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近年来,航天应用领域的拓展、飞行试验任务要求的提高以及更加复杂的空间环境给航天测控系统带来了极大的挑战。并且随着外测系统的快速发展,多台次、多类型外测设备逐渐被广泛应用,这对航天器外测数据处理的方法及精度提出了更加严苛的要求。因此,为了对航天器运行轨道进行准确描述、获得高精度的弹道参数,需要研究能够适用于实际工程的高精度外弹道测量数据处理方法。本文基于多设备组成的外测系统,主要进行了外测数据预处理、非线性非高斯系统下实时数据融合处理、弹道层事后数据综合处理三个方面的研究,具体研究工作如下:(1)针对外测系统中不同外测设备采用的测量坐标系不一致且时间基准不统一的问题,本文研究了测量极坐标系与发射坐标系间的空间对准模型,并对插值时间对准法和曲线拟合时间对准法进行理论分析,发现曲线拟合方法所获得的估计值会更接近于真实值,优势更大。(2)针对外测数据中存在的系统误差,分析了脉冲雷达和光电经纬仪这两种常用外测设备的主要系统误差源,建立了对应的系统误差模型;针对外测数据中的粗大误差,建立了基于最小二乘和时间多项式的非线性多点预测评估模型(Nonlinear Multi-Point Prediction and Evaluation Model,NMPPE),提出了基于该模型的野值判别与填充估计算法。通过对实际数据的测试,验证了该算法的有效性。(3)针对外测数据的多源特点和实时数据融合处理中面临的非线性非高斯问题,以无迹粒子滤波(Unscented Particle Filter,UPF)为工具,完善了两种实时数据融合处理方法,分别为基于建议分布的凸组合融合估计算法、序贯滤波融合估计算法。仿真结果表明,这两种融合策略可行且有效,轨道的估计精度有了明显的提高。(4)针对弹道层事后数据综合处理问题,研究了外测系统的精度评定、RAE测量体制下弹道参数的精度估算,并实现了弹道层数据加权融合算法,最后对某次飞行试验中的真实雷达外测数据进行了仿真验证,结果表明该处理算法能够得到预期的数据处理结果。(5)为了将所做研究工作更好地应用于实际中,本文基于MATLAB平台,设计并开发了集数据获取、数据预处理、实时数据与事后数据融合处理、评估报告生成功能为一体的外弹道测量数据处理软件系统。