空间碎片轨道预报误差修正方法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 陶虎 |
| 答辩日期 | 2025-07-01 |
| 文献子类 | 硕士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 李祝莲 |
| 关键词 | 激光测距 空间碎片 时间偏差 轨道预报 |
| 学位专业 | 天体测量与天体力学 |
| 其他题名 | Research on Correction Methods for Space Debris Orbit Prediction Errors |
| 英文摘要 | 自20世纪50年代前苏联首次发射Sputnik-1以来，人类发射航天器的速度不断加快，随之也产生大量空间碎片。分布在不同轨道的航天器和空间碎片拥挤在太空环境中，随时都有相互碰撞的风险，对空间环境安全和人类生命安全存在巨大威胁。因此，获取高精度空间碎片测量数据对空间碎片高精度定轨、碰撞预警和清除等技术问题具有重要意义。激光测距技术是目前精度最高的空间碎片观测手段，然而因现有空间碎片轨道预报TLE（Two Line Elements）误差较大且大多空间碎片不带激光角反射器，使得空间碎片激光测距跟踪不稳定且成功率较低。为提高空间碎片激光测距成功率和解决目标持续稳定跟踪问题，论文基于激光测距系统研究空间碎片轨道改进方法，主要研究成果如下：第一，本文提出将预报方位角-俯仰角时间序列作为整体计算时间偏差的方法，并使用该方法对三颗卫星时间偏差进行了仿真计算。选取三颗具有 SP3精密轨道数据的低轨卫星（Starlette、Larets、Lares），以SP3数据为标称轨道，将TLE数据转换为观测站方位角-俯仰角数据后与其进行对比。理论计算显示，Starlette、Larets、Lares三颗卫星经时间偏差修正后，视位置偏差较初始偏差值分别减少51.7%、76.0%和95.0%。 第二，使用中国科学院云南天文台1.2m望远镜的空间碎片激光测距系统对时间偏差修正法进行实验验证。实验前，通过构建昼夜独立的23参数指向模型，夜晚指向模型方位轴拟合残差（RMS）约为3.85''，俯仰轴拟合残差（RMS）约为1.06'';白天指向模型方位轴拟合残差（RMS）约为3.17''，俯仰轴拟合残差（RMS）约为2.16''，有效提高了望远镜在全天区的指向精度。实验通过分析目标首次进入视场、视场中心时刻以及时间偏差修正后的方位角与俯仰角，计算空间碎片相对于视场中心的方位俯仰偏差及时间偏差修正后的视位置偏差修正量，从而评估时间偏差修正对空间碎片位置预测精度的提升效果。实验结果表明，针对179圈空间碎片跟踪数据的分析，时间偏差修正后方位角偏差平均降低了83.5%，俯仰角偏差平均降低了79.8%。针对37个不同目标的跟踪结果分析显示，部分空间碎片的时间偏差呈现正负分布特性，该特性可为地影区域空间碎片提供有效的搜索策略，从而提升激光测距成功率。此外，修正时间偏差后，目标跟踪的稳定性显著优于仅校正方位/俯仰偏差的情形。进一步分析表明，对于近圆轨道目标（近地点与远地点高度差小于15 km），时间偏差修正量的均值为59.5ms，明显小于椭圆轨道目标的平均值（80.9 ms），说明轨道形状是影响时间偏差的关键因素之一。第三，提出基于机器学习的TLE轨道预报偏差修正方法。构建了基于深度多层感知机（MLP）的轨道预报误差修正模型，利用中国科学院云南天文台1.2m望远镜实测数据进行训练与验证；针对模型训练中出现的验证集损失函数下降不显著问题，创新性地提出了空间碎片分类建模策略，有效提升了模型性能；实验结果表明，优化后的 MLP 模型对典型空间碎片22566和24277的方位角与俯仰角预测精度分别达到0.36''、0.13''和0.61''、0.63''。综上所述，本研究提出的时间偏差轨道误差修正法和机器学习轨道误差修正法可显著提升空间碎片位置预测精度，降低视场内位置偏差和空间碎片与测站间的距离偏差，为稳定跟踪空间碎片提供方法支持，并提高激光测距成功率。时间偏差修正方法不仅可提升晨昏时段空间目标跟踪稳定性，还可拓展至白天，尤其对地影区特定空间碎片，可利用时间偏差规律优化搜索策略，提升搜索效率并避免盲目搜索。 |
| 学科主题 | 天文学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 0 |
| 源URL | [http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/28952]  |
| 专题 | 云南天文台_应用天文研究组 |
| 作者单位 | 中国科学院云南天文台 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陶虎. 空间碎片轨道预报误差修正方法研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：云南天文台
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