基于视场映射模型的GEO目标观测覆盖性分析

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31570

电子电气工程与控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

基于视场映射模型的GEO目标观测覆盖性分析

顾轶¹, 王慧林², 郭鹤鹤³, 伍国华⁴, 曾志强⁵()

^1.中南大学交通运输工程学院，长沙 410083
^2.中国卫星导航系统管理办公室，北京 100034
^3.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094
^4.中南大学自动化学院，长沙 410083
^5.北京航空航天大学数学科学学院，北京 100191

收稿日期:2024-11-25 修回日期:2024-12-01 接受日期:2024-12-10 出版日期:2024-12-18 发布日期:2024-12-18
通讯作者: 曾志强 E-mail:zhiqiangzeng2018@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62373380);国家资助博士后研究人员计划(GZC20233380);中央高校基本科研业务费专项资金

Analysis of GEO target observation coverage based on field of view mapping model

Yi GU¹, Huilin WANG², Hehe GUO³, Guohua WU⁴, Zhiqiang ZENG⁵()

^1.School of Traffic and Transportation Engineering，Central South University，Changsha 410083，China
^2.China Satellite Navigation Office，Beijing 100034，China
^3.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China
^4.School of Automation，Central South University，Changsha 410083，China
^5.School of Mathematical Sciences，Beihang University，Beijing 100191，China

Received:2024-11-25 Revised:2024-12-01 Accepted:2024-12-10 Online:2024-12-18 Published:2024-12-18
Contact: Zhiqiang ZENG E-mail:zhiqiangzeng2018@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62373380);the Postdcoctoral Fellowship Program of the China Postdoctoral Science Foundation(GZC20233380);the Fundamental Research Funds for the Central Universities

摘要/Abstract

摘要：

地球静止轨道（GEO）航天器是具有高价值的空间资产，也是空间态势感知中的重要目标。面向我国太空安全保障的需求，本文基于天基观测平台，开展对高轨道空间目标覆盖分析的研究工作。首先提出天基观测平台的载荷视元模型，并建立观测GEO目标的载荷视元方程，通过对该方程进行求解，可以得到二维平面上的视场映射域，从而将天基平台对GEO目标的覆盖分析问题转化为二维平面上的轨迹相交问题；针对准GEO目标覆盖分析问题，通过提出等效地球自转角速度概念并改进视场映射域方法进行求解；进一步地，基于多星相对视场映射域的概念，将单星覆盖分析方法拓展至同质星座覆盖应用场景。大量仿真实验结果表明，与STK的计算结果对比，所提出方法的可见窗口计算精度优于0.1 s，这验证了所提出的模型和方法的有效性。

关键词: GEO目标, 天基观测资源, 态势感知, 映射域, 可见性计算

Abstract:

Geostationary Orbit （GEO） spacecraft are critical space assets and pivotal in space situational awareness. This paper addresses China‍’‍s space security requirements by conducting coverage analysis of high-orbit space targets from a space-based observation platform. Initially， a novel load element model for space-based observation platforms is introduced， alongside an equation for GEO target observation. Solving this equation delineates the field of view mapping domain on a two-dimensional plane， with the trajectory of the platform represented as a line segment. This reformulates the observation window issue for GEO targets into a trajectory intersection problem on the plane. To address the issue of quasi GEO target coverage analysis， we propose the concept of equivalent Earth rotation angular velocity and improve the field of view mapping domain method for solution. Additionally， the concept of a multi-star relative field of view mapping domain is introduced， extending the single-star coverage analysis to constellation coverage scenarios. Extensive simulation experiments reveal that the visible window calculation error of the proposed method is smaller than 0.1 s when compared to STK calculations， thereby validating effectiveness of the proposed model and method.

Key words: GEO target, space-based observation resources, situational awareness, mapping domain, visibility calculation

中图分类号:

V474.2

顾轶, 王慧林, 郭鹤鹤, 伍国华, 曾志强. 基于视场映射模型的GEO目标观测覆盖性分析[J]. 航空学报, 2025, 46(15): 331570.

Yi GU, Huilin WANG, Hehe GUO, Guohua WU, Zhiqiang ZENG. Analysis of GEO target observation coverage based on field of view mapping model[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(15): 331570.

图/表 19

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

表1

图8

表2

表3

长/短周期J2轨道预报模型的结果对比

观测目标	数值积分结果/s		误差/s
观测目标	起始时间	结束时间	起始时间	结束时间
G1	8 898.728	9 451.863	$-$ 0.003 9	$-$ 0.008 5
	48 822.683	49 229.827	0.064 5	$-$ 0.011 0
	54 886.238	55 220.068	$-$ 0.086 5	0.139 4
G2	24 288.210	24 761.893	$-$ 0.044 8	0.037 7
	30 472.099	30 630.911	0.120 6	$-$ 0.134 8
	70 126.754	70 680.704	0.019 8	0.044 1
G3	24 210.061	24 719.938	0.010 8	$-$ 0.026 9
	64 061.166	64 569.878	0.073 3	0.004 8

表3

图9

表4

表5

图10

图11

表6

图12

表7

参考文献 28

[1]	CAI H， YANG Y， GEHLY S， et al. Sensor tasking for search and catalog maintenance of geosynchronous space objects［J］. Acta Astronautica， 2020， 175： 234-248.
[2]	郝雅楠，陈杰，祝彬，等. 美军地基空间态势感知系统的现状与趋势［J］. 国防科技工业， 2019（3）： 34-37.
	HAO Y N， CHEN J， ZHU B， et al. Present situation and trend of ground-based space situational awareness system of US military［J］. Defence Science & Technology Industry， 2019（3）： 34-37 （in Chinese）.
[3]	宫经刚，宁宇，吕楠. 美国高轨天基态势感知技术发展与启示［J］. 空间控制技术与应用， 2021， 47（1）： 1-7.
	GONG J G， NING Y， LYU N. Development and enlightenment of space based situational awareness technology for high orbit in the United States［J］. Aerospace Control and Application， 2021， 47（1）： 1-7 （in Chinese）.
[4]	HU Y P， LI K B， LIANG Y G， et al. Review on strategies of space-based optical space situational awareness［J］. Journal of Systems Engineering and Electronics， 2021， 32（5）： 1152-1166.
[5]	WANG Y D， SUN S M， LI L. Adaptively robust unscented Kalman filter for tracking a maneuvering vehicle［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2014， 37（5）： 1696-1701.
[6]	YU J Y， HUANG D， LI W J， et al. Parallel accelerated computing architecture for dim target tracking on-board［J］. Computational Intelligence， 2024， 40（1）： e12604.
[7]	范志涵，蔡亚星，李凤簪. 针对GEO目标的美国天基态势感知技术发展研究［J］. 航天器工程， 2019， 28（6）： 87-95.
	FAN Z H， CAI Y X， LI F Z. Study on development of American space-based situational awareness technology for GEO objects［J］. Spacecraft Engineering， 2019， 28（6）： 87-95 （in Chinese）.
[8]	刘付成，叶立军. 基于多星编队的GEO目标巡视策略［J］. 空间控制技术与应用， 2022， 48（3）： 29-38.
	LIU F C， YE L J. Patrol strategy of the GEO targets based on muti-satellite formation［J］. Aerospace Control and Application， 2022， 48（3）： 29-38 （in Chinese）.
[9]	胡海鹰，朱永生，江新华. 美国高轨空间安全发展态势及其关键技术［J］. 空间控制技术与应用， 2022， 48（3）： 1-10.
	HU H Y， ZHU Y S， JIANG X H. The development trend of high earth orbit space security and key technologies［J］. Aerospace Control and Application， 2022， 48（3）： 1-10 （in Chinese）.
[10]	伍国华，王天宇. 基于自适应模拟退火的大规模星座测控资源调度算法［J］. 航空学报， 2023， 44（12）： 327759.
	WU G H， WANG T Y. Large-scale constellation TT & C resource scheduling algorithm based on adaptive simulated annealing［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（12）： 327759 （in Chinese）.
[11]	李恒伟，罗启章，顾轶，等. 基于滚动时域策略的中继卫星多目标动态调度优化方法［J］. 航空学报， 2024， 45（16）： 329706.
	LI H W， LUO Q Z， GU Y， et al. Multi-objective dynamic scheduling optimization method for relay satellites based on rolling horizon strategy［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（16）： 329706 （in Chinese）.
[12]	李宗凌，龙腾，赵保军，等. 面向预警场景的大规模星座协同调度标准建模与求解方法［J］. 航空学报， 2024， 45（22）： 330181.
	LI Z L， LONG T， ZHAO B J， et al. Standard modeling and solving methods for large-scale constellation collaborative scheduling for early warning scenarios［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（22）： 330181 （in Chinese）.
[13]	CAI H， GEHLY S， YANG Y， et al. Multisensor tasking using analytical rényi divergence in labeled multi-bernoulli filtering［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2019， 42（9）： 2078-2085.
[14]	HAN C， GAO X J， SUN X C. Rapid satellite-to-site visibility determination based on self-adaptive interpolation technique［J］. Science China Technological Sciences， 2017， 60（2）： 264-270.
[15]	GU Y， HAN C， WANG X W. A Kriging based framework for rapid satellite-to-site visibility determination［C］∥2019 IEEE 10th International Conference on Mechanical and Aerospace Engineering （ICMAE）.Piscataway： IEEE， 2019： 262-267.
[16]	HAN C， ZHANG Y J， BAI S Z. Geometric analysis of ground-target coverage from a satellite by field-mapping method［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2021， 44（8）： 1469-1480.
[17]	WANG X W， HAN C， YANG P B， et al. Onboard satellite visibility prediction using metamodeling based framework［J］. Aerospace Science and Technology， 2019， 94： 105377.
[18]	LAWTON J A. Numerical method for rapidly determining satellite-satellite and satellite-ground station in-view periods［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 1987， 10（1）： 32-36.
[19]	SUN X， CUI H， HAN C， et al. APCHI technique for rapidly and accurately predicting multi-restriction satellite visibility［C］∥Proceedings of the 22nd AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting. San Francisco： AAS， 2012： 212-216.
[20]	LI S， HOU K H， CHENG C Q， et al. A space-interconnection algorithm for satellite constellation based on spatial grid model［J］. Remote Sensing， 2020， 12（13）： 2131.
[21]	YANG H W， ZHANG Y， LI S， et al. Rapid determination of low-earth-orbit occultation-event windows［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2024， 47（5）： 979-985.
[22]	LI J， ZHANG G， TIAN L F. Orbit design and optimization for point target revisit in LEO-LEO occultation［J］. Journal of Aerospace Engineering， 2024， 37（6）： 04024083.
[23]	ZHANG Y J， HAN C， SUN W， et al. Geometric-based method for regional-target coverage analysis［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2023， 59（3）： 2252-2265.
[24]	顾轶，孙秀聪，范黎明，等. 基于仰角视元模型的星地快速覆盖分析方法［J］. 航空学报， 2024， 45（23）： 330372.
	GU Y， SUN X C， FAN L M， et al. A rapid satellite-ground coverage analysis method based on elevation view element model［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（23）： 330372 （in Chinese）.
[25]	YU J Y， HUANG D， LI W J， et al. Dim staring debris targets detection method with dense long trailing star［J］. Applied Sciences， 2023， 13（16）： 9148.
[26]	LIU D， ZONG Q， ZHANG X Y， et al. Enhancing space-based situational awareness： real-time observation of dynamic targets with meta-cooperative-scheduling net［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2024， 60（6）： 8198-8211.
[27]	YANG H W， ZHANG Y Y， BAI X L， et al. Real-time satellite constellation scheduling for event-triggered cooperative tracking of space objects［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2024， 60（2）： 2169-2182.
[28]	张洪波. 航天器轨道力学理论与方法［M］. 北京：国防工业出版社， 2015： 210-214.
	ZHANG H B. Theories and methods of spacecraft orbital mechanics［M］. Beijing： National Defense Industry Press， 2015： 210-214 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

观测目标	轨迹相交法/s			STK/s			绝对误差/s
观测目标	起始时间	结束时间	时长	起始时间	结束时间	时长	绝对误差/s
G1	8 898.724	9 451.855	553.131	8 898.724	9 451.847	553.123	0.003 8
	48 822.748	49 229.816	407.068	48 822.715	49 229.806	407.091	0.020 9
	54 886.151	55 220.208	334.057	54 886.167	55 220.169	334.002	0.027 3
G2	24 288.166	24 761.931	473.765	24 288.148	24 761.926	473.778	0.011 1
	30 472.220	30 630.776	158.556	30 472.259	30 630.722	158.463	0.046 7
	70 126.774	70 680.748	553.974	70 126.758	70 680.724	553.966	0.019 9
G3	24 210.072	24 719.911	509.839	24 210.072	24 719.897	509.825	0.007 2
	64 061.240	64 569.883	508.643	64 061.207	64 569.866	508.658	0.024 7

观测载荷	轨迹相交法/s			STK/s			绝对误差/s
观测载荷	起始时间	结束时间	时长	起始时间	结束时间	时长	绝对误差/s
圆锥载荷	24 129.537	24 919.834	790.297	24 129.524	24 919.824	790.300	0.011 5
圆锥载荷	30 223.582	30 880.763	657.182	30 223.590	30 880.744	657.154	0.013 7
	64 196.040	64 563.843	367.803	64 195.974	64 563.840	367.866	0.034 4
	69 984.244	70 823.445	839.202	69 984.224	70 823.418	839.194	0.023 7
矩形载荷	24 235.854	24 794.190	558.335	24 235.849	24 794.175	558.326	0.009 8
矩形载荷	30 292.713	30 688.857	396.144	30 292.711	30 688.724	396.013	0.067 6
	70 126.269	70 686.049	559.780	70 126.252	70 686.027	559.775	0.019 2
六边形载荷	24 395.352	24 644.376	249.023	24 395.336	24 644.369	249.033	0.011 3
六边形载荷	70 209.336	70 588.334	378.998	70 209.329	70 588.304	378.975	0.018 6

目标-半长轴/km	轨迹相交法/s			STK/s			绝对误差/s
目标-半长轴/km	起始时间	结束时间	时长	起始时间	结束时间	时长	绝对误差/s
G4-20000	5 868.464	6 566.342	697.878	5 868.454	6 566.337	697.884	0.007 5
	21 007.266	21 864.039	856.773	21 007.262	21 864.028	856.766	0.007 9
	36 284.896	37 024.900	740.004	36 284.895	37 024.878	739.983	0.011 1
	76 280.168	76 978.319	698.151	76 280.123	76 978.292	698.170	0.035 6
G5-25000	11 757.050	12 568.449	811.399	11 757.056	12 568.436	811.380	0.009 7
	27 345.479	27 992.436	646.957	27 345.452	27 992.427	646.975	0.017 9
	48 547.511	49 485.391	937.879	48 547.488	49 485.369	937.880	0.022 6
	69 907.449	70 833.634	926.185	69 907.439	70 833.607	926.168	0.018 1
G6-35000	12 045.128	12 681.837	636.709	12 045.106	12 681.838	636.731	0.011 3
	17 811.749	18 875.710	1 063.961	17 811.748	18 875.699	1 063.951	0.005 5
	45 592.987	46 429.200	836.213	45 592.953	46 429.185	836.232	0.024 5
	51 488.188	52 504.129	1 015.940	51 488.189	52 504.105	1 015.916	0.012 3
	79 182.383	80 139.768	957.385	79 182.342	80 139.736	957.394	0.035 9
	85 181.964	86 112.876	930.912	85 181.965	86 112.844	930.879	0.016 3

卫星序号	轨道圈次	轨迹相交法/s			STK/s			绝对误差/s
卫星序号	轨道圈次	起始时间	结束时间	时长	起始时间	结束时间	时长	绝对误差/s
Sat1	4	24 129.537	24 919.834	790.297	24 129.524	24 919.824	790.300	0.011 4
	5	30 223.582	30 880.763	657.181	30 223.590	30 880.744	657.154	0.013 6
	11	64 196.039	64 563.844	367.805	64 195.974	64 563.840	367.866	0.034 3
	12	69 984.243	70 823.445	839.202	69 984.224	70 823.418	839.194	0.023 6
Sat2	4	22 678.828	23 358.310	679.482	22 678.813	23 358.302	679.489	0.011 3
	5	28 656.650	29 435.877	779.227	28 656.649	29 435.860	779.212	0.008 8
	12	68 480.607	69 312.255	831.648	68 480.584	69 312.230	831.646	0.023 7
	13	74 681.357	75 162.086	480.729	74 681.381	75 162.039	480.659	0.035 2
Sat3	4	21 287.393	21 741.185	453.792	21 287.366	21 741.189	453.824	0.015 7
	5	27 122.145	27 956.319	834.175	27 122.140	27 956.304	834.164	0.009 6
	11	67 003.471	67 775.456	771.985	67 003.439	67 775.431	771.992	0.028 4
	12	73 071.305	73 763.199	691.894	73 071.309	73 763.166	691.856	0.018 7
Sat4	5	25 613.016	26 450.609	837.593	25 613.010	26 450.597	837.587	0.008 7
	6	31 854.590	32 257.657	403.067	31 854.613	32 257.622	403.010	0.028 7
	11	65 562.310	66 205.068	642.758	65 562.265	66 205.048	642.783	0.032 0
	12	71 512.819	72 309.226	796.406	71 512.811	72 309.200	796.389	0.016 9

卫星序号	轨道圈次	轨迹相交法/s			STK/s			绝对误差/s
卫星序号	轨道圈次	起始时间	结束时间	时长	起始时间	结束时间	时长	绝对误差/s
Sat1	3	18 152.227	18 551.807	399.580	18 152.225	18 551.797	399.573	0.005 7
	9	51 813.309	52 211.144	397.835	51 813.300	52 211.132	397.832	0.010 1
	13	79 441.024	79 836.821	395.797	79 440.991	79 836.785	395.794	0.034 6
	14	85 474.375	85 869.285	394.909	85 474.362	85 869.270	394.908	0.013 8
Sat2	3	16 643.157	17 043.313	400.156	16 643.152	17 043.302	400.150	0.007 9
	9	50 303.785	50 703.814	400.030	50 303.772	50 703.799	400.027	0.014 1
	14	83 964.781	84 363.608	398.827	83 964.765	84 363.587	398.822	0.018 0
Sat3	3	15 135.510	15 533.862	398.352	15 135.504	15 533.853	398.349	0.007 1
	8	48 795.079	49 194.910	399.831	48 795.065	49 194.889	399.824	0.017 0
	14	82 455.430	82 855.655	400.225	82 455.405	82 855.629	400.224	0.025 0
Sat4	3	13 639.152	14 024.312	385.159	13 639.084	14 024.301	385.217	0.039 7
	4	19 661.833	20 058.397	396.564	19 661.833	20 058.392	396.559	0.002 7
	8	47 288.114	47 685.332	397.218	47 288.094	47 685.308	397.214	0.021 5
	9	53 322.794	53 546.109	223.314	53 322.788	53 545.921	223.133	0.096 9
	14	80 947.186	81 346.435	399.249	80 947.156	81 346.403	399.247	0.030 7

基于视场映射模型的GEO目标观测覆盖性分析

Analysis of GEO target observation coverage based on field of view mapping model

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 19

参考文献 28

相关文章 4

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	张宏宏, 李文华, 郑家毅, 刘宏斌, 张鹏, 高鹏, 甘旭升. 有人/无人机协同作战：概念、技术与挑战[J]. 航空学报, 2024, 45(15): 29653-029653.
[2]	陈军, 梁晶, 程龙, 佟龑. 基于FCM的多无人机协同攻击决策建模方法[J]. 航空学报, 2022, 43(7): 325526-325526.
[3]	樊会涛, 闫俊. 空战体系的演变及发展趋势[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 527397-527397.
[4]	唐帅文, 周志杰, 姜江, 曹友, 陈媛, 叶燕清. 考虑扰动的无人机集群协同态势感知一致性评估[J]. 航空学报, 2020, 41(S2): 724233-724233.