《Advances in Space Research》：Robust Association Method for Short-Term Sequences of Space Non-Maneuvering Dense Cluster Targets under Dual-Satellite Observation
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双卫星协同观测中，针对密集非机动空间碎片云的高效关联方法，提出融合轨迹插值修复、多层几何约束（视差一致性+可观测性归一化）及动态双量化修剪机制的创新框架。通过引入运动感知一致性重排序，有效抑制宽基线导致的几何歧义和误匹配问题，仿真实验表明该方法在复杂遮挡场景下关联精度显著提升。
沈瑞敏|郑振振|董磊|胡海英
中国科学院微卫星创新研究院，中国上海临港区学阳路1号，201304
摘要
对于双卫星协同观测空间目标群，目标之间的关联是重要的第一步。然而，大多数现有方法由于观测角度的剧烈变化和几何约束的差异，无法进行有效的匹配，导致关联结果不充分。为了解决这些问题，我们提出了一种基于稳健几何约束和自适应概率剪枝的双卫星短期序列关联方法。与大多数过滤技术不同，该方法采用了一种“主动修复-动态/静态协同”策略。该方法利用相对几何约束来重新连接被遮挡打断的短轨迹序列，从而重建数据的时空完整性。此外，通过多帧运动趋势约束来改进成本函数，以解决单帧极线“多对一”的几何模糊问题，并采用“双分位数保守剪枝”来更有效地处理错误关联问题。该方法已通过涉及非机动径向扩散碎片云的仿真场景进行了测试，结果表明该方法在处理高关联数量与错误关联数量之间的关系方面明显优于基线方法。
引言
随着人类太空活动的持续扩展，太空碎片已成为轨道环境长期可持续性和安全性的主要威胁（Liou和Johnson，2006；Utzmann和Wagner，2014；Kessler等人，2010）。对这些物体的可靠定位对于碰撞预警、轨道维护和事件后评估至关重要。在现有的监测方法中，基于太空的双卫星协同观测能够从两个视角获取的角度测量数据中恢复目标的三维位置。在这种情况下，两组观测向量之间的准确关联是后续任务（如初始轨道确定和精确定位）的前提条件（Karimi和Mortari，2011；Schildknecht，2007；Yanagisawa等人，2002）。当观测目标在破碎或碰撞后形成密集的非机动碎片云时，这个问题变得尤为具有挑战性（Siminski等人，2014），因为高目标密度、相互遮挡和碎片化观测容易导致匹配失败。
现有的双卫星数据关联方法大致可分为两类：单帧瞬时匹配和短弧（轨迹）关联。然而，在密集的目标群场景中，这两类方法都存在重要局限性。单帧匹配主要依赖于瞬时几何约束，因此当多个候选目标满足相似的投影关系时容易产生歧义。在密集场景中，这一问题更为严重，因为一个观测结果可能对应于同一几何约束下的多个候选目标（Hartley和Zisserman，2003；Harris等人，2024）。短弧关联引入了时间信息，可以减少一些歧义，但在宽基线观测下，由于投影运动和目标形态的显著变化，其有效性会降低（Blackman，2004）。此外，现有的针对非常短观测弧的方法在密集杂乱环境中仍然容易受到碎片化轨迹和交叉标记的影响（Li等人，2024；Liu等人，2023；Bar-Shalom等人，2009；Fujimoto和Scheeres，2012；Tommei等人，2007）。因此，在双卫星短期观测下对密集目标群的稳健关联仍然是一个未解决且具有实际意义的问题。
为了解决这些挑战，本文提出了一种针对密集非机动目标群在双卫星观测下的短期观测序列的稳健关联框架。主要思想是将时间修复与几何和运动一致性结合起来，以便在密集和模糊的场景中更可靠地关联碎片化观测数据。具体来说，首先使用基于轨迹的插值策略来修复碎片化的观测序列并恢复短期时间连续性。然后通过综合考虑极线几何、视差一致性和观测可行性标准化来构建多层几何成本，以提高在密集投影中的候选目标区分能力。最后，引入了基于运动的一致性重排序模块和双分位数剪枝机制，以抑制在退化几何和系统干扰下的伪关联。仿真结果表明，所提出的框架在广泛的交角和密集目标群配置下提高了关联的稳健性。
本文的其余部分组织如下：第2节分析了密集目标群的观测特性并介绍了相应的预处理策略。第3节介绍了核心关联框架，包括多层几何成本构建和时间置信度融合。第4节进一步介绍了基于运动的一致性重排序和双分位数保守剪枝机制。第5节报告了仿真设置和实验结果。最后，第6节总结了本文并讨论了未来的工作。
节选内容
密集目标群的观测特性和数据预处理
在针对密集非机动物体（如太空碎片云）的双卫星协同观测任务中，由于复杂的照明条件和相对运动几何的耦合效应，光学的视线（LOS）向量表现出显著的时空不连续性和分布不平衡（Siminski等人，2014；Schildknecht，2007）。主要的观测挑战可以总结为以下三个方面：
(1)由不对称性引起的数量不匹配
基线方法和框架优化的瓶颈
传统匹配方法的局限性。在当前的多卫星协同观测任务中，主流算法主要遵循“逐帧几何关联-时间过滤和跟踪”的层次化范式（如图2所示）。核心逻辑通常包括使用极线几何或单应性矩阵对瞬时观测进行初步的粗略几何关联（Hartley和Zisserman，2003；Yanagisawa等人，2002），然后
运动感知一致性和二次重排序
在理想的天体力学框架中，太空碎片碎片的运动受二体问题支配。经典的短弧轨道确定方法（如Gibbs和Herrick–Gibbs）可以利用局部轨道几何来恢复物理上一致的目标状态（Battin，1999），而基于距离/距离率的公式（包括三边测量和双重迭代）为轨道恢复和验证提供了额外的物理基础约束（Escobal，1976）。然而，在
仿真场景设置
为了验证所提算法的全面可靠性，并系统评估其在不同交角配置下的匹配精度，构建了一个高保真度的仿真环境，参考了现实世界的观测条件和链路误差。该场景允许灵活参数化观测几何、目标密度和运动特性，有效模拟了从常规共飞到极端情况的典型条件
结论
本研究提出了一种新的框架，用于克服双星协同观测中密集目标群的大视角差异和严重遮挡问题。所提出的解决方案包括时间插值、多层几何和运动感知优化。通过构建综合成本函数以及引入运动感知一致性和双分位数剪枝两个概念，作者建立了一个渐进的抗退化框架。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了[上海东方人才引领项目（项目编号Y4DFRCYG01）的支持。
