截至2024年12月底,美國(guó)SpaceX公司星鏈衛(wèi)星入軌數(shù)量超過7 000顆,美國(guó)公開數(shù)據(jù)公布空間目標(biāo)數(shù)量接近3萬個(gè)。隨著人類航天器發(fā)射、空間試驗(yàn)活動(dòng)逐步增加,空間目標(biāo)數(shù)量逐步增加,空間目標(biāo)信息應(yīng)用受到更多關(guān)注?臻g目標(biāo)信息應(yīng)用包含豐富內(nèi)容,其中,軌道信息、姿態(tài)信息、測(cè)量數(shù)據(jù)成為關(guān)注重點(diǎn),形成了豐富的理論技術(shù)成果。本書主要圍繞空間目標(biāo)軌道信息、姿態(tài)信息開展處理與應(yīng)用分析,呈現(xiàn)具體處理方法和流程,為空間目標(biāo)信息應(yīng)用效果分析提供支持。
本書圍繞空間目標(biāo)信息處理與應(yīng)用方法,針對(duì)軌道信息、姿態(tài)信息建立處理流程并開展應(yīng)用分析。空間目標(biāo)信息主要涉及時(shí)間信息、坐標(biāo)信息、測(cè)角信息、測(cè)距信息、軌道信息、引力信息、攝動(dòng)信息、位置信息、速度信息、姿態(tài)角信息、姿態(tài)角速度信息、恒星位置信息、天文定位信息等,了解各類信息應(yīng)用方法,對(duì)于空間目標(biāo)有效觀測(cè)具有重要支撐作用。本書按照從基礎(chǔ)知識(shí)到信息應(yīng)用的思路安排全部?jī)?nèi)容,主要分為以下三個(gè)部分:
1) 基礎(chǔ)知識(shí),包括空間目標(biāo)基本概念、典型應(yīng)用、時(shí)間系統(tǒng)、坐標(biāo)系等,主要闡述時(shí)間系統(tǒng)、坐標(biāo)系的定義,以及各種時(shí)間、坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換方法。時(shí)間系統(tǒng)包括世界時(shí)、協(xié)調(diào)世界時(shí)、北京時(shí)等。坐標(biāo)系包括太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系、地心坐標(biāo)系、站心坐標(biāo)系、衛(wèi)星本體坐標(biāo)系等。
2) 信息處理,包括基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間目標(biāo)初軌計(jì)算、軌道確定、姿態(tài)確定等方法,主要闡述空間目標(biāo)軌道與姿態(tài)確定、誤差分析的實(shí)現(xiàn)過程和算例。觀測(cè)數(shù)據(jù)包括測(cè)距、測(cè)角和測(cè)速數(shù)據(jù)等。姿態(tài)參數(shù)包括俯仰、偏航和滾動(dòng)歐拉角。
3) 信息應(yīng)用,包括基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間目標(biāo)天文定位、目標(biāo)變軌檢測(cè)等方法,主要闡述恒星信息計(jì)算、空間目標(biāo)位置提取、空間目標(biāo)變軌判斷、變軌參數(shù)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)過程與算例。恒星信息包括平赤經(jīng)、平赤緯、星等、自行參數(shù)等?臻g目標(biāo)位置包括赤經(jīng)、赤緯等。變軌參數(shù)包括變軌時(shí)間、速度增量等。
本書編寫分工如下:張兵主要撰寫第1章至第3章,王東亞主要撰寫第4章至第5章,苑剛主要撰寫第6章,李朋遠(yuǎn)主要撰寫第7章?紤]相關(guān)內(nèi)容之間的聯(lián)系和差別,在不同章節(jié)對(duì)相關(guān)公式與描述進(jìn)行了針對(duì)性重復(fù)闡述,既保持了相關(guān)計(jì)算方法的完整性,也便于讀者查閱與參考。
在此,特別感謝黃劍副研究員,為本書內(nèi)容安排提供了寶貴建議。
囿于作者的寫作水平及精力,本書難免存在疏漏和不妥之處,敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。
作者
2025年4月
第1章緒論1
1.1基本概念1
1.2典型應(yīng)用3
1.3內(nèi)容結(jié)構(gòu)4
第2章時(shí)空系統(tǒng)6
2.1時(shí)間系統(tǒng)6
2.1.1時(shí)間類型6
2.1.2時(shí)間轉(zhuǎn)換7
2.1.3儒略日計(jì)算9
2.2坐標(biāo)系10
2.2.1坐標(biāo)系類型10
2.2.2歲差計(jì)算12
2.2.3章動(dòng)計(jì)算14
2.2.4恒星時(shí)角24
2.2.5極移計(jì)算25
2.2.6坐標(biāo)轉(zhuǎn)換27
參考文獻(xiàn)31
第3章空間目標(biāo)初軌分析32
3.1基于測(cè)角測(cè)距分析32
3.1.1構(gòu)建測(cè)量方程32
3.1.2處理觀測(cè)資料33
3.1.3狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣34
3.1.4迭代計(jì)算初軌36
3.1.5計(jì)算初軌精度39
3.2實(shí)現(xiàn)結(jié)果42
3.2.1低軌空間目標(biāo)42
3.2.2中軌空間目標(biāo)50
3.2.3高軌空間目標(biāo)54
參考文獻(xiàn)59
第4章空間目標(biāo)定軌分析60
4.1定軌基本方法60
4.1.1構(gòu)建基本方程60
4.1.2計(jì)算測(cè)量值61
4.1.3計(jì)算理論值62
4.1.4計(jì)算測(cè)量矩陣63
4.1.5計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣66
4.2計(jì)算非引力攝動(dòng)69
4.2.1計(jì)算大氣阻力攝動(dòng)69
4.2.2計(jì)算光壓攝動(dòng)70
4.2.3計(jì)算非引力攝動(dòng)函數(shù)72
4.3計(jì)算定軌精度74
4.3.1一階短周期項(xiàng)74
4.3.2地球引力場(chǎng)田諧項(xiàng)76
4.3.3計(jì)算瞬時(shí)位置77
4.3.4定軌擬合誤差計(jì)算78
4.4實(shí)現(xiàn)結(jié)果80
4.4.1低軌空間目標(biāo)80
4.4.2中軌空間目標(biāo)88
4.4.3高軌空間目標(biāo)92
參考文獻(xiàn)97
第5章空間目標(biāo)姿態(tài)分析98
5.1姿態(tài)指向計(jì)算98
5.1.1空間目標(biāo)圖像建模99
5.1.2數(shù)論法誤差模擬101
5.1.3法線指向矢量計(jì)算102
5.1.4指向角度計(jì)算105
5.2姿態(tài)旋轉(zhuǎn)計(jì)算106
5.2.1透視投影成像106
5.2.2姿態(tài)迭代計(jì)算107
5.2.3旋轉(zhuǎn)速度估計(jì)109
5.3實(shí)現(xiàn)結(jié)果110
5.3.1空間目標(biāo)大小與像素誤差111
5.3.2分辨率與像素誤差113
5.3.3焦距大小與像素誤差仿真114
5.3.4姿態(tài)旋轉(zhuǎn)計(jì)算117
參考文獻(xiàn)121
第6章廣域探測(cè)分析124
6.1構(gòu)建星表索引124
6.2星表恒星搜索126
6.3恒星位置解算127
6.3.1視差修正127
6.3.2自行修正128
6.3.3引力偏折修正129
6.3.4光行差修正129
6.3.5歲差章動(dòng)修正130
6.4廣域探測(cè)生成130
6.4.1恒星觀測(cè)投影130
6.4.2空間目標(biāo)觀測(cè)位置133
6.5實(shí)現(xiàn)結(jié)果133
6.5.1恒星參數(shù)133
6.5.2恒星位置解算134
6.5.3空間目標(biāo)位置解算137
6.5.4觀測(cè)投影解算138
參考文獻(xiàn)140
第7章目標(biāo)軌道應(yīng)用分析141
7.1觀測(cè)弧段標(biāo)識(shí)142
7.2變軌檢測(cè)144
7.2.1已知目標(biāo)變軌檢測(cè)144
7.2.2未知目標(biāo)變軌檢測(cè)147
7.3實(shí)現(xiàn)結(jié)果150
7.3.1目標(biāo)設(shè)置150
7.3.2目標(biāo)無變軌150
7.3.3目標(biāo)沿跡變軌155
7.3.4目標(biāo)法向變軌160
7.3.5目標(biāo)綜合變軌165
7.3.6變軌檢測(cè)分析170
參考文獻(xiàn)173