基于空频域信息的单星对星无源定轨与跟踪关键技术研究

论文摘要

随着电子对抗技术和航空航天技术的不断发展,空间信息获取及对抗在现代化的高技术战争中发挥着越来越重要的作用,从而,对空间信息系统载体——卫星的运动状态确定和跟踪就成了亟待解决的关键问题。鉴于采用天基平台对卫星目标进行观测可以不受大气、时间和国界的影响限制,并且单站无源的观测方式具有隐蔽性强、设备简单、作用距离远和适用范围广等优点,利用单颗卫星平台对卫星目标的无源定轨跟踪（单星对星无源定轨跟踪）技术研究就成为具有重要意义的课题。在总结单站无源定位技术和卫星轨道力学知识的基础上,论文对基于空域和频域观测信息的单星对星无源定轨跟踪所涉及的理论方法及关键问题展开研究。卫星运动建模是单星对星无源定轨跟踪研究的前提。在定义适当的坐标系统和研究相关卫星轨道理论的基础上,建立了卫星运动的力学模型和基于F/G级数的状态递推F-G模型。该模型以对二体运动的精确描述为特点,具有比其它近似递推模型更高的准确性。根据现有文献,综述了只测角单星对星无源定轨的可观测性研究,并引入完全可观测的结论。卫星运动模型的建立和只测角定轨可观测结论的引入,为后续研究奠定了基础。论文研究了只测角条件下和联合测角与测频条件下的单星对星无源定轨跟踪方法。基于前面给出的卫星运动模型,对单星对星无源定轨系统进行建模,继而提出基于准确状态模型的只测角单星对星无源定轨跟踪方法。接着,在只测角的基础上引入频率观测量,提出基于准确状态模型的联合测角与测频的单星对星无源定轨跟踪方法,显著提高了只测角定轨方法的精度和收敛速度。与已有的基于泰勒级数展开近似模型的方法相比,由于模型准确性更高,论文的只测角和联合测角与测频两种定轨方法具有更优的性能,且运算复杂度相当。论文接着研究了基于质点运动学原理的单星对星无源测距和定轨跟踪方法。针对单星对星无源定轨背景的特点,推导无源测距方程并给出具体解法,实现了单星对星无源测距。在此基础上,结合测距分解观测模型,提出一种基于运动学原理的单星对星无源测距定轨跟踪方法,可实现快速定位。进一步将径向速度观测量引入观测量集并直接参与递推滤波计算,提出基于径向运动信息的单星对星无源定轨跟踪方法。除具有收敛速度快的优点外,该方法还具有很高的定轨精度,可用于要求快速和高精度的无源定轨场合。然后,鉴于单星对星无源定轨跟踪问题的非线性本质和递推滤波算法对定轨的重要作用,论文对非线性滤波问题进行了研究。从函数解析近似的思路出发,分析了EKF（Extended Kalman Filtering）及其改进算法的性能特点,针对其不足,对基于Stirling插值多项式近似的差分滤波算法DDF（Divided Difference Filtering）进行了深入研究。根据单星对星无源定轨背景的加性噪声特点,提出一种适合实时应用的简化差分滤波算法SDDF（Simplified DDF）,降低了运算复杂度。针对单星对星无源定轨系统可观测性弱和观测误差大的问题,将最大似然迭代策略与DDF相结合,提出一种迭代差分滤波算法IDDF（Iterated DDF）。该方法迭代过程以似然概率增加为准则,在改善跟踪滤波精度和收敛速度的同时,算法稳定性也得到较大程度提高。本文系统地研究了基于空频域信息的单星对星无源定轨跟踪涉及的关键理论和技术问题,提出了相应的解决方法和结论,相关研究成果具有较强的理论意义和一定的工程意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 空间目标监视研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 单站无源定位研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 单星对星无源定轨跟踪面临的主要问题
• 1.4.1 系统建模
• 1.4.2 定位体制方法
• 1.4.3 非线性滤波算法
• 1.5 论文的主要研究内容和创新点
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 创新点
• 第二章 卫星轨道力学基础和卫星运动建模
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系定义
• 2.2.1 J2000.0 地心惯性坐标系
• 2.2.2 卫星站心测量坐标系
• 2.2.3 卫星站心参考坐标系
• 2.2.4 坐标系的相互转换
• 2.3 卫星轨道动力学基础
• 2.3.1 二体问题的运动微分方程
• 2.3.2 运动微分方程的解
• 2.3.3 二体问题下星历计算
• 2.3.4 卫星摄动运动
• 2.4 卫星运动建模
• 2.4.1 运动力学模型
• 2.4.2 运动状态模型
• 2.5 单星对星无源定轨可观测分析
• 2.6 小结
• 第三章 基于F-G 模型的只测角单星对星无源定轨跟踪方法
• 3.1 引言
• 3.2 系统建模
• 3.2.1 单星对星无源定轨跟踪系统空间几何关系
• 3.2.2 运动方程
• 3.2.3 观测方程
• 3.3 只测角单星对星无源定位原理
• 3.4 基于准确状态模型的单星对星只测角无源定轨跟踪方法
• 3.4.1 二体假设情况下只测角无源定轨跟踪方法
• 3.4.2 摄动情况下只测角无源定轨跟踪方法
• 3.5 定轨跟踪仿真实验和分析
• 3.5.1 不同定轨方法性能比较
• 3.5.2 各种因素对定轨精度影响分析
• 3.5.3 结论
• 3.6 小结
• 第四章 基于F-G 模型的联合测角与测频单星对星无源定轨跟踪方法
• 4.1 引言
• 4.2 系统建模
• 4.2.1 运动方程
• 4.2.2 观测方程
• 4.3 联合测角与测频单星对星无源定位原理
• 4.4 基于准确状态模型的单星对星测角与测频无源定轨跟踪方法
• 4.4.1 二体假设情况下测角与测频无源定轨跟踪方法
• 4.4.2 摄动情况下测角与测频无源定轨跟踪方法
• 4.5 定轨跟踪仿真实验和分析
• 4.5.1 不同定轨方法性能比较
• 4.5.2 各种因素对定轨精度影响分析
• 4.5.3 结论
• 4.6 小结
• 第五章 基于运动学原理的单星对星无源定轨跟踪方法
• 5.1 引言
• 5.2 单站无源测距运动学原理
• 5.3 二体假设情况下的单星对星无源测距
• 5.3.1 二体假设下单星对星无源测距方程
• 5.3.2 基于层次聚类法的测距虚假解剔除
• 5.3.3 单次测距误差分析
• 5.4 摄动情况下的单星对星无源测距
• 5.4.1 摄动情况下单星对星无源测距方程及其解
• 5.4.2 单次测距误差分析
• 5.5 基于运动学原理的单星对星无源测距定轨跟踪方法
• 5.5.1 系统建模
• 5.5.2 测距定轨跟踪方法
• 5.5.3 仿真实验和分析
• 5.6 基于径向运动信息的单星对星快速高精度无源定轨跟踪方法
• 5.6.1 系统建模
• 5.6.2 快速高精度定轨跟踪方法
• 5.6.3 仿真实验和分析
• 5.7 小结
• 第六章 基于函数近似的非线性滤波算法
• 6.1 引言
• 6.2 泰勒级数近似与EKF 算法
• 6.2.1 泰勒级数展开及随机变量的传递
• 6.2.2 EKF 算法
• 6.2.3 EKF 性能分析及改进方法
• 6.3 差分多项式近似与DDF 算法
• 6.3.1 差分多项式展开及随机变量的传递
• 6.3.2 标准DDF 算法
• 6.3.3 DDF 性能分析
• 6.4 SDDF 算法及其在单星对星无源定轨跟踪中的应用
• 6.4.1 简化原理
• 6.4.2 基于SDDF 算法的单星对星无源定轨跟踪
• 6.4.3 仿真实验和分析
• 6.5 IDDF 算法及其在单星对星无源定轨跟踪中的应用
• 6.5.1 迭代准则
• 6.5.2 基于最大似然概率准则的IDDF 算法
• 6.5.3 仿真实验和分析
• 6.6 小结
• 第七章 结束语
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 作者在学期间取得的学术成果
• 参考文献
• 附录A 线性组合系数F 和G 及其导数的导出
• 附录B 测距定轨法中观测误差方差矩阵的推导