通过两台光电望远镜对空间目标共视观测能够定位空间目标,并且能够解决光电望远镜短弧测角数据的初轨确定问题,但其定位精度与空间目标和两台光电望远镜所形成的观测几何有关。首先对空间目标共视观测定位误差进行分析,然后推导其均方根误差的解析表达式,最后基于长春站和上海佘山站并结合不同轨道高度的低轨激光星CPF(Consolidated Prediction Format)星历生成仿真共视观测数据,用来对空间目标共视观测定位以及定轨精度进行分析。结果表明,两台光电望远镜对低轨空间目标的定位精度能够达到100 m,利用定位数据进行初轨确定可以得到轨道的半长轴误差小于10 km。

基于某光电望远镜阵列研究分析了宽视场型光电望远镜的精密定轨（POD）和轨道预报（OP）精度。利用国际激光测距服务提供的卫星激光测距数据对激光星Jason-3、Cryosat-2进行精密定轨，并将其作为参考轨道，分析了宽视场型光电望远镜观测数据对Jason-3、Cryosat-2的POD和OP精度。计算结果表明，宽视场型望远镜观测数据的POD均方根（RMS）位置误差优于250 m，速度误差的RMS小于0.25 m/s。基于POD结果的3天轨道预报精度优于20″，这表明宽视场型光电望远镜在提高观测效率的同时，能通过事后对观测数据的处理获得空间目标较高精度的轨道信息，为有轨道信息需求的工作和空间任务提供数据支持。

测角数据的初轨确定(IOD)是通过光学观测技术进行空间目标编目的关键,然而对于低地球轨道(LEO)空间目标,地基光学观测所获得的数据弧长较短且不包含距离信息。因此,在进行IOD时,所得轨道的误差往往较大,难以应用于进一步的工作中。针对上述问题,研究了LEO空间目标的非协同共视观测技术及其初轨确定,并基于统计学提出了一种利用非协同共视观测技术定位空间目标的新方法。结合中国科学院空间目标与碎片观测网的光学测角数据进行了实验验证,结果表明,所提方法对Ajisai卫星定位的均方根(RMS)误差小于100 m,对空间碎片CZ-2C R/B定位的RMS误差小于200 m,优于传统的三角视差法。随后,将上述定位结果用于IOD,所得轨道半长轴的误差在1 km左右。

空间目标工作状态异常检测是空间态势感知(SSA)的重要内容,也是提高卫星监控效率、保障卫星正常工作的有效手段。针对低轨目标因运动速度较快、观测几何条件变化明显而导致的历史观测数据应用受限的问题,提出了一种基于动态时间规整(DTW)距离的空间目标异常检测方法。该方法结合太阳、目标、测站之间的相对几何关系、空间目标运动特性和空间目标光度学之间的关系,实现了对低轨空间目标运行状态及指向状态的快速诊断。最后利用所提方法分别对风云、GPS、天宫在7种不同工作状态下的光度测量数据进行了大量仿真计算。仿真结果表明,目标状态异常检测正确率达到了90%上,验证了所提方法的有效性。

地基光学成像是对空间目标进行探测识别的重要手段。本文分析了近十几年间建立的用于天文观测的巨型望远镜设备不能对地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)目标进行高分辨率观测的主要原因: 除大气湍流对成像质量的影响和分辨率的限制外, 还有GEO目标尺寸和目标亮度昏暗问题。因此需要引入非传统成像技术解决上述问题。 本文研究了几种采用激光照明的非传统光学成像方法, 具体分析论证了稀疏孔径成像、强度相关成像、剪切光束成像和傅立叶望远术等光学成像技术, 阐述了各成像技术的优势与局限性, 分析了几种方法对GEO暗弱目标高分辨率成像的应用前景。

针对经典MTI 算法在处理某型微纳卫星拍摄的视频图像时存在较为耗时的现象，以及空间目标轨迹投影不连续造成无法使用连通域标记同一目标的问题，本文提出一种改进的MTI 算法用于空间目标检测。算法通过设计像素“感受域”，消除了空间目标轨迹投影不连续的现象。同时，在简化了像素时序信号投影的步骤后，仍能保留原算法对背景杂光和噪声的滤除作用，并使得算法速度得到提升。基于某型微纳卫星拍摄的视频图像进行算法实验，结果表明，本文算法对于轨迹投影不连续空间目标的检测无虚警，算法速度约为0.06 s/f。

针对地基大口径望远镜的机上自适应光学系统构建的低轨空间目标偏振成像系统, 提出一种基于非偏振标准星和机上起偏装置的宽带偏振定标方法。该方法以非偏振标准星作为光源, 并在望远镜系统的一次像面处加入起偏装置对入射光的偏振态进行调制, 再结合基于非线性最小二乘拟合的偏振定标方法分两步对整个偏振成像系统进行宽带偏振定标。为验证该偏振定标方法的效果, 利用Matlab软件基于相干矩阵和偏振追迹构建了相应的模型进行仿真分析, 仿真结果表明该偏振定标方法可以有效减小望远镜系统偏振效应对偏振探测准确性的影响, 并且偏振定标元件的初始角度误差在±5°范围内时对偏振定标准确性的影响极小。

空间目标光谱是空间目标光学特性的本质体现, 能够反映空间目标的材质属性, 通过将实验室测量的材质光谱与实测空间目标光谱进行匹配处理, 可以识别目标的材质类型, 有助于分析空间目标的类型及工作状态。 针对空间目标光谱测量及材质信息反演问题, 研究空间目标光谱形成原理、 反演方法及红化效应等问题。 结合空间目标的固体光谱特点, 分析了振动光谱、 电子光谱对350~2 500 nm谱段的贡献。 对基于空间目标光谱开展目标材质识别的三种常用方法进行了概括, 即人工神经网络法、 粒子群优化法和频谱解混法, 对常用的反射率及其导数、 中心位移等特征参数进行了分析。 研究了空间目标光谱的红化效应, 指出红化效应是由部分氧化物进入空间后出现脱氧效应所致。 部分含氧元素的空间目标材质进入空间后会出现氧元素从材质表面脱离的现象, 脱氧后的材质会与空间环境中的污染物结合形成松散的化学键, 此类化学键更易吸收长波波段的光能量, 且波长越长越易被吸收, 从而导致反射率斜率随波长增加而上升的红化效应。 在极端空间环境的持续作用下, 空间目标表面材质会出现化学变化、 物理变化等老化问题, 通过光谱观测能够对材质的老化情况进行分析, 为及时修复现有卫星、 补发替换卫星提供依据。

空间目标识别有利于掌握空间目标的运行状态和在轨行为。点目标测量是获取空间目标数据源的主要手段。针对从多种特性参数融合后的点目标测量信息解算空间目标特性难度大的问题, 分析了空间目标的基本属性, 包括几何特性、材料特性、光度特性等, 研究了国外几种基于点目标测量信息的空间目标识别方法的基本原理和实现途径。研究结果表明: 通过合理的解算算法设计, 可以对点目标测量信息进行深度挖掘, 识别出有效信息。