基于Matlab使用地面雷达探测和跟踪LEO卫星星座仿真

此示例演示如何导入卫星星座的双线元素 （TLE） 文件、模拟星座的雷达检测以及跟踪星座。

填充和维护绕地球运行的空间物体目录的任务在空间监视中至关重要。这项任务包括几个过程：检测和识别新物体并将其添加到目录中，更新目录中的已知物体轨道，跟踪其整个生命周期中的轨道变化以及预测大气中的再入。在此示例中，研究如何检测和跟踪新卫星并将其添加到目录中。

为了保证在太空中的安全运行并防止与其他卫星或已知碎片的碰撞，正确检测和跟踪新发射的卫星非常重要。空间机构通常共享发射前信息，这些信息可用于选择搜索策略。通常使用由围栏型雷达系统组成的低地球轨道（LEO）卫星搜索策略。围栏式雷达系统在空间中搜索有限的体积，并在卫星通过其视野时检测卫星。这种策略可以快速检测和跟踪新发射的星座。

一、从 TLE 文件导入卫星星座

双线元素集是保存卫星轨道信息的通用数据格式。可以使用该对象导入 TLE 文件中定义的卫星轨道。默认情况下，导入的卫星轨道使用SGP4轨道传播算法进行传播，该算法为LEO对象提供了良好的精度。在这个例子中，这些轨道提供了地面实况，以测试雷达跟踪系统探测新发射卫星的能力。使用卫星场景查看器可视化星座。

二、模拟合成检测和跟踪星座

2.1 对空间监视雷达进行建模

定义两个带有扇形雷达波束的站，观察太空。风扇穿过卫星轨道，以最大限度地增加检测次数。位于北美的雷达站形成了东西向的围栏。

每个站都配备了一个雷达，该雷达通过使用物体进行建模。为了探测低地轨道范围内的卫星，雷达有以下要求：

• 检测距离最远 2000 公里的 10 dBsm 物体
• 在 2000 km 范围内以 100 m 的精度水平和垂直解析物体
• 方位角为 120 度，仰角为 30 度
• 仰望太空

2.2 雷达处理链

在此示例中，执行多个坐标转换和轴转换以正确运行雷达跟踪链。下图说明了如何转换上面定义的输入并将其传递到雷达。

在第一步中，计算本地雷达站 NED 轴中的每个卫星姿态。通过首先获取地面站 ECEF 姿态并将卫星位置和速度转换为 ECEF 坐标来实现此目的。雷达输入是通过获取卫星姿态和地面站姿态之间的差异并将差异旋转到地面站本地NED轴上来获得的。在第二步中，将所需信息添加到检测对象，以便跟踪器可以使用 ECEF 状态运行。

2.3 定义跟踪器

在上面定义的雷达模型输出检测。要估计卫星轨道，请使用跟踪器。传感器融合和跟踪工具提供了各种多目标跟踪器。在此示例中，选择了联合概率数据关联 （JPDA） 跟踪器，因为它在跟踪性能和计算成本之间实现了良好的平衡。

需要为跟踪器定义跟踪过滤器。可以使用比SGP4更低的保真度模型（例如运动方程的开普勒积分）来跟踪卫星。通常，目标运动模型中的保真度不足可以通过测量更新和在滤波器中加入过程噪声来补偿。支持函数 init开普勒UKF 定义了跟踪过滤器。

2.4 运行模拟

在本示例的其余部分中，将逐步完成方案以模拟雷达检测并跟踪卫星。本部分使用 进行可视化。使用此类可以显示带有不确定性椭圆的传感器和跟踪数据，并显示每颗卫星的真实位置。

首先在5小时内生成星座状态的整个历史记录。然后，模拟雷达检测并在循环中生成轨迹。

上图显示了每个雷达视角的轨道（蓝点）和探测（红色圆圈）。

经过5个小时的跟踪，大约一半的星座被成功跟踪。保持部分轨道覆盖的轨道具有挑战性，因为在这种配置中，卫星通常可以长时间不被发现。在此示例中，只有两个雷达站。预计其他跟踪站将产生更好的跟踪性能。

上表列出了发射星座中的40颗卫星，并显示了具有相关轨道ID的跟踪卫星。值为 NaN 的跟踪 ID 表示在模拟结束时未跟踪卫星。这要么意味着卫星的轨道没有通过两个雷达之一的视野，要么卫星的轨迹已经下降。跟踪器可能会由于初始检测次数不足而丢弃轨迹，从而导致估计值存在很大的不确定性。或者，如果卫星没有足够快地被重新检测到，跟踪器可以丢弃轨道，这样缺乏更新会导致分歧并最终删除。

三、总结

在此示例中，学习了如何使用航空航天工具箱中的对象从 TLE 文件导入轨道信息。使用 SGP4 传播卫星轨迹，并使用卫星场景查看器可视化场景。学习了如何使用传感器融合和跟踪 工具箱 中雷达和跟踪器模型来对空间监视雷达跟踪系统进行建模。所构建的跟踪系统可以使用低保真度模型预测每颗卫星的估计轨道。

四、程序

程序获取：基于Matlab使用地面雷达探测和跟踪LEO卫星星座仿真（附源码）

程序大全：Matlab和Simulink仿真程序汇总（2022年汇总，持续更新中）