

重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074

空間態(tài)勢感知的主要任務(wù)之一是空間目標(biāo)監(jiān)測和編目，目的是提供全鏈條軌道數(shù)據(jù)服務(wù)，其中包括空間目標(biāo)的再入和隕落預(yù)報(bào)。Spacetrack網(wǎng)站向全球用戶提供了公開可獲取、編目空間目標(biāo)數(shù)量最多的兩行軌道根數(shù)(two line element,TLE)數(shù)據(jù)庫，是開展空間目標(biāo)軌道力學(xué)研究的重要數(shù)據(jù)源。如何利用該數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)無控目標(biāo)再入時(shí)間、位置和墜落區(qū)域的精確預(yù)報(bào)，對于空間碎片管理和地面的安全評估至關(guān)重要。利用TLE數(shù)據(jù)對空間目標(biāo)進(jìn)行無控再入預(yù)報(bào)，一般包括TLE異常清理、彈道系數(shù)估計(jì)、軌道確定和再入預(yù)報(bào)。圍繞這幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，論文主要內(nèi)容如下。

(1) 針對現(xiàn)有算法在清理TLE軌道根數(shù)異常存在的問題，如閾值設(shè)定不合理、清理策略不統(tǒng)一、異常清理不徹底等，提出了基于最大期望算法的TLE軌道根數(shù)清理技術(shù)，該算法具有更嚴(yán)密的理論支撐且可以統(tǒng)一應(yīng)用于任意TLE根數(shù)的異常清理，適用對象更為廣泛，清理異常效果顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。

(2) 針對最小二乘法在TLE定軌中存在的問題，如數(shù)值問題、誤差評定不可靠，提出了單純形調(diào)優(yōu)TLE軌道確定算法。為了克服局部最優(yōu)這一缺陷，設(shè)計(jì)了連環(huán)使用蒙托卡羅(MC)采樣技術(shù)的算法，使得定軌結(jié)果不受初始狀態(tài)誤差的影響，具有可靠性、穩(wěn)定性和有效性，適用于任何類型的TLE軌道確定。

(3) 針對已有軌道傳播器描述火箭體大氣阻力模型并不準(zhǔn)確，引入了基于雷諾數(shù)的大氣阻力系數(shù)模型，重新對軌道進(jìn)行數(shù)值積分。與已有的高精度數(shù)值軌道傳播器HPOP和武漢大學(xué)WHU-SST半解析軌道傳播器的預(yù)報(bào)結(jié)果對比，最高可降低13%的預(yù)報(bào)誤差。針對再入前24 h短時(shí)間再入預(yù)報(bào)問題，采用MC技術(shù)進(jìn)行采樣，使得預(yù)報(bào)的再入時(shí)間誤差控制在2.5個(gè)軌道周期內(nèi)。

(4) 隕落預(yù)報(bào)的最低要求是隕落點(diǎn)應(yīng)該在預(yù)報(bào)區(qū)域內(nèi)。目前，除少數(shù)擁有GPS精密星歷的衛(wèi)星可以獲得初始狀態(tài)的誤差外，僅僅利用TLE數(shù)據(jù)尚無可靠的誤差評估。為此，首先利用本文定軌方法估計(jì)再入前最后1組TLE的最優(yōu)結(jié)果及其誤差；然后，利用MC采樣技術(shù)。通過隕落預(yù)報(bào)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)隕落位置分布范圍主要受到軌道偏心率和傾角的不確定性影響。為減少隕落預(yù)報(bào)區(qū)域的不確定性，由隕落時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分布求期望值，引入1～3 h的不確定時(shí)間窗口。