有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法及系统，首先建立考虑J2项摄动的地心引力与大气阻力摄动的状态运动模型，然后利用经过快速微分迭代方法改进的粒子滤波算法，通过短弧段观测的结果对空间碎片的弹道系数进行预估，进一步将预估结果代入状态方程中进行轨道外推预测，大大提高了真实空间碎片轨迹准确性，并且考虑地心引力与大气阻力摄动对轨道外推的影响。气阻力摄动对轨道外推的影响。气阻力摄动对轨道外推的影响。

【技术实现步骤摘要】
有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及空间碎片的运动参数预估与轨道预报
，具体为一种有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法及系统。

技术介绍

[0002]由于空间碎片不断增加,空间环境变得高度拥挤,这严重威胁着在轨航天器的运行安全。同时，高精度的空间碎片动力学模型是空间碎片的轨道预报的基础。在空间碎片轨道预报中，由于空间碎片轨道大气密度以及空间碎片面质比参数未知，空间碎片的弹道系数难以准确求解，其轨道预报严重依赖于地面站的观测数据。为了对空间碎片进行观测，全世界建立了各种各样的空间碎片监视与观测系统。通常这些系统只能实现局部观测，同时这样成建制的空间碎片观测系统耗资巨大。受限于有限的地面观测资源，很难实现对多个空间碎片进行实时跟踪，因此需要通过有限的观测数据对空间碎片的运动参数进行预估，进而实现精确的轨道外推来降低长时间轨道预报对地面站观测数据的依赖。对于受到地心引力与摄动力影响的空间碎片而言，可以通过对其状态信息进行滤波与预估其弹道系数的方法来实现对于空间碎片的长时间的轨道外推。虽然我国目前已经着手对地面雷达监测网进行建设，但对大量的空间碎片还是很难安排资源进行跟踪测量，因此进行高精度的短弧段观测计算具有一定实用价值。
[0003]近地轨道空间碎片的绕轨运动通常会受到地心引力与大气阻力摄动的影响，这些摄动可以通过空间碎片的面积、质量、大气阻力系数、轨道高度、大气密度等信息进行求解。但通常地面基站只能对一段时间内目标的状态位置信息进行观测，未知系数存在的情况下，使用短弧段的观测数据无法进行考虑地心引力与大气阻力摄动的轨道外推，与真实空间碎片轨迹误差较大。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法及系统，以克服现有技术中无法考虑地心引力与大气阻力摄动的轨道外推，与真实空间碎片轨迹误差较大的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法，包括以下步骤：
[0007]S1：获取空间碎片信息，并建立空间碎片状态模型；
[0008]S2：对空间碎片信息进行粒子初始化；
[0009]S3：获取初始化后的粒子的状态均值，并推演粒子的状态均值在下一时刻的状态；
[0010]S4：通过差值表示其他粒子与均值粒子之间的关系，进而对所有粒子的下一时刻状态进行求解；
[0011]S5：计算下一时刻每个粒子在所有粒子中的权重；
[0012]S6：对粒子进行重采样，并获取重采样粒子的权值；
[0013]S7：在固定的时间内重复S3
‑
S6，根据重复的多次计算的结果，获取收敛的弹道系数；
[0014]S8：将收敛的弹道系数代入空间碎片状态模型，获得轨道的外推时间，根据轨道外推时间对轨道进行外推。
[0015]优选地，S1中采用单站短弧段雷达对空间碎片进行观测，获取空间碎片信息。
[0016]优选地，S1中的空间碎片状态方程为：
[0017][0018]其中为状态的变化量，f(x)为状态方程：G为噪声参数矩阵，w为噪声矩阵。
[0019]优选地，S2对对空间碎片信息进行粒子初始化具体为，设t0时刻目标真实状态表示为X0，观测状态表示为Z0，对初始值进行粒子初始化，设粒子个数为N，且服从高斯分布，t0时刻粒子群表示为
[0020]优选地，S3中采用重要性函数推演粒子的状态均值在下一时刻的状态。
[0021]优选地，S4中通过JT算法，求解所有粒子在下一时刻的状态，具体为，首先，求解多个采样点的状态均值，并采用差值的方法表示其他的粒子与均值粒子之间的偏差，之后对多个采样点的状态均值进行非线性求解，对偏差值采用半解析方法进行求解，得到下一时刻所有粒子与下一时刻均值粒子的偏差。
[0022]优选地，S5中对每个粒子在所有粒子中的权重值进行归一化处理。
[0023]优选地，S6中粒子重采样采用随机采样、系统采样、残差采样或多项式采样。
[0024]优选地，S8中采用四阶龙格库塔积分进行运算，实现基于弹道系数的空间碎片轨道外推。
[0025]有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测系统，基于一种有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法，包括：
[0026]信息获取模块：用于获取空间碎片信息，并建立空间碎片状态模型；
[0027]初始化模块：用于对空间碎片信息进行粒子初始化；
[0028]状态获取模块：用于获取初始化后的粒子的状态均值，并推演粒子的状态均值在下一时刻的状态；
[0029]状态求解模块：用于通过差值表示其他粒子与均值粒子之间的关系，进而对所有粒子的下一时刻状态进行求解；
[0030]权重计算模块：用于计算下一时刻每个粒子在所有粒子中的权重；
[0031]重采样模块：用于对粒子进行重采样，并获取重采样粒子的权值；
[0032]弹道系数获取模块：用于在固定的时间内重复观测，根据多次观测的结果，获取收敛的弹道系数；
[0033]轨道外推模块：用于将收敛的弹道系数代入空间碎片状态模型，获得轨道的外推时间，根据轨道外推时间对轨道进行外推。
[0034]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供了一种有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法，首先建立考虑J2项摄动的地心引力与大气阻力摄动的状态运动模型，然后利用经过快速微分迭代方法改进的粒子滤波算法，通过短弧段观测的结果对空间碎片的弹道系数进行预估，进一步将预估结果代入状态方程中进行轨道外推预
测，大大提高了真实空间碎片轨迹准确性，并且考虑地心引力与大气阻力摄动对轨道外推的影响。
[0035]同时本专利技术提供了一种有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测系统，能够实现上述方法，提高了真实空间碎片轨迹准确性。
附图说明
[0036]图1本专利技术空间碎片在地心惯性坐标系与地面站地平坐标系中的位置关系。
[0037]图2传统蒙特卡洛打靶法分析过程。
[0038]图3不确定参数快速演化算法思路。
[0039]图4传统粒子滤波算法流程图。
[0040]图5JTPF算法流程图。
[0041]图6本专利技术一种有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法流程图。
具体实施方式
[0042]下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0043]本专利技术提供一种有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法及系统，首先考虑含J2项摄动的地心引力与大气阻力摄动对空间碎片运动的影响，结合轨道动力学模型，搭建出近地轨道空间碎片系统状态方程。然后利用经过快速微分迭代方法改进的粒子滤波算法，通过短弧段观测的结果对空间碎片的弹道系数进行预估，进一步将预估结果代入状态方程中进行轨道外推预测。本专利技术具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：获取空间碎片信息，并建立空间碎片状态模型；S2：对空间碎片信息进行粒子初始化；S3：获取初始化后的粒子的状态均值，并推演粒子的状态均值在下一时刻的状态；S4：通过差值表示其他粒子与均值粒子之间的关系，进而对所有粒子的下一时刻状态进行求解；S5：计算下一时刻每个粒子在所有粒子中的权重；S6：对粒子进行重采样，并获取重采样粒子的权值；S7：在固定的时间内重复S3
‑
S6，根据重复的多次计算的结果，获取收敛的弹道系数；S8：将收敛的弹道系数代入空间碎片状态模型，获得轨道的外推时间，根据轨道外推时间对轨道进行外推。2.根据权利要求1所述的有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法，其特征在于，S1中采用单站短弧段雷达对空间碎片进行观测，获取空间碎片信息。3.根据权利要求1所述的有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法，其特征在于，S1中的空间碎片状态方程为：其中为状态的变化量，f(x)为状态方程：G为噪声参数矩阵，w为噪声矩阵。4.根据权利要求1所述的有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法，其特征在于，S2对对空间碎片信息进行粒子初始化具体为，设t0时刻目标真实状态表示为X0，观测状态表示为Z0，对初始值进行粒子初始化，设粒子个数为N，且服从高斯分布，t0时刻粒子群表示为5.根据权利要求1所述的有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法，其特征在于，S3中采用重要性函数推演粒子的状态均值在下一时刻的状态。6.根据权利要求1所述的有限观测下空间碎片弹道系数识别与轨迹预测方法，其特征在于，S4中通过JT算法，求解所有粒子在下一...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙冲，张子俊，张力军，方群，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：