空间碎片全时域激光探测的目标捕获和跟踪方法、存储介质及电子设备技术

本发明专利技术提出一种空间碎片全时域激光探测的目标捕获和跟踪方法、存储介质及电子设备，该方法中，首先获取碎片目标的一组最近精密轨道参数，以及目标本次过境的起止时刻，利用这些信息并结合对目标轨道参数最大沿迹误差的估计，生成搜索引导数据，DLR系统基于搜索引导数据对目标进行多仰角搜索，搜索过程中捕获并发现目标后，获取目标的若干探测数据，采用探测数据确定目标轨道参数的沿迹误差，并基于沿迹误差对目标轨道参数进行实时校正，校正后的轨道参数被用于产生目标的精密点位预报，引导DLR系统对目标实施后续的跟踪探测。本发明专利技术充分拓展了DLR系统的有效探测资源，优化了DLR数据的相位分布结构，极大改善了空间碎片的定轨和预报精度。和预报精度。和预报精度。

【技术实现步骤摘要】
空间碎片全时域激光探测的目标捕获和跟踪方法、存储介质及电子设备


[0001]本专利技术属于空间探测领域，具体涉及空间碎片全时域激光探测的目标捕获和跟踪方法、存储介质及电子设备。

技术介绍

[0002]本世纪初，出于在轨航天器工作安全的需要，空间碎片(包括失效卫星、火箭残骸、以及目标解体、碰撞、爆炸产生的碎片等)的碰撞规避和主动清除技术日益受到重视，这些技术的有效实施均依赖于空间碎片轨道的精确掌握和预测，而基于雷达和光学测量数据的碎片目标定轨精度很难满足技术需求，于是针对空间碎片的激光测距(DLR)技术成为新的发展方向。
[0003]虽然DLR技术和SLR技术在探测原理上没有本质的差别，均是通过测量激光信号从地面站到空间目标的往返时间获得目标的距离，但由于探测对象的不同，DLR面临更大的技术挑战和困难，存在两个关键的技术问题需要解决。第一个问题属于回波信号的检测问题，SLR的探测对象为合作目标，系统发射的激光波束可由目标的角发射器将绝大部分光子按原路反射回去，回波信号检测容易，而DLR的探测对象为空间碎片(非合作目标)，系统发射的激光波束只能依赖于目标表面的漫反射，能够返回到地面站的光子比例很小，回波信号不易检测；第二个问题属于回波信号的产生问题，要求系统发射的激光波束能够捕获(击中)目标，通常需要目标轨道预报引导实现，由于激光波束很窄，因此要求轨道预报具有很高的精度，对于SLR面向的少量合作空间目标，可由国际激光测距服务组织(ILRS)每天更新发布的高精密星历文件(CPF)产生足够精确的目标点位预报，以引导SLR系统对目标进行有效的跟踪测量，而对于DLR面向的一般碎片目标，则没有如此高精密的星历可供使用。
[0004]为了使得激光波束能够捕获和跟踪碎片目标，目前国内外均采用了光学引导的方法，首先利用视场较大的光学望远镜或天文相机，对目标进行搜索和发现，获取一定数量的角观测资料，再引导激光波束完成对目标的捕获和跟踪(参见非专利文件1
‑
3)。
[0005]鉴于当前碎片激光探测对光学设备的依赖，DLR技术的应用受到很大限制，光学测量一般存在天光和地影条件的约束，这就使得DLR技术只能在晨和昏附近两个时段内(此时碎片目标在轨道上被阳光照射，而地面激光站尚处于黑夜)有效实施，受激光能量限制，DLR目前只能对距离不超过3000公里的碎片目标进行有效探测，这些低轨目标在地影中通过的时间一般较长，扣除激光站白天和目标在地影中的时间，据估计可用于DLR探测的时间窗口总计不超过6小时(参见非专利文件4)，不仅造成探测资源的极大浪费，而且测量数据的轨道相位分布也不理想，不利于目标定轨精度的有效提升，从而严重降低了DLR技术的应用效能。为了有效拓展DLR探测的时间窗口，国际上近年来探索了空间碎片的白天激光探测技术(参见非专利文件4)，该技术的实现主要得益于光学观测技术的改善，并没有摆脱对光学引导的依赖，天光背景等噪声的影响尚没有得到很好的消除，目前只能对少量尺寸较大的近距离碎片目标实施白天的激光探测，DLR技术的应用效能仍存在很大局限，随着光学观测技
术的进一步改善，即便将来空间碎片的白天激光探测能力得到显著提升，但由于地影区碎片目标的光学不可见性，DLR探测的时间窗口问题仍然存在。
[0006]综上所述，时间窗口问题已成为制约当前DLR应用效能的主要技术瓶颈，时间窗口的产生是由于在DLR实施过程中介入了光学观测的初始引导，对比同类的SLR技术，由于有高精密点位预报的引导，在应用过程中并不存在时间窗口问题，能够实现每天24小时的激光探测，因此时间窗口的产生与DLR技术本身并无必然联系。如果能在不依赖光学设备引导的条件下，还能实现对碎片目标的捕获和跟踪，则DLR系统将会在根本上突破时间窗口的限制，其应用效能随之得到本质性提升。有鉴于此，本专利技术提出了一种能够实现空间碎片全时域激光探测的目标捕获和跟踪方法及相应的存储介质和电子设备，借鉴了中国专利技术专利CN113640787A窄波束雷达捕获空间目标的等仰角搜索方法(参见专利文件1)，其探测过程仍分为等仰角搜索过程和目标捕获后的转跟踪过程，但由于激光相比于雷达具有更窄的探测波束(DLR的波束直径一般不超过20角秒，而窄波束雷达的波束直径通常不会低于200角秒，两者存在量级上的差异)，因此DLR系统和窄波束雷达对目标搜索和跟踪的技术要求存在明显差异。
[0007]引证文件列表
[0008]非专利文件：
[0009]1、Bin Li，Jizhang Sang and Zhongping Zhang，A Real
‑
Time Orbit Determination Method for Smooth Transition from Optical Tracking to Laser Ranging of Debris，Sensors，16，962，2016.
[0010]2、Michael A.Steindorfer，Georg Kirchner，Franz Koidl，Peiyuan Wang，Alfredo Anton，Jaime Fernandez，Diego Escobar，Jiri Silha，Klaus Merz，Stare and Chase：Optical Pointing Determination，Orbit Calculation and Satellite Laser Ranging Within a Single Pass，Proc.7th European Conference on Space Debris，Darmstadt，Germany，18
‑
21April 2017.
[0011]3、J.Rodriguez，E.Cordelli，and T.Schildknecht，The new Stare&Chase Procedure at The Swiss Optical Ground Station and Geodynamics Observatory Zimmerwald，Proc.1st NEO and Debris Detection Conference，Darmstadt，Germany，22
‑
24January 2019.
[0012]4、Michael A.Steindorfer，Georg Kirchner，Franz Koidl，Peiyuan Wang，Beatriz Jilete&Tim Flohrer，Daylight space debris laser ranging，Nature communications，2020.
[0013]专利文件：
[0014]1、中国专利技术专利“窄波束雷达捕获空间目标的等仰角搜索方法”，公开号CN113640787A，公开日2021
‑
11
‑
12。

技术实现思路

[0015]本专利技术针对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.空间碎片全时域激光探测的目标捕获和跟踪方法，实施于空间碎片目标相对于DLR系统的各次过境期间，其特征在于，包括：利用由空间监测网精密雷达和CCD望远镜数据确定的一组目标精密轨道参数，以及预先获取的目标本次过境的起止时刻，以起止时刻确定的中间时刻作为初始时刻，基于目标精密轨道参数产生初始拟平均根数，并构建分析摄动模型；对沿迹误差进行离散化处理，结合分析摄动模型，得到一系列用于描述各虚拟目标运动的新摄动模型，各虚拟目标在本次过境期间所产生的不同的视轨迹组成视轨迹簇；确定视轨迹簇中各条有效视轨迹的最大可探测仰角h
q
和最小可探测仰角h
p
，进而计算得出DLR系统的搜索仰角；对于视轨迹簇中的各条有效视轨迹，基于对应的摄动模型，并考虑光行差的影响，计算得到相应的探测仰角，并根据探测仰角和搜索仰角的差值，采用两分法得到所有视轨迹对应的虚拟目标上升到搜索仰角时的探测特征参量；基于各虚拟目标的探测特征参量，生成一系列成组的搜索引导数据，每组搜索引导数据对应于DLR系统发出的激光波束在搜索仰角上的一次驻留；DLR系统根据搜索引导数据对目标进行多仰角搜索；DLR系统捕获目标后，转入跟踪过程，根据转入跟踪之前获取的若干组探测数据，计算初始拟平均根数的沿迹误差量，以对初始拟平均根数进行沿迹误差校正，基于校正后的初始拟平均根数产生跟踪引导数据，引导DLR系统对目标进行跟踪。2.如权利要求1所述的空间碎片全时域激光探测的目标捕获和跟踪方法，其特征在于：所述构建分析摄动模型之后，还结合构建的分析摄动模型，计算目标本次过境期间的理论近站点时刻；对于所述各虚拟目标在本次过境期间所产生的不同视轨迹组成的视轨迹簇，基于计算的理论近站点时刻，对视轨迹簇中各条视轨迹进行可见性确认，去除不可见的视轨迹，并去除可探测弧长不符合要求的视轨迹，剩余视轨迹为有效视轨迹；所述得到所有有效视轨迹对应的虚拟目标上升到搜索仰角时的探测特征参量之后，还对探测特征参量中的方位角取值进行连续化处理，使其具有连续变化特征。3.如权利要求2所述的空间碎片全时域激光探测的目标捕获和跟踪方法，其特征在于：所述构建分析摄动模型的过程具体如下：选用目标本次过境的中间时刻T0作为参考时刻，将目标本次过境期间的轨道沿迹误差定义为参考时刻的沿迹误差，并采用第一类无奇点轨道根数作为基本变量，构建以参考时刻为初始时刻的分析摄动模型：已知的一组目标精密轨道参数为t
q
，∈，其中t
q
为该组轨道参数的历元时刻，和分别为目标相对于历元地心惯性系的位置矢量和速度矢量，∈为目标面质比；基于已知的轨道参数t
q
，∈，采用数值方法和精密力学模型进行摄动外推，由t
q
时刻外推到T0时刻，得到T0时刻目标相对于历元地心惯性系的位置矢量和速度矢量并对和进行转换，得到目标于T0时刻的初始拟平均根数；基于初始拟平均根数，构建数学表达形式如下的分析摄动模型：设a，i，Ω，ξ＝e cosω，η＝
‑
e sinω，λ＝ω+M为目标第一类无奇点形式的吻切轨道根数，其中a为轨道半长径，i为轨道倾角，Ω为轨道升交点赤经，e为轨道偏心率，ω为轨道近
地点幅角，M为目标平近点角，则有：地点幅角，M为目标平近点角，则有：地点幅角，M为目标平近点角，则有：地点幅角，M为目标平近点角，则有：地点幅角，M为目标平近点角，则有：地点幅角，M为目标平近点角，则有：以上各式左端表示t时刻的吻切根数，表示T0时刻的初始拟平均根数，为目标平运动角速度，μ为地心引力常数，Ω1，ω1，λ1为对应根数的一阶长期变化项系数，为各根数的一阶短周期变化项，为各根数的二阶短周期变化项，为与地球自转相关的降阶项。4.如权利要求3所述的空间碎片全时域激光探测的目标捕获和跟踪方法，其特征在于：所述各虚拟目标在本次过境期间所产生的不同的视轨迹组成视轨迹簇的过程具体如下：将初始拟平均根数的沿迹误差考虑为一个在[
‑
τ，τ]内均匀分布的随机变量，并对该随机变量进行离散化处理，以将一个概率问题转化为确定性问题，为此定义：其中Δτ是一个时间增量，设ε＞0为一小量，则Δτ取值为：l为正整数，取值为：l＝int(τ/Δτ)+1在已构建的分析摄动模型中，将式(6)中的替换为其它各式保持不变，得到一系列新的摄动模型，记为模型每个模型对应于一个虚拟目标，对应的虚拟目标为理论目标；当k从l到
‑
l连续变化时，各虚拟目标产生一系列视轨迹，组成视轨迹簇{Γ
k
|
l
，
‑
l
}，其中的每条视轨迹Γ
k
由模型唯一确定。5.如权利要求4所述的空间碎片全时域激光探测的目标捕获和跟踪方法，其特征在于：所述得到所有有效视轨迹对应的虚拟目标上升到搜索仰角时的探测特征参量的过程具体如下：对于视轨迹簇{Γ
k
|
m，n
}中的一条视轨迹Γ
k
，其中{Γ
k
|
m，n
}表示{Γ
k
|
l，
‑
l
}去除不可见的视轨迹并且还去除了可探测弧长不符合要求的视轨迹后的视轨迹簇，基于模型采用两分法从近站点时刻向前沿升段进行搜索计算，计算过程中每步先产生对应时刻目标相对于TEMEE坐标系的位置矢量，然后由所获取的位置矢量并结合光行差影响和大气折射效应的考虑，计算得到相应的探测仰角，并根据探测仰角与搜索仰角的差值确定下一步的处理方式，最终得到包括目标上升到搜索仰角时的探测时刻、探测距离和探测方位角的探测特征参量；对视轨迹簇中的其它各条视轨迹重复以上处理过程，得到所有虚拟目标对应的探测特征参量。
6.如权利要求5所述的空间碎片全时域激光探测的目标捕获和跟踪方法，其特征在于：所述生成一系列成组的搜索引导数据的过程具体如下：对于视轨迹簇{Γ
k
|
m，n
}中的一条视轨迹Γ
k
，对应虚拟目标上升到搜索仰角时的探测时刻、探测距离和探测方位角分别为t
k
，ρ
k
和A
′
k
，其中A
′
k
为连续化处理后的方位角，以t
k
为基点，利用基点上的已知参量ρ
k
，采用三次自然样条内插...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐劲，曹志斌，刘科君，杜建丽，马剑波，杨冬，
申请(专利权)人：中国科学院紫金山天文台，
类型：发明
国别省市：