基于轨道理论的空间目标监视雷达状态实时核验方法.pdf

第37卷 第2期2023年4月空 天 预 警 研 究 学 报Journal of Air&Space Early Warning ResearchVol.37 No.2Apr.2023收稿日期：2023-04-30作者简介：唐匀龙(1988-)，男，工程师，硕士，主要从事雷达数据处理、多源信息融合研究基于轨道理论的空间目标监视雷达状态实时核验方法唐匀龙1,2，钮俊清1,2，程鹏飞3，陈飞3（1.中国电子科技集团公司 第三十八研究所，合肥 230088；2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，合肥 230088；3.63768部队，西安 710600）摘要：为实现空间目标监视雷达状态的实时监测，提出了一种基于轨道理论的空间目标监视雷达状态实时核验方法首先基于轨道理论实时计算空间目标每一跟踪弧段的量测值与理论计算值之间的偏差，根据偏差从数据级判断雷达工作状态以及数据质量；然后准实时利用精密星历和雷达量测定量分析雷达跟踪精度实验分析表明，该方法通过实时和准实时结合，可有效提升数据整合和开发利用能力，为空间作战任务的决策提供数据支持的能力关键词：空间目标监视雷达；定轨编目；轨道理论；雷达工作状态中图分类号：TN958文献标识码：A文章编号：2097-180X(2023)02-0110-05太空态势感知是对当前的和预测的空间环境和作战环境的理解，将为实现空间自由、控制空间和支持联合作战提供关键支撑由地基雷达探测与跟踪系统组成的监视网已具备对绝大多数在轨卫星的认知能力，其探测的数据质量直接影响空间目标监视中心定轨编目精度，进而影响依赖编目精度的碰撞预警、目标变轨、陨落预报等核心应用，所以空间目标监视雷达操作员需掌握装备的工作状态，对输出的数据质量能进行综合判断以及应急处置目前雷达值班员主要通过各分系统状态(如收发分系统、校正分系统、数据处理分系统等)判断雷达工作是否正常，基于装备实时数据从数据级角度综合判断雷达工作状态的应用较少文献1-2研究了基于雷达状态的维修支持系统的功能和架构，对软件构成进行了需求分析并进行了系统设计和实现；文献3通过综合雷达故障信息，针对不同健康状态等级提出相应的维修建议，为雷达使用维修保障提供指导和帮助；此外，还可通过提取反映雷达健康状态的共性指标，形成一套完整的指标体系，分析指标特性变化对雷达性能的影响程度，评估雷达健康状态4上述研究都是从系统、分系统的角度来衡量雷达的状态，不是从量测数据级判断雷达系统的工作状态，不利于雷达值班员实时掌握雷达量测的精度水平针对上述不足，本文提出一种基于轨道理论的空间目标监视雷达状态实时核验方法；选取 2 个典型的星链目标，给出了实验分析该方法以某空间目标监视雷达实测数据为输入，采用基于两行轨道根数(TLE)轨道预报的空间目标匹配识别，利用简化常规摄动(Simplified General Pertur-bations Version4,SGP4)模型5-7，实时计算每一弧段的跟踪精度；同时采用基于精密星历的空间目标精度分析方法计算每一圈精轨目标的跟踪精度1空间目标匹配识别及精度计算本文涉及的主要理论知识包含低轨目标预报模型、高精度数据插值方法以及基于 TLE 轨道预报的目标匹配识别，建模是以空间目标监视雷达实际应用为出发点，在兼顾精度和效率的基础上综合考虑选取的1.1低轨目标预报模型能够进行低轨空间目标预报是空间目标匹配识别的前提条件文献8针对不同轨道类型的空间目标，对 SGP4 模型(其核心是完全分析方法，采用地球非球形引力摄动模型)的预报精度进行了仿真分析，得到 SGP4 模型在运算速度、预报精度两方面都可以满足空间目标匹配识别要求的结论故采用 SGP4 模型可解决量测预报的问题SGP4 模型函数表述为y=f(eifnB*)(1)式中，e是轨道偏心率，i是轨道倾角，是升交点赤经，是近地点幅角，f是真近点角，n是平均轨道元的平均运动速度，B*是弹道系数1.2高精度轨道插值方法空间目标探测跟踪时的轨道外推、匹配识别、跟踪精度计算都会用到轨道插值方法在轨DOI:10.3969/j.issn.2097-180X.2023.02.006第2期唐匀龙，等：基于轨道理论的空间目标监视雷达状态实时核验方法111道插值方法中，拉格朗日数学模型9简单，计算效率高假设t0t1有n+1个空间目标量测点，每个时间对应空间目标量测为X0X1Xn,利用拉格朗日公式，可计算该时间段内空间目标的位置为X(t)=i=0nXili(t)(2)其中li(t)=j=0jint-tjti-tjij=01n(3)1.3基于TLE轨道预报的目标匹配识别基于 TLE 轨道预报的目标匹配方法是基于轨道预报观测值，计算预报观测值和实际观测值之间的误差，构建目标匹配判据准则，根据阈值计算判断观测目标是否属于该编目目标计算待匹配目标的预报观测值和实际观测值的差异，并计算距离和角度的平均误差距离、方位角、俯仰角的平均误差计算公式为Dr=i=1nDri/nDa=i=1nDai/nDe=i=1nDei/n(4)式中，n为选取的观测点数，Dri、Dai、Dei分别表示第i时刻观测与预报距离、方位角、俯仰角之差观测目标和 TLE 匹配成功的条件是：Drrk，Daak，Deek(5)如果Dr、Da、De同时小于阈值，则判定目标匹配识别成功，否则判定匹配识别失败其中不同轨道高度的目标rk、ak、ek应取不同的阈值2数据级空间目标监视雷达状态实时核验方法公开的 TLE 数据距离精度在百米级到公里级，角度精度为亚秒级基于 TLE 进行空间目标匹配识别，其角度精度可用于判断跟踪弧段的角度精度是否与设计指标相当，但是由于其距离精度低，角度精度没有优于雷达量测一个数量级以上，不能定性分析跟踪弧段的精度精轨目标(如国际编号 7646、16908 等目标)可以获取其精密星历，其距离精度在厘米级，角度精度比 TLE 要高出一个数量级以上，可以定性分析雷达的跟踪精度但是精轨目标较少，不是实时都有目标过境，获取数据周期长故本文结合“基于 TLE 轨道预报的空间目标匹配识别”“基于精密星历的空间目标精度分析”两方面的优势，提出从数据级判断雷达的工作状态，通过实时和准实时结合，综合辅助雷达操作员判断工作状态该方法框图流程如图 1 所示Y跟踪的空间目标是精轨目标基于T L E 轨道预报的空间目标匹配识别基于精密星历的空间目标精度分析N图 1空间目标监视雷达状态实时核验方法框图2.1基于TLE轨道预报的空间目标匹配识别空间目标的探测过程是：基于 SGP4 模型进行空间目标匹配识别；对多次未匹配的目标，采用基于 TLE 时延修正的匹配方法进行识别，识别后实时显示目标每一帧量测的 O-C(量测和理论计算值之间的差值)计算结果2.1.1TLE 时延修正的空间目标匹配量测数据和目标TLE根数之间历元相差较大情况下，会引入预报的发散误差(如图 2 所示)，导致部分目标匹配识别准确率较差对此，本文采用基于 TLE 时延修正的目标匹配方法，通过迭代修正预报值和量测值之间的时间偏差，提升目标匹配识别概率空间目标T L E 轨道xyzx1z1y1空间目标量测图 2空间目标量测和 TLE 之间误差假设某空间目标在t0t1时间段内量测为X0X1Xn，该目标 TLE 预报对应的时间段为ts0ts1，对应的量测预报值为Y0Y1Yn，基于 TLE时延修正的空间目标匹配方法可以表示为RMStsj=(1nj=1nDx2j)1/2Dxj=(Xj-Ytsjj)tsj=tsk+lDtTlow/DtlTup/DtTlow0Tup0|Tlow|=Tup1kn1jn(6)式中，l为迭代次数，Dt为每次迭代时间的步进长度，Tlow为迭代时间下限，Tup为迭代时间上限，tsj为每次迭代第j个预报量测的时间，Ytsjj为时延修正量为tsj情况下对应的 TLE 预报值空 天 预 警 研 究 学 报2023年112基于时延修正的空间目标匹配方法是利用式(6)找到使量测和预报值差值最小的均方根(RMS)对应的时延修正量tsj，其流程如图 3 所示，具体步骤如下：Step 1 实时获取雷达量测值X0X1Xn，并依据雷达量测的时间范围利用 TLE 通过式(1)进行轨道预报获得预报量测Y0Y1YnStep 2 计算时延修正量tsj=tsk+lDt利用式(1)计算tsj情况下的预报量测Yts00Yts11YtsnnStep 3 计算量测和预报量测的 RMS 误差并记录Step 4 判断lTup/Dt是否成立若不成立，重复 Step 2 和 Step 3；若成立，统计使 RMS 最小的时延修正量tsendStep 5 依据tsend计算新的预报量测Ytsend0Ytsend1Ytsendn，依据式(4)和式(5)计算距离和角度 O-C，确定目标能否匹配成功若匹配，显控软件显示O-C 的值；否则，记录匹配失败的日志依据雷达量测的时间范围，利用T L E 进行轨道预报得到预报量测Y0,Y1,Yn确定最小R MS 对应的时延修正量t s计算量测和预报量测的O C显控软件O C 值记录失败日志开始结束实时获取雷达量测值X0,X1,XnYN计算量测和预报量测R MSl Tu p/te n d匹配成功YN计算时延修正量为t sj的预报量测Y0 ,Y1 ,Yn 0t s1t snt s根据时延修正量t s 计算最终的预报量测Y0 ,Y1 ,Yn e n dt se n dt se n dt se n d图 3基于 TLE 时延修正的目标匹配方法流程2.1.2空间目标匹配识别总体流程每一观测弧段跟踪精度实时计算的前提是需要先匹配识别，识别成功后才能获取目标的TLE，后续才能基于 TLE 预报计算该目标每一帧数据的 O-C，最终进行数据记录以及可视化显示空间目标匹配识别方法流程如图 4 所示，具体步骤如下：Step 1 读取所有空间目标的 TLE 数据，实时接收雷达量测数据(信息包括距离、角度、速度等)Step 2 判断是否是已识别的目标若不是且已识别次数大于等于 3，采用上述基于 TLE 时延修正的方法进行匹配识别；若是，执行 Step 3Step 5Step 3 利用 SGP4 预报到当前时刻，计算量测数据和 TLE 数据之间的距离和角度差值(O-C)Step 4 基于距离和角度差值(O-C)，利用式(4)和式(5)判断目标是否匹配成功若匹配成功，标记为已识别目标，并记录已识别的次数；若匹配失败，标记为未识别目标并记录已识别的次数Step 5 判断是否有2次以上识别为一个目标若是，核定目标匹配成功，显控软件显示 O-C 结果；否则，记录匹配识别的日志开始读取T L E 文件数据利用S G P 4 模型外推到数据当前时刻，计算距离、方位、俯仰NYNNY接收空间目标监视雷达航迹数据计算距离O-C 和角度O-CY大于门限阈值标记为未识别目标识别次数+1标记为已识别目标识别次数+1Y基于T E L 时延修正的匹配识别结束N识别成功有2 次以上识别为同一目标显控软件O-C 值记录匹配识别日志识别次数大于3已识别空间目标YN图 4空间目标匹配识别总体流程2.2基于精密星历的空间目标精度分析雷达每天过境的精轨星目标有近几十批，在目标跟踪结束后可立即进行精轨验算10，通过计算误差更精确地核定当前雷达状态是否正常，具体步骤如下：Step 1 精轨星目标跟踪结束后，从数据库获取目标的航迹数据，并依据目标的编号获取精密星历数据Step 2 利用式(2)和式(3)，基于雷达航迹数据的时标进行拉格朗日九阶插值，获取真值数据Step 3 真值数据进行坐标转换，转换到航迹数据对应的坐标系Step 4 航迹数据进行野值剔除，计算航迹数据和真值数据之间的差值Step 5 进行误差分析，并在显示软件界面进行显示3实验分析当前星链发射活动频繁，几乎每天都有星链第2期唐匀龙，等：基于轨道理论的空间目标监视雷达状态实时核验方法113卫星在小推力作用下进行轨道调整星链卫星和其他类似卫星的匹配识别、定轨编目，是确保我国重点空间目标安全的基础之一本文选取2 个典型的星链目标进行数据分析，利用某空间目标监视雷达实测数据验证基于 TLE 时延修正的空间目标匹配识别方法的有效性目标具体信息如表 1 所示，对 2 个目标的识别结果如图 5和图 6 所示表 1星链目标信息目标编号4812744714目标名称STARLINK-2468STARLINK-1008轨道高度/km530550目标量测时间2022-06-032023-04-06TLE 更新时间2022-06-012023-04-06由图 5 可知，采用基于 TLE 预报的空间目标匹配识别方法，由于历元时间和观测时间偏差较大，导致距离偏差在 50km 以上，匹配识别失败；采用基于 TLE 时延修正的空间目标匹配识别方法距离偏差在 3km 左右，角度误差小于 0.6，可以识别成功由图 6 可知，采用基于 TLE 预报的空间目标匹配识别，距离误差在 5km 左右；采用基于 TLE时延修正的目标匹配方法距离偏差在 500 m 左右，角度误差小于 0.16，这说明该方法可以降低匹配识别的偏差，使匹配识别更准确为了进一步验证基于TLE时延修正的空间目02 04 06 08 0 1 0 0 1 2 0-1 0 0-5 005 01 0 01 5 0时间/s距离/k m-4 5-4 0-3 5-3 0-2 5-2 0-1 5-1 0-505-1 5-1 0-5051 01 5方位/()俯仰/()基于T L E 预报的方法基于T L E 时延修正的方法02 04 06 08 0 1 0 0 1 2 0时间/s基于T L E 预报的方法基于T L E 时延修正的方法基于T L E 预报的方法基于T L E 时延修正的方法02 04 06 08 0 1 0 0 1 2 0时间/s(a)量测距离和 TLE 距离一次差(b)量测方位与 TLE 方位一次差(c)量测俯仰与 TLE 俯仰一次差图 52 种方法对 48127 目标的识别结果05 01 0 01 5 02 0 0-4-3-2-10123456-0.200.20.40.60.81.01.2-0.3 0-0.2 5-0.2 0-0.1 5-0.1 0-0.0 500.0 50.1 00.1 5基于T L E 预报的方法基于T L E 时延修正的方法方位/()俯仰/()时间/s距离/k m05 01 0 01 5 02 0 0时间/s05 01 0 01 5 02 0 0时间/s基于T L E 预报的方法基于T L E 时延修正的方法基于T L E 预报的方法基于T L E 时延修正的方法(a)量测距离和 TLE 距离一次差(b)量测方位与 TLE 方位一次差(c)量测俯仰与 TLE 俯仰一次差图 62 种方法对 44714 目标的识别结果标匹配识别方法的有效性，随机选取 20220602 的627 个弧段，采用 20220602 的星历去匹配识别，验证匹配识别成功率，具体结果如表 2 所示表 22 种空间目标匹配识别方法的成功率空间目标匹配识别方法基于 TLE 预报基于 TLE 时延修正匹配成功弧段数586608匹配失败弧段数2912匹配错误弧段数127识别成功率/%93.4696.97由表 2 可以看出，基于 TLE 时延修正的空间目标匹配识别方法成功率相较于基于 TLE 预报的空间目标匹配识别方法成功率有明显提高采集国际编号 7646 某雷达的探测数据，采用基于精密星历的空间目标精度分析方法，计算得到的结果如图 7 所示该方法不仅可以判断雷达工作状态以及数据质量，还可以为雷达系统误5 001 0 01 5 02 0 02 5 0时间/s距离量测和精轨星历距离的偏差/m图 7某雷达精度分析结果空 天 预 警 研 究 学 报2023年114差标校提供数据支撑在 TLE 每天更新的情况下，雷达操作员在值班过程中，如果发现匹配识别率低于 90%，或者进行精轨星精度分析时发现多批目标精度超差，可以辅助判断雷达各分系统状态是否出现异常4结束语从数据级的角度提出一种雷达实时状态检验的方法基于轨道理论的空间目标匹配识别，利用实时数据计算 O-C 可作为雷达状态初步判定结果；针对 TLE 历元相差较大情况，使用一种TLE 时延修正的目标匹配方法，通过迭代修正预报值和量测值之间的时间偏差，提升目标匹配识别成功率；基于精密星历的空间目标精度分析由于精密星历精度高，可以作为雷达状态的精判定结果，实时与准实时结合可以给值班员提供综合判定信息实验分析表明了该方法的有效性该方法可提升雷达数据整合和利用能力，为空间作战任务的决策提供有效数据支撑，对其他空间目标监视装备有一定的借鉴意义参考文献：1王丽,李璐,赵浩然.雷达系统中状态监控软件的研究与设计J.科技与创新,2018(12):140-141.2王蕾,赵子睿,林涛,等.雷达装备的状态支持系统设计与实现J.电子技术,2023,52(2):22-25.3蒲川.一种雷达健康状态维护方法,系统,介质及设备:CN110726978AP.2020-01-24.4李学民,张永福.某雷达装备健康管理系统设计研究J.电子制作,2023,31(6):70-73.5孙靖,胡松杰,平劲松.低轨道空间目标TLE及SGP4轨道计算精度分析C/测绘通报 测绘科学前沿技术论坛.南京,2008:692-696.6张欣欣,王磊,许钡榛,等.ERP预报误差对低轨卫星精密轨道预报的影响J.大地测量与地球动力学,2020,40(5):482-485.7韦春博,谷德峰,邵凯,等.不同大气密度和阻力计算模型对低轨卫星轨道预报精度的影响C/第九届中国卫星导航学术年会论文集.哈尔滨,2018:107-112.8吴会英,齐金玲,周美江,等.适用于低轨卫星的轨道预报误差经验模型生成方法及系统:CN201710345825.0P.2021-10-08.9周嘉俊,李勇,陈润静,等.GPS卫星精密星历的轨道插值J.地理空间信息,2018,16(1):54-57.10 张健,孙斌.基于跟踪精轨卫星的雷达角度标校方法研究J.现代雷达,2022,44(3):29-35.Real-time verification method for space target surveillance radar statusbased on orbital theoryTANG Yunlong1,2,NIU Junqing1,2,CHENG Pengfei3,CHEN Fei3(1.No.38 Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Hefei 230088,China；2.Key Lab ofApertureArray and SpaceApplication，Hefei 230088,China；3.No.63768 Unit,the PLA，Xi an 710600,China）Abstract：In order to achieve the real-time status monitoring of space target surveillance radar,this paper pro-poses a real-time verification method for space target surveillance radar status based on the orbit theory.Firstly,based on the orbit theory,the paper calculates in real time the deviation between the measured value and the theo-retical calculated value of each tracking arc segment of the space target,judging the radar working status and dataquality from the data level according to the deviation,and then in quasi-real time uses the precision ephemeris andradar measurement to quantitatively analyze the radar tracking accuracy.Experimental analysis shows that throughthe combination of real time and quasi-real time,the proposed method can effectively improve the capabilities ofdata integration,development and utilization,as well as the capability to provide data support for decision-makingin space combat missionsKey words：space target surveillance radar；orbit cataloguing；orbit theory；radar working statu