[科普中国]-初轨确定

基本概念

初轨确定，是用少量观测数据粗略确定航天器轨道的过程，主要用于刚入轨或初次捕获的航天器的定轨。通过初轨确定可以迅速提供航天器运动的粗略情况，为轨道改进提供初值。初轨确定是轨道确定的一项基本内容。

卫星轨道确定通常有两个概念：初轨计算和轨道改进(现称精密定轨)。前者是在没有任何初始信息的前提下利用短弧资料来确定轨道，它和无摄运动的二体问题紧密相联。而后者则对应“完整”力学系统(符合问题精度要求的力学模型)的受摄二体问题，通常需要较长的测量弧段，这是定轨精度要求所需要的。由于可在卫星定轨的同时确定某些参数(与轨道有关的几何和物理参数)，扩展了传统意义下单纯的轨道改进，称其为精密定轨、或轨道确定和参数估计。就定轨的基本原理而言，两者并无实质性差别。但精密定轨涉及多变元迭代，必须具有一定精度的初始信息，这正是轨道“改进”之意，改进的对象就是精度未达到要求的初始信息；而初轨确定往往是在缺乏初始信息情况下进行的，这是精密定轨方法无法替代的。1

初轨确定的方法初轨确定的方法主要有拉普拉斯方法（初值问题方法）、高斯方法(边值问题方法)和巴特拉科方法。拉普拉斯方法根据观测数据解出初轨中一点的位置和速度，再用它们的分量求出轨道要素。高斯方法根据观测数据解出初轨中2个点的位置或速度，进一步求出轨道要素。巴特拉科方法在高斯方法基础上作了改进，先确定轨道周期，用增加观测数据的方法消除时间记录误差，以提高定轨精度。采用哪一种方法取决于观测数据的数量和种类。

现代测量精度已大为提高，利用高速电子计算机可以进行复杂的迭代计算，因此轨道确定对初轨确定的精度要求可以适当降低，只要轨道改进迭代求解时能收敛就可以了。有时也利用运载器主动段的运动参数来确定初轨。在运载器的制导精度较高时，设计的理论轨道也可以作为初轨。

应用在空间目标监视任务中，非相关目标（UCT）的初始轨道确定对于该目标的正确关联以及对其再次成功捕获都具有重要的意义。对GEO带内目标，天基观测平台受有效载荷、自身轨道周期以及系统工作模式的影响，仅能捕获数十秒至数分钟的超短弧段观测，这对初轨计算的精度有很大的影响。单星短弧段测量条件下的初轨确定具有一定的病态本质，初轨精度受观测弧长影响较大，难以采用某种算法加以克服，严重抑制了初轨计算的精度。

实际应用中，由于受传感器视场大小以及平台本身位置变化的限制，单星难以完成对整个空间的有效监视。可利用多颗卫星组成星座，各自负责监视搜索相应天区，组成天基光学栅栏，实现对全天球的监视，如美国计划构建中的天基空间目标监视系统SBSS将有3颗-8颗卫星组成。为实现对新发现目标的初轨确定，可考虑采用系统中的两个或多个传感器测量弧段融合确定初轨，可使初轨精度大大提高。这就需要在多平台传感器观测弧段的关联以及整个天基监视系统的工作模式设计和任务优化等方面展开进一步研究。2