随着 SpaceX Starlink 等巨型星座的规模化部署，地球轨道空间正经历前所未有的拥挤。Starlink 计划部署超过四万颗卫星，这意味着在低地球轨道（LEO）区域，空间物体数量呈指数级增长，对空间态势感知（SSA）系统的实时性与准确性提出了严苛要求。传统的单一传感器监控模式 —— 无论是依赖地基雷达网络还是光学望远镜阵列 —— 在覆盖范围、探测频率和目标密度方面均暴露出明显瓶颈。多传感器融合技术因此成为突破这一困境的核心路径，其核心在于如何将来自光学、雷达等异构传感器的观测数据高效对齐，并通过最优算法实现轨道状态的精确估计与预测。
多传感器融合的首要挑战在于数据的时空对齐。不同传感器具有迥异的采样率、延迟特性和观测坐标系。地基相控阵雷达通常工作在 C 波段或 S 波段，具备全天候、全天时观测能力，但更新周期受限于机械扫描速度或波束调度策略，通常在秒级到分钟级之间。地基光学望远镜则受限于昼夜循环和天气条件，但能够提供高精度的角度测量数据。天基传感器虽然在观测几何上具备独特优势，却面临电源约束和星上计算能力的限制。为实现有效融合，系统必须建立统一的时间基准。一种常见的工程实践是采用统一时间戳协议，所有传感器数据在接入融合节点前需完成时间戳标记与校正。对于非同步采样数据，可通过线性插值或基于动力学模型的外推方法在时间维度上对齐，以满足滤波算法的输入要求。
坐标系转换是数据对齐的另一关键环节。传感器观测数据通常以传感器自身定义的坐标系给出：雷达测量多为斜距、方位角、俯仰角（SEZ 坐标系），而光学测量则为赤经、赤纬（天球坐标系）。将这些异构测量数据融合至统一的空间目标状态估计框架，通常需将其转换至地心惯性坐标系（ECI）或地心地固坐标系（ECEF）。这一过程涉及复杂的旋转矩阵运算，且必须考虑地球自转、岁差、章动等动力学因素。更为棘手的是，测量误差在不同坐标系下具有不同的统计特性。因此，在转换过程中，状态协方差矩阵也需同步变换，以确保不确定性在融合过程中被正确传播和累积。实践中，工程人员常利用开源库如 SOFA 或 IAU2006 模型实现高精度坐标转换，并配置相应的误差预算参数。
在数据对齐完成后，融合算法负责将多源信息综合为最优轨道状态估计。传统方法以卡尔曼滤波（KF）及其非线性扩展为代表。标准 KF 假设系统满足线性高斯条件，对于轨道动力学中的准线性运动分量具有极高的计算效率。扩展卡尔曼滤波（EKF）通过一阶泰勒展开近似非线性模型，是工程中应用最广泛的算法之一。无迹卡尔曼滤波（UKF）则通过确定性采样点（Sigma 点）逼近状态分布的统计特性，在处理强非线性轨道机动时表现出更优的稳定性。近期研究表明，针对线性运动分量采用 KF 建模，而对非线性机动分量引入注意力机制卷积长短期记忆网络（AC-LSTM），通过信噪比估计置信度并进行加权融合，可显著提升预测精度。该融合框架的核心在于建立自适应置信度评估机制：对于线性运动段，KF 的残差方差较小，置信度高；对于复杂机动段，AC-LSTM 的时序建模能力占优，置信度随之调整。
融合架构的选择同样至关重要。根据信息综合的层次不同，可分为测量级融合与航迹级融合两种范式。测量级融合将各传感器原始测量数据直接输入统一滤波器，其优点在于信息损失最小，但计算复杂度高且对传感器时间同步要求严苛。航迹级融合则首先在各传感器本地完成独立跟踪，生成目标航迹后再进行航迹关联与状态融合，其优势在于降低了通信带宽需求并提升了模块化程度。研究表明，在天基与地基传感器联合观测场景下，测量级融合在跟踪精度上占优，而航迹融合在计算效率上更具优势。一种折中策略是先进行本地预处理，再在融合中心完成状态融合，这在资源受限的边缘计算节点上具有良好的工程可落地性。
多传感器融合系统的工程化部署还需关注传感器配置几何与实时性能优化。传感器部署位置与目标观测角度的几何关系直接影响测量精度与关联成功率。工程实践中需建立传感器覆盖模型，优化传感器任务调度，以最大化关键区域的目标可见性。此外，随着深度学习模型的引入，星上计算资源的消耗成为新的约束条件。针对智能分布式卫星系统（iDSS）的计算特点，研究者提出了多种轻量化融合方案，包括模型蒸馏、量化感知训练等，以确保算法在嵌入式 GPU 或 FPGA 上的实时运行能力。
综上所述，多传感器数据融合是实现高精度轨道预测与碰撞规避的必由之路。成功的系统需在数据对齐层面建立严格的时间与坐标系同步机制，在融合算法层面平衡传统滤波与现代深度学习的优势，并在工程实现层面充分考虑计算资源与实时性约束。随着轨道物体数量的持续增长，这一技术方向将对空间交通安全产生深远影响。
资料来源：
- Wang C, Zhang J, Wang J, et al. Confidence-Based Fusion of AC-LSTM and Kalman Filter for Accurate Space Target Trajectory Prediction[J]. Aerospace, 2025, 12(4): 347.
- Hussain K F, Safwat N E, Thangavel K, et al. Space-based debris trajectory estimation using vision sensors and track-based data fusion techniques[J]. Acta Astronautica, 2025, 229: 814-828.