基于天基观测网络的卫星光学定位研究

对于空间高速运动目标比如导弹来说，通过天基网络对目标进行光学定位，可以很好地改善地基观测系统定位精度不高的问题。在本文的研究中先对单星的可观测性能进行了分析，然后基于天基观测系统中的双星目标几何定位得到目标的位置信息，再使用无迹卡尔曼滤波算法(UKF)对目标进行定位跟踪。从仿真结果分析可知，无迹卡尔曼滤波算法在对超高速运动的目标进行定位跟踪时有更高的稳定性和优越性，可使得对目标的定位误差达到100 m/1000 Km以下。

随着各国向太空发射的卫星越来越多，利用天基网络观测系统对目标进行检测已成为当前发展的趋势，且相对于地基观测系统观测时间短，定位精度不高，天基网络光学观测系统受到的条件限制较少， 探测范围大、定位精度高，可以用来实现特定目标的跟踪定位。

目前美国大力发展的空间目标监视系统(SBSS)对运动目标具有成像效果好、定轨精度高、监视能力强、处理速度快等优点[1]；还有由天基红外预警系统(SBIRS)中低轨部分发展而来的空间跟踪与监视系统(STSS)和精确跟踪与监视系统(PTSS)目前已经成功实现部分在轨运行，其余部分也在不断完善[2]。

在天基网络观测系统中，最基础也是最重要的部分就是分析系统的定位精度。由于光学传感器只能获得光学卫星与观测目标之间的相对角度信息，比如方位角和俯仰角，故使用单颗光学卫星来观测无法获取目标在实际空间内所处的具体位置[3]。目前天基跟踪定位主要是通过结合多星光学成像信息的天基组网的方式，在星载光电平台上装上空间光学相机，通过控制光学相机的姿势对目标进行持续的跟踪定位[4]。与直接将相机安装到卫星上相比，使用星载平台来观测目标可以减少对卫星本体的控制，降低目标观测的难度。

本文通过对理论分析以及仿真实验相结合， 先后对单星的观测性能， 双星的定位过程和定位误差进行了相应的分析研究， 以及通过无迹卡尔曼滤波算法对目标进行跟踪定位， 达到提高精度， 降低误差的目的。

2. 单星观测模型 天基观测系统目标定位示意图如图1 所示，是一种由多颗卫星在单个或者多个轨道平面实现特点需求的卫星网络系统，将观测平台装载到每颗卫星上，如图2 所示。当目标出现在光学成像视场内时，可通过图像处理算法获取成像仪于目标之间的方位角和俯仰角，还可以通过闭环控制系统来驱动星载平台的转动跟踪和监视目标运动。

Figure 1. Schematic diagram of satellite network target positioning 图1. 卫星网络目标定位示意图