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基于商业天地基光电监测数据的空间碎片短弧初轨确定试验

劳振迪 夏胜夫 刘磊 雷祥旭 桑吉章 赵有

劳振迪, 夏胜夫, 刘磊, 雷祥旭, 桑吉章, 赵有. 基于商业天地基光电监测数据的空间碎片短弧初轨确定试验[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2025.05.2024-0129
引用本文: 劳振迪, 夏胜夫, 刘磊, 雷祥旭, 桑吉章, 赵有. 基于商业天地基光电监测数据的空间碎片短弧初轨确定试验[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2025.05.2024-0129
LAO Zhendi, XIA Shengfu, LIU Lei, LEI Xiangxu, SANG Jizhang, ZHAO You. Experimental Study on Short-arc Initial Orbit Determination of Space Debris Based on Commercial Space-based and Ground-based Electro-optical Monitoring Data (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(5): 1-9 doi: 10.11728/cjss2025.05.2024-0129
Citation: LAO Zhendi, XIA Shengfu, LIU Lei, LEI Xiangxu, SANG Jizhang, ZHAO You. Experimental Study on Short-arc Initial Orbit Determination of Space Debris Based on Commercial Space-based and Ground-based Electro-optical Monitoring Data (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(5): 1-9 doi: 10.11728/cjss2025.05.2024-0129

基于商业天地基光电监测数据的空间碎片短弧初轨确定试验

doi: 10.11728/cjss2025.05.2024-0129
基金项目: 国家自然科学基金青年项目 (12403083), 山东省自然科学基金面上项目 (ZR2023MD098), 国家重点研发计划项目 (2020YFA0406500), 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院精密大地测量与定位全国重点实验室开放基金项目 (SKLGED2024-3-5) 和空间目标感知全国重点实验室2024年度开放基金项目 (STA2024ZCA0102) 共同资助
详细信息
    作者简介:
    • 劳振迪 男, 2000年9月出生于山东省滨州市, 现为山东理工大学就读硕士研究生, 主要研究方向为空间目标的机动探测、空间碎片监测. E-mail: 23507020866@stumail.sdut.edu.cn
    通讯作者:
    • 雷祥旭 男, 1989年1月出生于山东省泰安市, 现为山东理工大学测绘工程系讲师, 主要研究方向为空间碎片监测数据定轨编目等关键问题. E-mail: xxlei@whu.edu.cn
  • 中图分类号: V412.41

Experimental Study on Short-arc Initial Orbit Determination of Space Debris Based on Commercial Space-based and Ground-based Electro-optical Monitoring Data

  • 摘要: 随着国内空间碎片监测设备的不断增多, 如何有效利用大量观测数据以发挥商业航天的价值, 成为一个值得深入研究的重要课题. 利用中国商业航天公司的仰望一号天基观测数据和烛龙地基观测网的数据, 开展了地球同步轨道 (GEO) 目标和低地球轨道 (LEO) 目标的初轨确定 (IOD), 并通过两行轨道根数(TLE)作为已知值来估计初轨误差. 具体结果如下: GEO目标的观测弧长约为249 s, 初轨半长轴误差为84.4 km, 倾角误差为0.40°; LEO目标的观测弧长约为40 s, 初轨半长轴误差为26.0 km, 倾角误差为0.13°. 结果表明, 本文采用的初轨确定算法是可行的, 并展示了商业航天领域中天地基光电监测设备的巨大潜力.

     

  • 图  1  空间目标的数量变化

    Figure  1.  Number of objects in earth orbit

    图  2  不同类型空间事件数量及变化趋势(截至2023年, 以5年为时间段)

    Figure  2.  Number and trends of different types of space events (as of 2023, 5 year bins)

    图  3  星链卫星机动次数

    Figure  3.  Maneuvers of Starlink satellites

    图  4  天地基监测设备中的仰望一号卫星

    Figure  4.  Yangwang-1 satellite in ground based and space-based monitoring equipment

    图  5  天地基监测设备中的烛龙设备

    Figure  5.  Zhulong observatory in ground based and space-based monitoring equipment

    图  6  TLE格式示例

    Figure  6.  TLE example

    图  7  LEO目标的轨道分布

    Figure  7.  Orbital distribution of LEO objects

    表  1  近几年初轨确定方法及精度

    Table  1.   Initial orbit determination methods and precision in recent years

    方法 数据来源 精度统计
     基于改进Gauss方程的初轨确定新方法[17]  仿真观测数据. LEO, MEO, HEO和GEO各一条数据, 弧段长度分别为15, 120, 160, 180 s, 并分别增加5″的随机误差  半长轴误差分别为50.0, 15.0, 55.0和2.0 km
     光学短弧初轨确定的轨道偏心率判定方法[18]  仿真观测数据. LEO1和LEO2的弧段长度为120 s; MEO, HEO和GEO目标的弧段长度为240 s  LEO1, MEO, GEO轨道半长轴误差的均方根(RMS)值分别为55.9, 46.6, 150.2 km, 倾角误差的RMS分别为0.18°, 0.05°, 0.14°. LEO2和HEO半长轴误差的RMS分别为86.9和419.5 km, 倾角误差的RMS分别为0.16°和0.90°
     多约束初轨确定算法[19]  实测数据. 2021年5月15日中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站的GEO目标观测数据  弧长大于60 s时, 误差小于200 km的占比为93.6%; 弧长小于60 s时, 误差小于200 km的占比为65.8%
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    表  2  GEO目标信息

    Table  2.   Information of GEO objects

    目标编号目标名称发射时间国家近/远地点高度/km
    27954GALAXY 13 (HORIZONS-1)2003-10-01美国35781.6/35806.4
    42763ZHONGXING-9 A2017-06-18中国35912.1/35944.7
    45344BEIDOU-3 G22020-03-09中国35774.1/35813.9
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    表  3  GEO目标初轨确定文件及误差

    Table  3.   Initial Orbit Determination Arcs and Associated Errors for GEO Objects

    序号观测文件弧长/s误差
    半长轴/km偏心率倾角/(°)
    127954_1123062202.Dat29031.5–0.000120.48
    227954_1123062203.Dat29024.40.000260.55
    327954_1123062204.Dat27525.5–0.000070.52
    442763_1123061711.Dat90–115.10.000770.11
    542763_1123061712.Dat210–109.1–0.000320.23
    642763_1123061713.Dat275–112.6–0.000550.42
    742763_1123061714.Dat255159.9–0.000460.69
    842763_1123061715.Dat185–105.8–0.000550.40
    945344_1123061806.Dat29022.60.000060.23
    1045344_1123061807.Dat29024.20.000050.18
    1145344_1123061808.Dat29022.4–0.000150.02
    平均值24968.50.000310.35
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    表  4  LEO目标信息

    Table  4.   Information of LEO objects

    目标编号目标名称发射时间国家近/远地点高度/km
    1328EXPLORER 271965-04-29美国935.7/1305.6
    41240JASON-32016-01-17美国1339.2/1350.6
    46984SENTINEL-62020-11-21欧洲航天局1338.9/1350.8
    47764STARLINK-21822021-03-04美国390.7/392.5
    48621HAIYANG-2D2021-05-19中国951.7/966.4
    49414STARLINK-31462021-11-13美国545.8/548.0
    54754SWOT2022-12-16美国900.0/900.7
    54777STARLINK-54682022-12-17美国546.0/547.8
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    表  5  LEO目标初轨确定误差

    Table  5.   IOD errors of LEO objects

    NORAD ID弧段数量弧长/s轨道根数误差
    半长轴/km偏心率倾角/(°)
    1328239134.20.022130.12
    41240315117.10.001870.10
    46984214719.60.002020.12
    4776423016.10.002150.02
    48621113718.60.001580.14
    4941414413.50.002550.08
    5475464512.60.002360.14
    547771282.70.002060.03
    平均值9.44029.30.004590.09
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-10-17
  • 修回日期:  2025-04-28
  • 网络出版日期:  2025-04-29

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