基于TLE数据的空间目标大气再入预报

刘劲宏

重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074

空间态势感知的主要任务之一是空间目标监测和编目，目的是提供全链条轨道数据服务，其中包括空间目标的再入和陨落预报。Spacetrack网站向全球用户提供了公开可获取、编目空间目标数量最多的两行轨道根数(two line element,TLE)数据库，是开展空间目标轨道力学研究的重要数据源。如何利用该数据库实现无控目标再入时间、位置和坠落区域的精确预报，对于空间碎片管理和地面的安全评估至关重要。利用TLE数据对空间目标进行无控再入预报，一般包括TLE异常清理、弹道系数估计、轨道确定和再入预报。围绕这几个关键环节，论文主要内容如下。

(1) 针对现有算法在清理TLE轨道根数异常存在的问题，如阈值设定不合理、清理策略不统一、异常清理不彻底等，提出了基于最大期望算法的TLE轨道根数清理技术，该算法具有更严密的理论支撑且可以统一应用于任意TLE根数的异常清理，适用对象更为广泛，清理异常效果显著优于现有技术。

(2) 针对最小二乘法在TLE定轨中存在的问题，如数值问题、误差评定不可靠，提出了单纯形调优TLE轨道确定算法。为了克服局部最优这一缺陷，设计了连环使用蒙托卡罗(MC)采样技术的算法，使得定轨结果不受初始状态误差的影响，具有可靠性、稳定性和有效性，适用于任何类型的TLE轨道确定。

(3) 针对已有轨道传播器描述火箭体大气阻力模型并不准确，引入了基于雷诺数的大气阻力系数模型，重新对轨道进行数值积分。与已有的高精度数值轨道传播器HPOP和武汉大学WHU-SST半解析轨道传播器的预报结果对比，最高可降低13%的预报误差。针对再入前24 h短时间再入预报问题，采用MC技术进行采样，使得预报的再入时间误差控制在2.5个轨道周期内。

(4) 陨落预报的最低要求是陨落点应该在预报区域内。目前，除少数拥有GPS精密星历的卫星可以获得初始状态的误差外，仅仅利用TLE数据尚无可靠的误差评估。为此，首先利用本文定轨方法估计再入前最后1组TLE的最优结果及其误差；然后，利用MC采样技术。通过陨落预报结果分析，发现陨落位置分布范围主要受到轨道偏心率和倾角的不确定性影响。为减少陨落预报区域的不确定性，由陨落时间的统计分布求期望值，引入1～3 h的不确定时间窗口。