天基光学观测的近地天体定轨与跟踪方法研究

发布时间：2017-10-09 03:08

  本文关键词：天基光学观测的近地天体定轨与跟踪方法研究

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【摘要】：近地天体的监测任务是行星防御的前提与基础,而跟踪定轨技术作为其关键组成部分得到了各大航天机构与国际学者的广泛关注,是目前航天领域的研究热点之一。与传统的地基观测系统相比,天基光学观测系统具有效率更高、天区覆盖范围更广等诸多优势,成为未来近地天体观测系统的重要发展趋势。本文以行星防御为研究背景,研究了天基光学观测的近地天体定轨与跟踪方法。论文主要工作如下:首先,研究了天基光学观测的近地天体跟踪定轨模型,并对近地天体的光学可见性进行了分析。根据天基光学测角信息的获取方式与特点,给出了相应的跟踪定轨流程;建立了近地天体的轨道动力学模型和光学传感器的观测模型,并分析了其它天体引力、太阳光压等摄动项的影响;并从空间几何、观测平台视场、极限星等、干扰光源等约束入手,分析了近地天体的光学可见性。其次,针对短弧初定轨观测几何较差、迭代不收敛等问题,研究了天基光学观测的初轨确定方法。考虑近地天体的日心二体能量约束及速度约束,将Gauss观测方程转换成约束优化问题,并给出了基于SQP算法的初定轨方法,在增强了轨道约束的同时,改善了收敛特性。在此基础上,为进一步提高初定轨精度,考虑利用短期连续密集测量数据改进观测几何,给出了一种基于同伦算法的初定轨方法,并对其初定轨性能进行了分析。再次,针对仅测角跟踪定轨存在的轨道漂移问题,研究了天基光学观测的跟踪定轨方法。在对天基光学跟踪定轨系统可观测性研究的基础上,考虑平台自主定轨的需求,给出了基于平方根EKF算法的天基观测单平台跟踪定轨方法。在此基础上,为进一步改善系统的可观测性,考虑多平台同步观测策略,给出了一种基于协方差交叉估计融合算法的联合定轨方法。最后,结合天基观测系统的发展趋势,考虑近地天体的观测需求,设计了基于地心轨道观测平台与月基观测平台、日地L2点Halo轨道等三种天基观测平台联合定轨方案,并分析了这三种方案对不同类型近地天体的跟踪定轨性能。
【关键词】：近地天体监测 天基光学观测 初轨确定 跟踪定轨
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V412.41
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 研究目的和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势12-18
• 1.2.1 近地天体观测系统发展现状12-14
• 1.2.2 近地天体初轨确定方法研究现状14-16
• 1.2.3 近地天体跟踪定轨方法研究现状16-18
• 1.3 论文主要研究内容18-20
• 第2章 天基光学观测的跟踪定轨系统模型20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 天基光学观测跟踪定轨流程20-21
• 2.3 天基跟踪定轨系统模型21-27
• 2.3.1 参考坐标系21-23
• 2.3.2 近地天体日心轨道动力学模型23-26
• 2.3.3 光学传感器的测量模型26-27
• 2.4 近地天体的可见性分析27-31
• 2.4.1 空间几何约束28
• 2.4.2 观测平台视场约束28-29
• 2.4.3 极限视星等约束29-30
• 2.4.4 干扰光源约束30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 天基光学观测的初定轨方法32-51
• 3.1 引言32
• 3.2 稀疏测量数据下的初定轨方法32-38
• 3.2.1 初值选取方法32-34
• 3.2.2 基于SQP算法的初定轨方法34-38
• 3.3 密集测量数据下的初定轨方法38-40
• 3.3.1 改进Laplace方法38-39
• 3.3.2 基于同伦算法的初定轨方法39-40
• 3.4 数值仿真分析40-50
• 3.4.1 基于稀疏测量数据的初定轨方法41-43
• 3.4.2 基于密集测量数据的初定轨方法43-44
• 3.4.3 误差影响分析44-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 天基光学观测的跟踪定轨方法51-66
• 4.1 引言51
• 4.2 光学测量跟踪系统可观测性分析51-54
• 4.2.1 系统可观测性分析51-52
• 4.2.2 系统可观测度52-54
• 4.3 天基观测单平台跟踪定轨方法54-56
• 4.3.1 基于平方根EKF算法的跟踪定轨方法54-55
• 4.3.2 状态方程及观测方程的线性化55-56
• 4.4 天基观测多平台联合跟踪定轨方法56-57
• 4.5 数值分析57-65
• 4.5.1 系统的可观测性分析57-60
• 4.5.2 天基观测单平台跟踪定轨方法60-64
• 4.5.3 天基观测多平台联合跟踪定轨方法64-65
• 4.6 本章小结65-66
• 第5章 天基光学观测的定轨方案设计与性能分析66-77
• 5.1 引言66
• 5.2 地心轨道多平台联合定轨方案66-70
• 5.2.1 方案设计66-67
• 5.2.2 定轨性能分析67-70
• 5.3 地心轨道与月基观测平台联合定轨方案70-73
• 5.3.1 方案设计70-71
• 5.3.2 定轨性能分析71-73
• 5.4 地心轨道与日地L2点联合定轨方案73-76
• 5.4.1 方案设计73-74
• 5.4.2 定轨性能分析74-76
• 5.5 本章小结76-77
• 结论77-78
• 参考文献78-83
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单83-84
• 致谢84

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