（信息与通信工程专业论文）空间轨道目标分类编目技术研究.pdf

国防科学技术人学研究生院学位沦文 摘要 奉史舟分析宁n l ji - 1 标的动，j 学特性、雷达电磁散荆特性的堆础卜，麻 川m 参数统计学的随机游羊晕检验理沦和多样本枪验理论衲步实现了刘低轨 ( 1 e o ) l j j 一的分类，与此嗣时，采j i 】o r a c i e 7 关系数抓j 乍符i 小系统外发了 ，一f , jf | 标数捌j 乖僻删系统，外实现了窄1 1 1 jf f 标分类软件、，裔的，i ：发。小史 还刈厶型塑的塾堂丛复娑j j ：了有意的探讨，提了短数槲段情况一ff 门提 ，确；ti i 艰轨道根数粘度的改进算法。 关键字：目标分类数据库卫童( 轨道 里堕型堂垫查盔堂婴茎尘堕兰堡垒塞 a b s i r a c i 1 3 ；l s ( j do na n a ly s is0 fs p a c et a r g e t sc h a r a c t c r is t i c sin d y n a m i c s a n d( 、ie c tf o m a g n ol ics c a t t e r in g o nn arf o w b a n d r a d a r s ，t h i s ( j iss ( 叩1 1 1i f i m p le 1 1 1 c 1 1l e 【j c 1n ss i l 、ic nl i0 n0 fl o we a rl ho r b il ( i , e o ) s al ej iil e s b y m e a r so fr u n st e s ta n dm u ll i s a m p le te s tinn o n p a r a m e t e rs t al is t ic s tt h e s a m et i m e ，w eu s e do r a c l e 7r d b m st 0 d e v e l o p a s p a c et a r g e t d a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m a n da c ia ss if 。ic a t i0 n s o fl w ar e p l a t f o r m t h i s d is s e rl a l ，i0 na 1s 0 d is c u s s e dt h em e t h o d0 fc a lc u l al in gm a n m a d e s a t e l l i t eo r b j t p a r a m e t e f sa n di m p r o v in g it sa c e u r a c yw iths h o t td a t a k e y w o r d s ：t a r g e t c l a s s i f ic a t io nd a t a b a s es al e l1 il e o r b i t 第页 国防利学技术人学i i j 究! i 二院学位论文 第一章绪论 1 _ 1 研究背景和意义 随着7 1 jq f 航天技术的发展，军事l ! 星作为空问支援年空| 1 1 j 力最增强的信息秋 取、处川! 、传输i 卜f ，订i 以信息r 1 浅为核心的未来商技术，饯争t i ，起着关键e f ：f 1 ：川：特 则是花坝警、通信、侦察、成像、导航定能、海洋嗡视、跟踪与数据t l t 继、气裂等 乃i f i 儿仃无町雒代的优势。此 界l 择发达旧家方而不断提高j ci i 糙的刈地 探测、侦察等能力，另方i f i i 为了避免l _ ：= l 身f 内蘑耍h 标被侦察到，对窄m e l | | ，j ；的 蚧视技术研究出越柬越受到币视。早在六、七l 一年代美苏两i 刊就已丌展r 窄n j | i 标 洲系统f 由技术研究。总的来说，监洲系统的功能包括( 如图1 1 所示) ：探测 嗣i 。r 踪1j 艰、分析t 手l | 处弹获取的信息、确定i 铂! 的轨道和特征参数，如质帚、形状、 功能及 c 它光学特自f ：等：同时，1 j 星临测系统神佣h 时期干l ir 浅时必须能够典时地刈 中n i j l l 怕；进 r 舱视、跟踪年i ! ! ) l j ，掌擗和典提供空i i h j h 标态势，以便相：必耍州刈 危险的，孙f j | l 标作反j 电。如1 9 9 8 印5j jl ：j | 印度躲过荚i j 足的侦察进行r 多 次核实输，就足i i ij 【= j j 度的航天测量系统提供r 准确的情报信息。 图i 1 窄m h 标临视系统功能框图 ，j 外随着进入守州的人造物体不断增加，空f i i j 碎j 0 数鞋也斗成增加，碰掠 次数与| | 俱增，空问碎j l 问题越来越引起人们的关注，为了保障空州轨道目标的安 个和适应未来窄问发展的需要，空问轨道目标分类编日技术研究受到符发达阁家广 泛藏视。r 现代需达技术及信号处理技术的发展使得列空f f l j 轨道h 标的分类识别 摄：至成像成为可能，闺外在这方面已取得了众多研究成果，我困存这领域起步 较晚，这卜要是受需达技术及桐关窄问监测技术发展的限制。从众多的文献资料一j 以肴忆除了雷达技术和信号处理技术以外，应用于空问轨道目标识别的另项关 键技术足数掘席技术，这j ：耍是“1 1 i 数抓席- l t 所存储的空问l l 标的轨道信息、姿态 信息、光测信息电磁特征信息等对于发现新目标和识别已有目标起着举足轻重的 第1 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 作j f j 。此，随着螋先进雷达技术舀国内的现，把国内外雷达日标电磁敞刖特 。陀研究成果与现代信号处理技术、数掘库技术结合起来，寻找一条有效的技术途径 以实现划，产m 轨道目标的崎测投分类u 别具有重要的理论意义尤其是剥j 二我网未 来载人航天事q k 的发展和保障空m 轨道目标的安全等具有重要的现实意义。 j 其它窄m 观测传感器( 如光学传感器、无线咆侦测手段) 相比，雷达具有令 尺候、反应速度快、覆盖空域人等优点，因此，窄问崎测雷达在空间临测系统一t t n1 ：址轻咂f f , j 地位。关围的i ! 与a 视系统拥有儿l 部空削峪测需达和光i 乜i 殳稀，建 、r 个球i | l 视网匕实现了商艘的网络化和n 动化，小同霄达站的信息通过通信删 络传输，r | 1 心数据处理是箍rl j n ix 操作系统丌发的，具有高度自动化的人机交f i 接ii ，柯关分类、谚 别算法均已高度集成，一般f ；需人的参与；如少数情况f 需操 f 1 ：人员介入时，可以控制备雷达自动实时对窄问f 1 标特征数掘进行采集，特钲数扪 经恻络传输至数据处s ! l ! ，1 1 心，操作人抛u 力便地进行分牛j i 。 发f 向 ( ；i ) s s ( ( ；r o u n db a s e d f i le c t r ic o p l c a l d e e ps p a c es u r v e j a n c e ) ”引系统的谚 刖软什商达4 0 月条语句。国外先进国家山j ：j 1 展空m ：l 标监视系统研究较1 l ，j 占 j i 窄一黔甭达宅f n l 目杯i ： 别系统的丌发技术已较成熟。我国的相控阵雨达技术，特j 足念仃源年| 1 捧f 卿：技术i 二! _ 取得丁i 受足的进步和突破r i ：进展；川控阵镶达宽带维距 离成像和j 维l s a r 成像技术也已l 蚁千 j 了突破。这为窄n i j 门标i 斤达分类、谚 别技术 州究提供了物理技术基础。为适应未来航天事、l k 的发展及空间监测的需要， 展窄 闻轨道| = _ l 标分类编圈技术的研究已刻不容缓。 1 2 空间目标的轨道特性及动力学特性简介 1 2 i 空问目标的轨道特性 审州i i 标i - ：要是在地球引力作用f 运动，如果把地球当作形状舰则、密j 叟均匀 的f 卜球休，并忽略所有其它力学因素( 如大气f ；i 力、太阳光匝和地球潮汐力等) 的 影l 嘲，则门标与地球运动就构成个一! 体系统。在这个二体系统i 1 ，研究f _ i 标围绕 地球神：j 订引力作刚f 运动的卿沦，称为一体n d 题】1 ：顿的j 有引力定律和j r 普 劝i 大定律是汁算空问f 1 杯运动轨道的理论基础，根据这些定律可以导出窄闸 标 返 j ：的轨道参数。 在休问题t 1 1 f | j 丌普勒定律可知，空间目标严格按照椭圆轨道运行，地球位 j 椭劂焦点之：要确定此椭圆的形状和大小，需要两个参数，即椭劂的长、f - 象l la ， 发其偏心率e 。射外，耍确定任意时刻空州h 标在轨道】：的位置，需要个与州 第2 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 t r l j 柏关的参数：甲近点角m = n ( t 一，。，+ m 。( 其一1 1 = 2 7 r 7 1 为i i 星的、f 均j 速度) 。 参数a ，e 硐f m 能唯一地确定h ；窄州目标轨道的形状和大小以及空问h 标在轨道l ： 的瞬州俯胃。如果要进步确定 窄俐r 标轨道平丽在地心赤道坐标系中的方f 门和 似。阿，i j 需要知道窄m 日标轨道甲而! j 地球赤道r 面的倾角i ，升交点赤经q 和近 地点角斟；。以l ：6 个参数完余确定了空f f i 】斟标的何置，这6 个参数称为轨道参数 或轨道根数( 如图l2 和13 所示) 。 远地点 赤道 泰分t ；j j 近媳如 图1 2 空间目标的轨道参数 f 点轨迹 i 星轨道 轨道外切慨i ) 一 、s ? ”删陛 爪 旷z 撼点 k椭圆c 0 地心 近地 | 中心 妊 、 图1 3偏近点角e 与真近点f 的关系 第3 页 h i 圻利 技术人学删f 究! i 院似论史 a ：轨道椭网的k 、i ，轴： 。：轨道椭啜i 的偏心率。 以卜1 1 ) ：i 个参数确定了轨道椭圆的形状和大小。 i ( 0 i 口) ：轨道倾角，即空间目标轨道i f 衙与地球赤道s f 面之间的央角： n ，( 0 m 2 n ) ：近地点辐角，即在轨道、i ，i f i il 升交点与近地点之m 剥地心的 张f j ； 以i i 阳个参数确定了空m | i 标轨道r i f i i 与地球之削的十列位胃。 2 ( 0 q 2 ”) ：引交点赤径，即在赤道i r f i j 卜升交点与春分点之间的地心央们， ，| 交点是窄i h jf i 标 _ _ | 南阳北运i 州寸，其轨道与赤道i f i i 的交点； m ：、1 7 近，囊角，一个j 真l ! 越轨道埘期f l l 川的假想u 星，0 ：卜越轨道椭圳的 外功圳f 作匀速运z 办，稚 涮。时刻f ，离”迈地点的地一心张角。符真一的偏近，、i 、i f j 为e ，则m = e e s i ne = n ( t t 。，+ m 。图1 2 示出了平近点角m 与偏近点f f | e 、舆进近点角，_ 的关系。 f j f 以j ：分析看；，h 知道了捕述空问f j 标运行的6 个轨道参数，就f ，j 以计算 ，川标神：仃4 时刻的何胃。莉：这6 个参数小，只有i f 近点角m 是叫问的甬数， j e 余均为常数。 1 - 2 2 空间目标的动力学特性n 根捌窄f i i j l l 标礼! 轨道 ：的运动姿态是作门旋运动还是十h 刘静i l ：，n j l 爻：分为门旋 和7 l 旋两种| i 同类耻。轨道i ：窄n uh 标的姿态控制，可以采川被动和卜动两种稳 定、r 衔方法来实现。利用地球磁场剥运动星体产 1 - 的磁力矩作用维持稳定是种被 动稳定办案：j ：动稳定方法是利j f j 山敏感器、控制器和力矧i 器组成的i ：动控制系统 束控制，问目标的姿态。列广泛用丁近地空问科学试验的卫星和大多数新型i j 星， 部装有卜动嘲姿控制系统。n ! 常1 。作1 j 星都有姿态和轨道控制能力，轨道控制是列 i i 艟施以外力，有 1 的地改变其质心运动轨逊f 轨道) 的过程；姿态控制是获取并保 持神窄m 定向的过程：如u 足对地进行通信或观测，天线或遥感器要指向地而 i ，j i ，l ；进行轨道控制时，发动机要剥玳所要求的推力方向：i j 星订入大气层时， 要求制动防热丽对准迎面气流等都要使星体建屯和保持一定的姿态。 影响空间目标轨道运动的因素。实际空n u 扫：1 ：仪受到一i 心力仃0 力支配，i n j 1 i 叮避免地受到其它外力的扰动，诸如：地球万有引力场偏离中心引力场、残余 人7e f ；f 【尼、太f j f i 和月球的万有引力、电磁场作用力、太阳光压、流星的撞击等。衲； i i 述符剃r 扰动素巾，哪种是- l 要因素则视1 ：州条件而定：空问q 标轨道接近地球 第4 页 国防科。牛技术人学i i j f 究生院譬化沦文 叫，地球i j l 力场偏，j 平人7 i m 尼为1 i 喽扰动| i = | 素，划j ：远离地球的轨道，则j e 它人 体引力和太m 光j k 的影响更为严币。对长期摄动的汁算表明，列低轨空州h 标，地 球扁率4 ：影响轨道的几何形状，只引起轨道平面的转动：大气阻力不影响轨道平而 的方位和近地点位置，但引起能量耗散，使轨道半轴参数和偏心率e 不断变小，影 i 响轨道寿命；大气珊l 力大小是目标尺寸、形状和质量的函数。 影响空间目标姿态运动的因素：刘低轨道空m l i 杯，影i 棚j 姿态运动的1 要仃 j 有引，j 神i 大气阻力、太阳光j = i i 引起的摄动。轨道上的审问目标是接近f 龙外力矩 作川1 的e j 体，所以任何微小力矩的持续作用，对空间目标的姿态运动将会产生i 蚰 鼢的影i 响。仟物体的承心定义为：假设物体的质景集中存某点，如果此时物体 受到的重力作用与分斫i 质鞋+ 样，则这点的位置就是重心的位霄。i u 以证明，啦 心存物体内部位胃不是个固定点，而决定于物体的姿态和高度，对1 。 f 刚性物体 更如此。对具有定尺寸的窄问目标，山了i 其质心和重心是不重合的，其质心位胃 仅仅是其质量分佰的特性。空问目标姿念动力学巾定义引力梯度矩为：引力场中物 体内器质点f j - 所受引力的差别丽列物体质心，“+ 化的力矩。如把空f i i je i 标近似为刚 体，则引力梯度矩有如f 性质：一、引力梯度矩的值是随高度而减小的：、引，j 梯度矩的值j 空1 9 jm 标的质量分夼有关：_ i ；f 力梯度矩的值j 窄州i l 标的j 他伯： 仃关。问i ，标的轨道高度通常存距地面1 2 0 公靼以l ，在这样高度f ：，人气i i 常 稀薄，以今0 i 能视作连续介质；这州人7e 财空问1 1 标的作朋应看作离散的粒f - 作川， 商层人4 e 密度与轨道高度7 r 关，i 随太刚活动和地磁场的扰动而变化。高度在8 0 0 公。社以f 的轨道l | 1 ，气动力矩是空问目标的重要干扰源。 1 3 论文主要内容 本文以国家8 6 3 资助项目“相控阵雷达空间轨道目标识别技术”为研究出发点， 深入丌展窄l 口j 日标的雷达分类及编目技术研究。 第二章详细分析了基于窄带雷达的空间轨道目标分类技术：酋先分析了窄问轨 道h 标的窄带雷达特征，然后针列低轨空问f i 标的轨道和姿态特性，详细地研究了 低轨道空mm 标的分类方法。 第i 啦研究了窄问f 】屉轨道根数的估计疗法：根折：某。段州问的雨达观测数据 蕾u 步确定i i 埋的六个轨道根数。山】：轨道根数是卫星的攮本特征参数之一，因此， 轨道根数的确定足基于日标数据库进行分类的基础。 第旧章探讨了窄问埒标编目与窄带雷达c j 别软件r 台，i ：发技术：窄问| i 标的跟 踪与测量、分类与识别等过程均离不丌数据库的支持，本章根据空问目标分类编目 第5 页 一里堕型! ：垫查叁兰竺窒尘堕堂垡堡苎 的史际需求r 进行数据席的逻辑和物卵没训，丌发_ 个窄f 丌j 订标数据席系统：j f 从第二章分析的目标分类算法出发，基于v i s u a lc + + 语言丌发f 了一个具有友好界 面的窄带雷达空间f 1 标分类软什i f 台。 百i 贡一 国防科学技术人学研究生院学位论文 第二章低轨目标分类方法研究 窄刊il j 休制的i l i 达川j ：刘窄f , i j ii 标的观测i 可以实现如卜的测量功能：枪测和 跟踪f i 标，提供f i 标的距离、方位、径向速度、角速度和角加速度信息，提供f 1 标 的r c s 测最值等。 h 于火箭运载能力和轨道动力学、姿态动力学特性等的限制，窄 问i _ i 标般具有相对简单的形体，对低轨道目标尤其如此( 。钊对空间目标轨道 较定、背嫩l ：扰少的特点，从天体力学、轨道动力学、姿态动力学等知u ! 发， 硅据窄带霭达测量的窄i h je l 标特征数据，研究空间目标分类的关键技术，这对r 。实 现空间临测、保证空问目标的b 行安全具有重要价值。 j 影响窄问r i 标r c s 值的因素非常复杂，要想建立+ 个较为精确的数学模， 足柑! j 刚难的，闳此，本章从窄f f i j 目标的轨道和姿态动力学特盹h = 发，办i 具体分析 r2 孙l j l l 标的窄带雷达特惟基础l ：，依据窄带雷达目标测量信息，采用非参数统计 学t l ，的随机游程检验理论及多样本检验理论，从而解决低轨窄f 1 1 ji j 标分类r ”的关键 h 技术。 2 1 空闯目标的窄带雷达特性 窄特测最需达i - 要提供守问h 标的位霄和r c s 测量值，般不能阿接提供潇如 l i 星的物理尺寸、形状、指向等空间目标的其它信息。但卫星在i f 常运行过程中的 某业】i 作特性会在雷达观测量r f t 有所体现，只要能寻找出其中的对应关系，就可以 得到l i 牲的r 作状态等信息f 而将具体进行讨论。 2 1 1 卫星轨道的分类及特征 卒m 轨道常被分成两大区域”，即低地球轨道( l e o ：1 0 w e a r t ho r b j t ) 和高地球 轨道( i i e o ：h ig h e a r t ho r b it ) 。卫星轨道越低，轨道周期就越短。低轨道卫星的周 期一般在1 0 0 分钟左右，故每天可被地基测量雷达多次观测到。由于轨道越低大气 密度越大，为减少低轨大气阻力的影响，以尽可能延长轨道寿命，所以低轨：睁星的 轨道一般近似为圆形；如果对卫星既要希望有长的寿命又需实现近地工作，则多采 f l j 椭圆轨道。一个高轨道：p 星，常可被地球上的某一点长期观测到，特殊情况是同 步l j 早，l h1 ：轨道周期与地球自转周期一致，故在地球：要么苴可观测，要么一 随小呵观测。如果同步：u 星的轨道丽与地球赤道而不重合、或轨道不为圆形，i hj ： 所受地球万有引力偏差，则从地球上可观测到。卫星的明显运动，并且每2 4 小时重复 次。 将卫星轨道进一步细分，可定义中等地球轨道( m e o ：a i d - o a r t ho r l ) it ) ，与每次 国防科学技术人学研究生院学f i ) = 论文 仅被观测几分钟的低轨l j 星不同，中等轨道的i i 星可每次被观测几十分钟或更长： 典型的是j 卜f d 步轨道i j 星，其周期为地球f - i 转周期的一半。不论是同步或半同步轨 道卫早，其在地球卜的星下点轨迹每2 4 小时重复一次，因此星_ f 点的经度和纬度变 化就成为研究此类目标的重要参量，而目这罩的经、纬度与每天观测到的不同叫刻 dj 越。 2 1 2 卫星r c s 的特性 列r 高频电磁散射问题，目标的r c s 可近似被分解为n 个离散散射体或散射中 心的朔i 合，存给定频率l ：总的r c s 可表示为 7 l ： 1nl 2 盯= l 扣印( 州 ( 21 ) l n = li 式i f l ，仃，是第n 个散射体的r c s 值，矽。是该散射体的相列相位，取决于该散刖 体n 一；i l l j 的实际位胃。1 - 式r l t 散荆体数h 是随观察角i f i j 变化的，因为敝刺体之f l l j 的 柞l 1 遮捎效麻，可能会减少或曾加某些有贸献的散劓体。此外，单个散射体的幅度 一。和相位。对观测角很敏感，并且还随雷达作频率而变化，因此使总的r c s 随观 测角急剧起伏。由以l ：分析可知，对结构复杂的【】| 星，其r c s 是观测角的复杂函数。 f j 星的太| ； i 能电池多为j f 导体材料，底板为钛合金或其它高强度、轻质材料，剥1 ： 低轨：i 轴稳定类m 星，一般情况f ，其太阳板为长条形( 长度为2 至5 米) ，宽度j 艰 体宽度村1 、 。存每个雷达可观测周期内，太阳板可能随太阳位胃变化而改变指向， 敞何个观测周期内1 j 星的r c s 值均会有定差异，具有随机性。个有很大太刖板 的ij 艰，、l ，i 雷达观测角接近垂直太阳板表面时，日标r c s 的变化将非常剧烈，但稿： 其它角度f l h 于太阳板的镜面反射消失将使r c s 变化不太敏感；对j 二圆柱体目标， 当观测角接近垂鼠其中心轴线时，其r c s 的变化拍i 将非常剧烈，但在其它角度f 又 将刀i 太敏感。 2 1 3 平滑和非平滑特性嘲 影响卫星运动的地球非球形引力、太阳和月亮引力、太阳光压等自然作用力在 时间和空间i 二的变化非常平缓。由于卫星加速度与所受外力成比例，所以受自然力 的影响，p 星轨道和姿态运动会发生缓慢变化空间p 星如果仅受自然力的作用， j 轨道、姿态的变化是缓慢而、i ，+ 滑的，而| 1 会沿着某种运z 力趋势变化f 去( 如轨道 将越来越低或偏离原轨道等) ，这是种甲滑特 ：。颗计i 常j ：作的卫星，需要经常 地调整偏离的轨道或姿态，这种调整将使卫星的平滑行为发生突变，如图2 1 所示， 如i i ：常一作的同步卫星星下点的变化规律将在一定范围内周期波动，而对失效的型 第8 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 星和窄问f i 碎片来说则不具有这种变化规律，我们将诈常工作卫星的这种行为称为非 平滑特性。山 ：可见，5 f 滑与 f 平滑特性是卫星的重要特征，这一点对用于分析卫 星的j 作情况订重要的价值。 甩 r i ，- 经 j 立： 2 6 5 吊 _ 2 5 ， 占 、2 5 0 经 度2 ” 2 4 0 2 0 0 - 1 0 00 f 0 02 0 0 1 ( y 0 0 9 0 0 6 00 - 4 00 2 0n 埘j1 9 9 2q - ：i2jj2 ii i 的人数 对j 1 9 9 2 年l2jj2 ii i 的天数 ( a ) l ：作i j 尿( b ) 火效p 艰 图2 1 两颗同步j ! 罐的星f 点终度随州i n j 的变化1 2 1 4 随机和非随机特性n 1 卫星惯性能量的自然变化及惯性能量从一种形式转换成另一种形式，般满足 复杂的定律，尽管卫星的轨道及旋转运动在一定程度上可用模型表示，但模型的使 用需要精确的卫星结构和卫星所受作用力的先验知识，“i 于列此认谚 有限，所以， 要建立精确的模型是很困难的。【i jl 二而的分析可见，影响空间u 星r c s 测量值变化 的w 素很多，如p 星的形状结构( 包括足体、天线、人甜i 能i 【i 池板和叠载传感器等) 、 甫达观测角度的变化、卫星轨道的变化、。i i 星姿态的变化、外部引力或其它作刑力 对l j 埋结构和姿态的影响等，n 星r c s 值是这些参量的复杂函数。 对r 同步p 星定义卫星至太阳和卫星至雷达问的连线所张成的夹角为状态角 ，假设状态角大小同定且太阳板被太阳光垂直照射，即使这样，。i ! 星的r c s 也刁； 会是一常最：首先，太阳板是一个可多自由度旋转的装置，即使它垂直于太阳和卫 星的连线，但可能绕此连线旋转了一个角度；其次，由于卫星的结构未知，对雷达 敝射截面积有贡献的其它组件如星体、天线等可能各自独立定向：最后，太阳板的 指向精度会有一定的偏差。可见即使状态角固定，且太阳板i f 确地指向太阳，但 ： 述因素的变化将使r c s 值显著变化，即对个固定的状态角，p 星的雷达截面是随 机的。闵此，对个固定的独立变量( 如状态角) ，我们可以将其对应的卫星r c s 看 成是随时间变化的随机变量。同时，正常：】i 作的大部分卫星相对于某些独立变量具 有非随机特性，如对于固定的状态角，卫星的r c s 是随机变量，但其均值和方差与 第9 页 嘲舫科学技术人学研究生院学何论文 状态角的值有关，不同状态角列应于不同的均值和方差，从这。角度l ：看，i i 犟f 内 r c s 又具有非随机性。因此，对某个独立变量( 如状态角) ，我们可以将其对应的卫 硅r c s 看成具有悱随机特性。此外，：f ，滑和二1 e 随 j r f j 存在重叠，如为了维持期望 的运 j 二状况，需要刈j ! 互! 的姿态进行周j u j f l ：的凋整，这个周期性就包含了i j j i ! 的怍 随忭和i t ! i r 滑忭，调整导致了。怍甲滑性，周期一m 导致了：弘随机性。 从l ：而的分析可知：j 旱是否蒂常f ：作与i f 滑和随机特制：密切相关：i ! 星的l f i 常运i r 将拧制太能i 乜池板、天线、传感器、艰休的指向，这螳控制与状态角、l i 犟的移动、每天观测的时刻、星下点轨迹、真近点角等独立变翳是相联系的因此， 如果i ! 糖r 作i 卜常，其r c s 值将是一个或多个独立变量的二f f 随机性函数。i n | j l | f 的 分机可以归纳小以下两点： 列个独立变量的某固定值，n 星的r c s 值具有随机性； 如果以某个独立变量为参变量，。p 星的r c s 值具有非随机忭。 雷达在对高轨道卫星跟踪时，在一小段观测时问内，其观测角度变化不人，所 以如果p 程是三轴稳定的，则在”次跟踪期f l ji ! 星的姿态基本保持刁；变，但i ij 多 数甫达远距离接收州信噪比不高等原因，可将卫星的r c s 霜成个平稳随机过程， 如果 i 标牛1 | 对r 雷达视线是旋转运动的，这将有可能是轨道碎j 或其它旋转体( 蜘ii t 旋i j 早) ，| l ! i jr c s 测量值的均值将发生变化，并是现一种非随机性的变化趋势；个 例外足球形r 1 标，它的截面积是一一个常量，不随观测角度的变化而变化。 日i i j 大多数卫星都集中在低轨道上，空间威胁亦主要来自这些目标，因此以f t 要探讨低轨空问目标分类方法。 2 2 低轨空间目标的分类技术 2 2 1 低轨道目标的分类 = i r 姿态动力学的考虑和火箭运载能力等的限制，低轨道卫星的星体多数为对 称、短 类形体，而高轨道卫星对形体方面的考虑可少一些。在低轨道上飞行的空 问目标立! 要有：萨常工作卫星、运载火箭末级、失效卫星、空间碎片等。按稳定方 式来分，可分为非自旋( 如三轴调姿系统) 和自旋两大类空间目标 6 1 。对自旋空| 狞j 目标，+ 个特殊的旋转方式为“翻滚”运动，这类目标或是没有调姿系统，或是耗 尽了用_ | 姿态平衡的能量，在地球引力等外力作用下，最终处于“翻滚”状态。“翻 滚”是空问目标的一一种旋转方式，“翻滚”周期与目标所受动力矩有关。与之相比， 门旋稳定，产m1 j 星具有较快的f l 旋角速度，旋转周期一般为每分钟儿f 。转至雨多 0 。 第1 0 页 幽防科学 土术人学研究生院学化论义 2 2 2 低轨道目标分类的主要思路 窄带雷达的仨i 标识别功能难以通过多维细分辨的方法实现，一利t 常规的方法是 通过寻找和比较f = i 标r c s 随吲m 的变化规律来进行目标分类。人造空问目标由于轨 道动j 学、姿态动力学的要求，形体般具有棚列简坼、对称的结构，结合r i 标姿 态和动力学分析，就可根据r c s 变化规律有效实现空间目标的分类。分类时我们可 以将低轨宅问目标分成三类：即绕质一t b 旋转类( 包括白旋稳定卫星和“翻滚”的末级 火箭) 、i 轴稳定h 星、失效卫星或大的宁间碲片( 对空间大量小的碎片，需设计专门 的测量雷达进行观测，这里不作考虑) 。基于窄带雷达对空问目标分类的大致过程f 如 陶2 2 所示) 为：将一。个或几个测量段中对目标r c s 的测量结果，进行内插和平滑， 随机性检验 是 判为二轴稳定或其它类目标 r c s 相关性检验 否 判为白旋稳定 类目标 确定自旋 周期 ，r 一不相关l l 。 。 塑茎 。= ! l 。二二 剀为二轴稳定类目标并按反射图分类ii 判为其它类目标 图2 2 低轨道目标分类与识别流程图 在时间上对齐，并汜录相应的轨道测量参数。这些测量结果形成r c s 的采样，从采 样值中选取关于空间目标特性的编码信息，包括目标尺寸、形状以及绕质一t b 的运动 参数，存入相应的数据库中，通过事后对数据库中的数据进行交互式分析，得到最 终的分类结果。 下面将结合图2 2 的低轨空间目标分类流程图，具体分析、讨论有关的处理算 法。在算法分析之前，先介绍一下所采用的坐标系。 第l l 页 国防科学技术人学圳究：院学他论义 2 2 3 轨道移动坐标系与三轴稳定卫星的观测特点 研究空问轨道目标的运动状态一般采用轨道移动坐标系，如图2 3 所示。移 动坐标系的原点为地球质心，x 轴指向空间目标径向矢量的相反方向，即它的减少 方向，y 轴沿目标轨道面法线指向目标动力矩矢量方向，而该坐标的z 轴由右手法 则确定。 图2 3 轨道移动坐标系 由三轴稳定空间卫星典型调姿情况可知：空间卫星的主轴方向应与移动坐标系 的z 轴方向致，即伊= 0 ；此时，在卫星运动轨道中有这样一个点，雷达视线与z 轴夹角曰= 万2 ，即雷达视线在x y 平面矗卜，目与x 轴的夹角为。因地球绕自身 轴自转，而空问卫星在绕地球球心旋转，因两者自旋角速度不一致，空间卫星速 度快很多倍，所以上述点不固定，且每天可出现多个这种点。对完全轴对称空间卫 星来说，雷达在对其经过这种点进行观测时，其r c s 的测量值与识。大小无关。对 形状复杂的卫星则不同，此时需要在多个角度识。下积累r c s 的测量值。当要在多 个纯。角下进行观测时，控制程序应能自动解算出空间卫星轨道、预测体。出现的轨 道位置和时间，实时启动雷达观测并自动记录下相应测量数据。至于在分类算法中 如何确定够，。在文献【7 】中有详细的介绍。 5 空间轨道目标由于距离远，目标的回波信号较弱，随机性误差影响较大；为满 足空间目标分类的需要，必须对测量数据进行预处理以尽量减少测量误差的影响。 有关数据预处理的方法在文献【18 】中有详细的研究，这里不与讨论。 第1 2 页 出i 防利技术人? 训究m 院0 ：似沦义 2 3 自旋稳定卫星的判断 f 1 旋稳定i 】艰均几彳t 较快的绕质心运动的角速度，f 旋周期一般在每分钊t 儿f 转以卜，此类目标相对于雷达观测线的总的角位移是d 相对于雷达观测线的角运动 和绕质心运动的合成，使动态r c s 具有周期调制的特点：翻滚类目标的自旋周期较 长，据此可把它从旋转类目标中分离出来。而三轴稳定卫星和空间碎片等目标，由 2 1h 的分析可知，此类目标的动态r c s 在本质f ：是个随机过程。出1 ：泼假i 殳 分靠未知，检验r c s 变化的随机性与否可采用非参数统计方法c f i 的有关方法，本1 7 聚川随机游程枪验束检验r c s 是甭具有随机件。 i j 参数统汁巾通常所说的随桃忡是指样本巾所有数据部可看成是独立同分布的 观测值，有升降趋势的数据不是随机的，有周期性变化的数据也不是随机的川。现 考虑- 元数据的观察值，如b e r n o u l i 试验的结果，它们总可以用0 和l 来表示。神： + 个随机的观察值巾，0 或1 的集中度有一定的范嗣，可以引进游程( r u n ) 的概念 来描述这利集中的程度：在一个山0 和1 组成的序列f - ，串1 ；间断的0 或1 称为 + 个游程，。个游程中数字0 或l 的个数，称为该游程的长度；游程个数r 太多， 则晚叫0 和l 不集中或游程太短：如游程个数太少，则说明0 和l 较集中或游程太 长。通过l ：而的分析，可知随机性假设的拒绝域应为 r c 1u r c ，r c 2 ) ， 其t h cc ，) 。 为了进行随机性检验，通常取目标r c s 序列的样本中位数来把r c s 序列转换为 一个0 1 序列，如果样本值大于样本中位数，则数据转换为1 ，否则转换为0 ，这样 r c s 序列便被转换为一个0 1 序列，于是，可以使用随机游程检验方法进行随机性假 设检验。假定观测数据中超过样本中位数的数据( 为l 的个数) 个数为”，低下样 本中位数的个数( 为0 的个数) 为坍。在h 。( 随机性假设) 的条件下，尺( 序列的 游程值) 的分前i 依赖于出现1 的未知概率p ，在给定的m 和n 的条件f ，r 的任何 一种可能的概率都是 及 l ( z ) ，c p q = 2 k ) = p ( r = 2 忌+ l 、= n = h + m 为序列长度) ，因而有 ( 爿炉) + ( x n - t ) 万一一 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 这个表示很简单实用，并且s w e d 和e i s e n h a r tj 二1 9 4 2 年依此构造了月的零分布表 第1 3 页 幽防 ：p 学技术人节州究，上院化论义 对于大样木来说，当_ o o 而寸y 时则有 ( 2 4 ) 渐近趋丁标准一态分布，于是当样本容量很大时，可近似地取l | f ；界值为 旷黑 t + 磊 c ：小黑( 一熹 鄙 于是，- k - 一定的错误概率f ，如果判决结果为不能拒绝h 。，则目标r c s 序列具 有随机性，那么这就是三轴稳定卫星或其它类月标：如果判决结果为拒绝h 。，则月 标r c s 序列不具有随机性，那么这就是自旋稳定卫星。 2 0 0 2 0 _ 4 0 图2 4 姿态检验流程图 测量数n 0 2 0 0 4 0 06 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 图2 5 单圈观测时“中巴资源”卫星的r c s 计算值 检验流程图如2 4 所示。我们用如图2 6 所示的中巴资源卫星进行仿真( 自旋速 第1 4 页 幽防科0 ：技术人：研究，上院学位论文 度为每秒1 转，星体为长宽高均为2 米的立方体，带有两个3 米长l 米宽的太阳板， 采样周期为o2 秒) ，观测误差为2 d b ，获得如图25 所示的r c s 序列，对其进行 随机性检验，所得结果如表2 1 所示。 山j 二自十h 关函数町充分描述信号周期信息，因此旦确定卫星为自旋稳定，则 ”r 采川l i 哭函数法分析f 1 标的n 旋周期。 表2 1 自旋稳定日标r c s 值的随机游程检验结果 置信水平门限c l 门限c 2 尺判决结果 0 15 7 16 2 8 6 6 不具有随机性i 图2 6 中巴资源卫星 2 4 三轴稳定姿态的判定 从图2 2 可知，经过上一节的随机游程检验，可把旋转类( 自旋稳定卫星及翻 滚类目标) 目标和非旋转类目标( 三轴稳定卫星及其它非靛转类目标) 分离，而且 通过自旋周期的比较或其它手段( 如末级火箭等大的柱体目标所特有的r c s 瓣状结 构特性可直接把它分离出来) 可把自旋稳定卫星分离出来，那么，如何从非旋转类 目标中把三轴稳定：卫星分离出来呢? 三轴稳定卫星的典型调姿方式是轴线与轨道相切o ”，每圈观测时，如果卫星失 效n - i ：同圈上卫星会出现不同姿态，从而促使每圈r c s 相：关性弱。对于三轴稳定目 标，可取仍。角附近的一组观测值，每圈的观测角度有所差异( 尽量取妒。小的多次测 量值) ，但对于简单形体的卫星目标，各圈的r c s 会有一定的相似性，目标稳定性 的判别即为多样本( 多圈测最值) 相似性度量的问题。 悱参数统计是在对总体分伽形式不了解时进行推断的统计方法，这里对于总体 分布不作或只作一点诸如对称性之类的简单假设；虽然无分布的先验知识，但可把 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 数据按大4 , r e - 队而使每个数据都有自己的“位置”，称之为秩，大小为n 的样本产生 了n 个秩，问题就简化为对秩的研究。 对于简单形体的三轴稳定卫星，在保持观测条件基本不变( 尽量取4 妒。小的多 次测量值) 的情况下，对不同圈次的数据组( r c s 测量值) 间有无差别进行判断，如 果存在明显差别，则认为该卫星的姿态不是三轴稳定的，否则就认为卫星的姿态是 = i 轴稳定的。这单的思路与非参数统计中的多样本检验问题是一致的，下面结合典 型的k r u s a l w a l l i s 多样本检验法i ”1 分析判断姿念稳定方法： 般来说，假设有k 个总体，除了何霄参数的差别外，它们有同样的分布形式： f ( x 一目j ，f ( x 一仇，还假设所有的观测值都是独立的，我们希望检验： h 。：臼= = 吼：h 。：曰，吼不全相等。记对第i 个总体的第j 个观测值为：。， t f = 1 ，“= 1 ，h ，记n = 行，x 。在混合样本的n 个观测值中的秩为r ， ，= f ，l r ，+ = r 。，第i 组样本的平均秩为 ，= 1 r ：生 m ( 2 6 ) 总的平均秩为 肚如：掣 ( 2 ，) t b 于考虑的女个总体仅差一个位置参数，故来自不同总体的样本也只相差个平移 量。根据有关定理可知在。下，每组样本的平均秩置应与总的平均秩_ n + i 比较接 近，而在h ，f ，显然存在个别总体的平均秩与总的平均秩相差较大。基于此， k r u s a l w a l lis 引进了下面的检验统计量叫： h = 鼎n ( n1 瓤卜业2 ) 亿s ， + ) 智7 l 7 、 在of ，当m in ( l ， 近地有z2 ( 庀一1 ) 分布，即 专_ 丑r o u 时，k r u s a l 一w a l l i s 统计量渐 第1 6 页 国防科学技术人学 i j f 究生院学位论文 与z2 似一1 ) ( 2 9 ) 在有相等数据值出现，即有结时，h 可用下面的。代替： 片。：旦 l 一骊gr ；j - 一r 膏ij = i ，v一，y ( 2 1 0 ) 这罩g 为结的个数，f 为结的长度。对于给定的显著性水平口，其拒绝域为 ) ，其中“。下式。 r c s d b s m ) p ( u ) = 口 ( 21 1 ) 图2 7 不同圈次下的r c s 序列 图2 8 为美国第四代大鸟侦察卫星， 的圆柱体，4 个4 米长2 米宽的太阳板， 其主体结构大致为：长为4 米半径为2 米 圆台上下底半径分别为i 米和2 米，圆台 第1 7 页 1 日阶科学技术人等：训 u - i i 皖学似论文 商为1 米，i ：部小同柱体半径为1 米，到为1 5 米，底部锥体高1 米，底半径为1 2 米。图2 7 是在2 2 3 小节分析的观测条件f ，取三组相近时的r c s 仿真值( 观 测误差为2 d b ，太阳板随机控制) ，如图2 8 所示。采_ jk r u s a l w a l l is 检验法进 行年f i 似性检验，结果如表2 2 所示，说明一坦星处于三轴稳定姿态。 表2 21 i ：参数榆验结果 第一组数据第一组数据 第三组数据 f 均秩和 5 8 4 2 5 0 05 8 2 7 9 0 0 6 7 2 0 7 o o 检验统汁量 h - - 8 4 2 4 6 判决结果 原假设h 。成立( “。门限值= 9 2 1 ) 图2 8 大鸟4 号侦察卫星 第1 8 页 q 防年：| 技术人川究小院。 化论义 第三章轨道根数估计 在空间轨道目标识别工作中，目标的六个轨道根数是其最本质的特征之一，是 决定其运行规律的主要参数，也是进行空i 日j 目标分类的基础，因此，根据空i 、h j 探测 雷达的观测数据来估计卫星的六个轨道根数是分类编目的首要任务。 体问题意义f 的卫星轨道汁算就是根据实测资料来确定一个不变椭圆轨道。 实际卜，i i 艰轨道是随着时州t 的变化而变化的，不同时刻的观测数据理应对应才i 同椭圆轨道。因此，存_ ：体问题基础上确定的某一时刻的轨道，只是该时刻实际轨 道的一个近似，人们常称它为初轨，所以，这样的轨道计算也叫做初轨计算”。 j 二我国目前空触测量雷达的数量、布站范围和作用距离都很有限，决定了依据雷达 数据的定轨问题应以解决短数据段条件下的定轨为主。这是本章所要讨论的问题。 至于如何精确确定某一时刻的瞬时轨道，通常要考虑摄动变化的长弧段多资料定轨 方法，参考文献【8 忡有详细的讨论。 本章在讨论初轨计算的基础上，更进步采用曲线和曲面拟合的思想，利用观 测数据的统计特性，把非线性问题转化为线形问题来求解，最终推导出在：二体问题 下短弧段数掘定轨的计算公式。 3 1 由位置向量和速度向量计算相应的轨道根数阻】 从微分方程初值问题的角度来看r 初轨计算就是根据初始条件t o ，r o ，矗柬 确定六个积分常数，即六个轨道根数日，e ，f ，q ，伽，m ，这是一个简单的 转换问题。 本节讨论初轨计算问题，即山给定的t o 时刻的卫星位置向量r o ( x 0 t y 。，z 。) 和速 度向量矗g 。，夕。，j 。) ，计算相应的六个椭圆轨道根数，简单的讲这就是星历表计算 的逆问题。 3 1 1 根数d ，e ，m 。的计算 一如在第一章罩