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基于分段寻优的轨道异常检测方法

曹纪峰 杨晓华 王荣兰 喻圣贤 罗冰显

曹纪峰, 杨晓华, 王荣兰, 喻圣贤, 罗冰显. 基于分段寻优的轨道异常检测方法[J]. 空间科学学报, 2024, 44(5): 917-927. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0122
引用本文: 曹纪峰, 杨晓华, 王荣兰, 喻圣贤, 罗冰显. 基于分段寻优的轨道异常检测方法[J]. 空间科学学报, 2024, 44(5): 917-927. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0122
CAO Jifeng, YANG Xiaohua, WANG Ronglan, YU Shengxian, LUO Bingxian. Orbit Anomaly Detection Technology Based on Segmentation Optimization (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(5): 917-927 doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0122
Citation: CAO Jifeng, YANG Xiaohua, WANG Ronglan, YU Shengxian, LUO Bingxian. Orbit Anomaly Detection Technology Based on Segmentation Optimization (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(5): 917-927 doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0122

基于分段寻优的轨道异常检测方法

doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0122 cstr: 32142.14.cjss2024.05.2023-0122
基金项目: 国家重点研发计划项目(2020YFE0202100), 国家重点实验室专项基金资助项目和中国科学院重点部署项目(ZDRE-KT-2021-3)共同资助
详细信息
    作者简介:
    • 曹纪峰 男, 1997年10月出生于河南省周口市, 2022年毕业于三峡大学数学与应用数学专业, 现为中国科学院国家空间科学中心飞行器设计专业在读硕士. 研究方向为空间碎片建模与碰撞预警. E-mail: caojifeng22@mails.ucas.ac.cn
  • 中图分类号: V528

Orbit Anomaly Detection Technology Based on Segmentation Optimization

  • 摘要: 低轨巨型星座卫星的大量部署严重影响了低轨道卫星的运行安全, 及时发现其轨道异常意义重大. 以星链卫星星座为研究对象进行轨道异常检测,提出了一种基于轨道半长轴数据的改进轨道异常分析方法—分段寻优法. 该方法基于动态优化的思想, 通过对时间窗口内的半长轴数据进行随机分段, 根据每段数据的方差构造损失函数, 以总损失函数的数值大小为判别标准, 通过优化迭代方法得到使总损失函数最小的分段点分布, 得到的分段点即为检测出的异常点. 通过对大量不同数据的测试, 发现该方法对差分处理后的半长轴数据的异常检测效果最好. 利用2023年2月28日发射的星链卫星的TLE(Two-Line Element)数据和星历数据进行了实例验证, 结果证明该方法简单高效, 可以有效检测星座卫星的轨道异常.

     

  • 图  1  小波分析流程

    Figure  1.  Wavelet analysis

    图  2  小波变换层阶框架

    Figure  2.  Wavelet transform layer order framework

    图  3  基于TLE数据的迷你星链二代卫星异常点检测结果I (红色为算法检测到的异常点, 蓝色为正常点)

    Figure  3.  Anonmaly results I for Starlink V2 Mini based on TLE (Red indicates anomaly points detected by the algorithm, while blue indicates normal points)

    图  4  基于TLE数据的迷你星链二代卫星异常点检测结果II (红色为算法检测到的异常点, 蓝色为正常点)

    Figure  4.  Anonmaly results II for Starlink V2 Mini based on TLEs (Red indicates anomaly points detected by the algorithm, while blue indicates normal points)

    图  5  基于星历数据迷你星链二代卫星的异常点检测结果I (红色为算法检测到的异常点, 蓝色为正常点)

    Figure  5.  Anonmaly results I for Starlink V2 Mini based on Ephemeris data (Red indicates anomaly points detected by the algorithm, while blue indicates normal points)

    图  6  基于星历数据迷你星链二代卫星的异常点检测结果II (红色为算法检测到的异常点, 蓝色为正常点)

    Figure  6.  Anonmaly results II for Starlink V2 Mini based on Ephemeris data (Red indicates anomaly points detected by the algorithm, while blue indicates normal points)

    图  7  Starlink-30054卫星不同阈值下的检测结果

    Figure  7.  Detection results under different thresholds for Starlink-30054 satellite

    表  1  TLE数据的异常检测结果

    Table  1.   Anomaly detection results for TLE data

    异常点数量 变轨段数量
    程序计算 人工判断 漏检率 误判率 程序计算 人工判断 漏检率 误判率
    129 139 6.0% 9.1% 85 78 8.9% 10.2%
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    表  2  精密星历平根数的异常点检测结果

    Table  2.   Outlier detection results for precision ephemeris flat root counts

    异常点数量 变轨段数量
    程序计算 人工判断 漏检率 误判率 程序计算 人工判断 漏检率 误判率
    1855 1719 2.3% 6.7% 922 859 3.1% 6.1%
    下载: 导出CSV
  • [1] JOHNSON N L. Environmentally-induced debris sources[J]. Advances in Space Research, 2004, 34(5): 993-999 doi: 10.1016/j.asr.2003.02.029
    [2] PATERA R P. Space event detection method[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2008, 45(3): 554-559 doi: 10.2514/1.30348
    [3] KELECY T, HALL D, HAMADA K, et al. Satellite maneuver detection using two-line element (TLE) data[C]//Proceedings of the Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference. Maui: Maui Economic Development Board, 2007
    [4] 董云峰, 苏建敏. 利用小波分析识别空间目标的轨道机动[J]. 宇航学报, 2004, 25(2): 213-218 doi: 10.3321/j.issn:1000-1328.2004.02.019

    DONG Yunfeng, SU Jianmin. Detection of space target orbit maneuver by wavelet analysis[J]. Journal of Astronautics, 2004, 25(2): 213-218 doi: 10.3321/j.issn:1000-1328.2004.02.019
    [5] 杨旭, 刘静, 吴相彬, 等. 利用TLE数据分析LEO卫星轨道异常的新方法-综合判据法[J]. 空间科学学报, 2011, 31(2): 223-228 doi: 10.11728/cjss2011.02.223

    YANG Xu, LIU Jing, WU Xiangbin, et al. New method to analyse the orbital abnormal of LEO satellite using TLE data-compositive criterion[J]. Chinese Journal of Space Science, 2011, 31(2): 223-228 doi: 10.11728/cjss2011.02.223
    [6] 王荣兰, 刘卫, 刘四清, 等. 一种基于TLE数据的轨道异常分析方法[J]. 空间科学学报, 2014, 34(2): 208-213 doi: 10.11728/cjss2014.02.208

    WANG Ronglan, LIU Wei, LIU Siqing, et al. An orbital anomaly analysis method based on TLE data[J]. Chinese Journal of Space Science, 2014, 34(2): 208-213 doi: 10.11728/cjss2014.02.208
    [7] 张涛涛, 白显宗, 郝嘉, 等. 基于预报偏差的LEO航天器轨道异常检测[J]. 中国空间科学技术, 2012, 32(5): 40-46,68 doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2012.05.007

    ZHANG Taotao, BAI Xianzong, HAO Jia, et al. LEO spacecraft orbit anomaly detection based on prediction dispersion[J]. Chinese Space Science and Technology, 2012, 32(5): 40-46,68 doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2012.05.007
    [8] LI T, CHEN L. Historical-orbital-data-based method for monitoring the operational status of satellites in low Earth orbit[J]. Acta Astronautica, 2018, 151: 88-94 doi: 10.1016/j.actaastro.2018.06.010
    [9] LI T, CHEN L. Space event detection method based on cluster analysis of satellite historical orbital data[J]. Acta Astronautica, 2019, 160: 414-420. doi: 10.1016/j.actaastro.2019.04.038
    [10] 刘劲宏, 吴晨韵, 徐劲, 等. 基于期望最大算法的空间事件及异常值探测[J]. 空间科学学报, 2022, 42(6): 1185-1192 doi: 10.11728/cjss2022.06.211124123

    LIU Jinghong, WU Chenyun, XU Jin, et al. Space event and outlier detection based on expectation maximization algorithm[J]. Chinese Journal of Space Science, 2022, 42(6): 1185-1192 doi: 10.11728/cjss2022.06.211124123
    [11] LIU Wei, WANG Ronglan, LIU Siqing, et al. Analysis of satellite drag coefficient based on wavelet transformation[J]. Journal of Astronautics, 2015, 36(2): 142-150 (刘卫, 王荣兰, 刘四清, 等. 基于小波变换的卫星阻力系数分析[J]. 宇航学报, 2015, 36(2): 142-150
    [12] TRUONG C, OUDRE L, VAYATIS N. Selective review of offline change point detection methods[J]. Signal Processing, 2020, 167: 107299 doi: 10.1016/j.sigpro.2019.107299
    [13] JACKSON B, SCARGLE J D, BARNES D, et al. An algorithm for optimal partitioning of data on an interval[J]. IEEE Signal Processing Letters, 2005, 12(2): 105-108 doi: 10.1109/LSP.2001.838216
    [14] PEBAY P P. Formulas for robust, one-pass parallel computation of covariances and arbitrary-order statistical moments[R]. Albuquerque: Sandia National Laboratories, 2008. DOI: 10.2172/1028931
    [15] TUKEY J W, MCLAUGHLIN D H. Less vulnerable confidence and significance procedures for location based on a single sample: Trimming/Winsorization 1[J]. Sankhyā: The Indian Journal of Statistics, Series A (1961-2002), 1963, 25(3): 331-352
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-01
  • 修回日期:  2024-03-01
  • 网络出版日期:  2024-05-22

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