基于TLE數據的空間目標大氣再入預報

劉勁宏

重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074

空間態勢感知的主要任務之一是空間目標監測和編目，目的是提供全鏈條軌道數據服務，其中包括空間目標的再入和隕落預報。Spacetrack網站向全球用戶提供了公開可獲取、編目空間目標數量最多的兩行軌道根數(two line element,TLE)數據庫，是開展空間目標軌道力學研究的重要數據源。如何利用該數據庫實現無控目標再入時間、位置和墜落區域的精確預報，對于空間碎片管理和地面的安全評估至關重要。利用TLE數據對空間目標進行無控再入預報，一般包括TLE異常清理、彈道系數估計、軌道確定和再入預報。圍繞這幾個關鍵環節，論文主要內容如下。

(1) 針對現有算法在清理TLE軌道根數異常存在的問題，如閾值設定不合理、清理策略不統一、異常清理不徹底等，提出了基于最大期望算法的TLE軌道根數清理技術，該算法具有更嚴密的理論支撐且可以統一應用于任意TLE根數的異常清理，適用對象更為廣泛，清理異常效果顯著優于現有技術。

(2) 針對最小二乘法在TLE定軌中存在的問題，如數值問題、誤差評定不可靠，提出了單純形調優TLE軌道確定算法。為了克服局部最優這一缺陷，設計了連環使用蒙托卡羅(MC)采樣技術的算法，使得定軌結果不受初始狀態誤差的影響，具有可靠性、穩定性和有效性，適用于任何類型的TLE軌道確定。

(3) 針對已有軌道傳播器描述火箭體大氣阻力模型并不準確，引入了基于雷諾數的大氣阻力系數模型，重新對軌道進行數值積分。與已有的高精度數值軌道傳播器HPOP和武漢大學WHU-SST半解析軌道傳播器的預報結果對比，最高可降低13%的預報誤差。針對再入前24 h短時間再入預報問題，采用MC技術進行采樣，使得預報的再入時間誤差控制在2.5個軌道周期內。

(4) 隕落預報的最低要求是隕落點應該在預報區域內。目前，除少數擁有GPS精密星歷的衛星可以獲得初始狀態的誤差外，僅僅利用TLE數據尚無可靠的誤差評估。為此，首先利用本文定軌方法估計再入前最后1組TLE的最優結果及其誤差；然后，利用MC采樣技術。通過隕落預報結果分析，發現隕落位置分布范圍主要受到軌道偏心率和傾角的不確定性影響。為減少隕落預報區域的不確定性，由隕落時間的統計分布求期望值，引入1～3 h的不確定時間窗口。