曲靖上空空间碎片姿态、分布和散射特性的统计分析

空间碎片监测对保障人类空间与航天活动具有重要意义.文中利用曲靖非相干散射雷达探测数据分析了空间碎片统计分布特征,并探讨了空间碎片姿态.主要结果包括:1）空间碎片多集中在800 km和1 000 km高度区域,尺寸主要分布在10~30 cm,径向速度主要集中在1 km/s附近.通过速度的对称性推测空间碎片轨道倾角应关于极轨道对称.2）验证了空间碎片的翻滚姿态特性并推测出空间碎片形状随轨道高度的变化趋势,即在更高的轨度高度上形状更加均匀规则.同时可利用翻滚姿态与其他空间目标如卫星进行识别分类,即如果雷达散射截面积（radar cross section,RCS）较大,且不具备周期性,则为正常的卫星过境.     

930MHz雷达测空间碎片散射截面

提出了在欧洲非相干散射雷达电离层探测原始数据中提取空间碎片信息的方法,采用匹配滤波技术和发射码模拟方法计算了空间碎片参数,分析空间碎片所处雷达波束位置导致散射截面的差异性,按照中国科学院国家天文台预报理论模型轨道计算,通过理论方向图修正雷达散射截面后,与美国太空监测网所公布的数值进行比较。结果证实了电离层的探测原始数据可提取空间碎片的信息,通过碎片所处雷达波束位置修正散射截面可以提供较为准确的雷达散射截面。     

北极500 MHz非相干散射雷达空间碎片凝视探测的统计分析

对北极500 MHz非相干散射雷达2007年5月-2008年2月期间73天的空间碎片观测数据进行了统计分析.主要结果如下:1）共观测到88 679个空间碎片,每天平均约1 215个,每小时平均约50个;2）800~1 000 km的空间碎片数目明显多于其他探测距离门区域,空间碎片速度在-1.25~1.25 km/s对称分布,空间碎片尺寸主要分布在3~10 cm区间;3）从数天的短时间尺度来看,空间碎片分布特征变化较小;从数月的长时间尺度来看,空间碎片数量总体呈增加趋势,高度分布范围由集中逐渐扩散;4）860 km高度上的空间碎片数目出现时隔五个月的特别起伏变化;5）从地方时分布看,6-8LT和12-14LT空间碎片数目变密集.以上结论增加了对北极空间碎片分布特征的认识,对我国的空间碎片建模具有重要意义.     

基于532 nm波长的空间碎片白天激光测距研究与试验

为了提高中国科学院云南天文台1.2 m望远镜激光测距平台对空间碎片的监测能力,开展了白天空间碎片激光测距技术与方法研究。首先,分析了利用云南天文台现有的1.2 m望远镜激光测距试验平台开展白天空间碎片激光测距的可行性。然后,对白天空间碎片激光测距关键问题进行了分析并提出解决措施。通过白天空间碎片激光测距试验,获得了一部分空间碎片激光测距数据,所测量空间碎片的雷达散射截面范围为9.0～20.0 m2、近地点范围为400～900 km、远地点范围为500～900 km。结果表明：云南天文台空间碎片激光测距平台具备空间碎片白天激光测距的潜力,可为后续开展全天时空间碎片激光测距研究提供技术支持。     

曲靖非相干散射雷达在空间碎片探测中的应用

目前,空间碎片探测方面的研究越来越受重视,曲靖非相干散射雷达的建成进一步加快了我国空间碎片探测的步伐.本文基于曲靖非相干散射雷达基本特性,首先利用Mie理论研究了498MHz、500MHz和502MHz三个频率理想球形目标的散射特性并进行了分析,结果表明目标大部分散射能量分布在前向及其附近方向;然后以编目为14209的空间碎片为例,通过该雷达的探测得到其后向雷达散射截面（RCS）为0.0043m²,并给出了该雷达的最小可探测目标,这说明了曲靖非相干散射雷达在空间碎片探测方面具有优良的性能,目标电磁散射截面按500MHz计算正确有效,并能够满足工程需要.最后,以西安7.3m和1m天线为例分析了该结论对非相干散射雷达优化布站以及组网探测空间碎片具有参考价值.     

空间碎片天基光子计数激光探测研究

为了满足空间碎片探测与精确定轨的需求,采用光子计数的高灵敏激光探测方法,讨论了盖革模式下雪崩二极管探测器的光子计数探测基本原理,并建立了引入探测器与空间碎片的相对径向速度的天基光子计数探测模型,进行了空间碎片光子计数激光探测的理论分析和仿真验证。结果表明,在可探测速度范围内,光子计数激光探测技术能有效探测到尺寸为10cm的空间碎片目标,测距平均误差为34.72cm。与传统地基雷达和光电探测手段相比,此技术测距精度能提高3个数量级,可有效降低航天器与空间目标碰撞的概率。     

阵列探测技术在激光测距中的应用

高精度的空间碎片观测数据对航天器碰撞预警具有重要意义,激光测距技术是目前空间目标距离测量中精度最高的一种技术,但大多数空间碎片上并未携带角反射器装置,激光测距回波信号较弱。阵列探测技术可以提高回波信号较弱的空间碎片激光测距探测成功概率,中国科学院云南天文台2015年开始开展基于阵列探测技术的激光测距试验,2017年成功将阵列超导纳米线单光子探测器和多通道事件计时器等阵列探测技术应用于激光测距试验系统中,分别在2017年3月和2018年3月的激光测距试验中,成功采集2×2和4×4阵列激光测距数据。其中探测到最小目标为轨道高度约1 000 km、大小为雷达截面（Radar Cross Section,RCS ） 0.045 m2的空间碎片;探测到最远目标为斜距约5 000 km、大小为RCS 18.25 m2的空间碎片。     

53 cm双筒望远镜高重频空间碎片激光测距系统

空间碎片的存在对在轨运行航天器的安全构成严重的威胁,同时空间碎片的不断产生对有限的轨道资源也将构成严重威胁。采用激光测距技术可实现空间碎片的实时高精度定轨,从而可有效规避其对航天器的撞击。为了开展高精度小尺寸空间碎片激光测距,研制了可快速平稳跟踪400 km以上空间目标的53 cm双筒望远镜,然后结合低功率高重频亚纳秒激光器和单光子探测技术,在该望远镜上研究和实现了空间碎片激光测距技术。结合激光测距方程,分析研究系统的空间碎片探测能力,当碎片距离为1 000 km时,能探测到回波光子的碎片最小尺寸约为478.5 cm。实际观测表明:该激光测距系统具有探测米级空间碎片（约1 000 km远）的能力。     

星载太赫兹雷达碎片预警技术

由于地球同步轨道(GEO)的衰减周期长,累积效应突出,空间碎片对卫星安全产生日益严重的威胁,特别是地基设备无法观测的危险空间碎片。根据碎片分布与运动特性,开展地球同步轨道星载太赫兹雷达碎片预警技术研究。针对工作波长、目标尺寸与雷达截面积(RCS)、观测范围与工作方式进行论证,完成雷达系统方案和仿真分析。雷达采用有源相控阵天线,天线尺寸为250 mm×250 mm,工作频率为140 GHz,平均功率为190 W。雷达能够在方位与俯仰±15°、距离为1.95~24.12 km内搜索与跟踪尺寸为6.8 mm~15 cm的碎片,并对将要产生的撞击进行预警,预警时间4~35 s。     

空间碎片地基雷达探测工作频率探讨

简述了国外空间碎片地基雷达探测系统的工作频段,然后从最大探测距离、雷达散射截面、大气传播损耗和频段外部噪声等与频率的关系分析了工作频率的选择方法,最后对分析进行总结,证明了所论述内容的科学性和可行性。     

空间碎片地基雷达探测综述

微动特征是空间碎片目标特性研究与识别的重要特征量。为提升非相干散射雷达在空间碎片微动特征提取中的应用,设计了一种基于雷达的目标微动特征提取方法,包括距离徙动修正、目标平动速度和加速度余项修正、时频分布计算、逆Radon变换等,并利用曲靖非相干散射雷达实测回波数据进行分析验证。结果表明,利用非相干散射雷达实测回波可有效提取空间碎片自旋或翻滚半径、周期、频率以及姿态角等特征参数,进而初步判断其形状,仿真和实测数据分析结果与预期情况基本相符。本文工作验证了电离层非相干散射雷达用于空间碎片微动特征提取的可行性,为空间碎片监测与目标特性研究识别提供了新技术手段。

     

基于单固体F-P标准具的双频率多普勒激光雷达研究

提出了基于单固体Fabry-Perot（F-P）标准具的双频率多普勒激光雷达技术。介绍了系统结构,并分析了系统的风场探测原理。根据探测指标要求,对系统各单元参数,特别是F-P标准具参数进行了详细的优化设计。利用得到的优化参数对雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:采用100 mm口径的望远镜和脉冲能量50 J、重复频率6 kHz的半导体激光器,在发射激光仰角60、距离分辨率60 m和脉冲累计时间1 min的情况下,晴天时,系统在3 km高度处的径向风速误差小于0.75 m/s;有薄雾时,系统在1.5 km高度处的径向风速误差小于0.58 m/s。在发射激光仰角8、距离分辨率60 m和脉冲累积时间10 s的情况下,不同的能见度天气时,系统在4 km处的径向风速误差都小于1 m/s。     

基于单距离匹配滤波的太空碎片雷达成像

对于尺寸小于雷达距离分辨率的太空碎片进行雷达成像,以前提出的方法只有SRDI (Single Range Doppler Interferometry)。该文针对太空碎片运动特点,给出了一种单距离匹配滤波太空碎片成像方法。该方法利用一个距离单元横向回波数据经不同旋转半径参考信号匹配滤波后得到太空碎片二维像。仿真结果表明这种方法比SRDI方法计算量少、成像效果好。     

System feasibility study of a microwave/millimeter-wave radar for space debris tracking

A 35 GHz millimeter-wave radar system has been studied for space debris tracking. The objective is to track the particles ranging in size from 4 mm to 80 mm up to a range of 25 km. The system requires various state-of-the-art technologies including phased arrays, monopulse tracking, pulse compression, high power transmitters, low noise receivers, and pulse integration signal processing techniques.     

危险空间碎片的天基激光雷达探测

小尺度危险空间碎片(厘米量级)是空间碎片监测的难点之一。针对厘米级空间碎片的探测需求,提出了一种基于天基激光雷达的主动探测新方案。该方案对激光强度进行宽带射频调制,并采用光学相干零差检测方式,通过chirp强度调制信号来获取空间碎片的距离和速度信息,在提高接收信噪比的同时简化了系统结构。首先简要介绍了该激光雷达的系统组成和工作原理,分析研究了系统在不同条件下的探测性能,并与传统直接检测激光雷达的探测性能进行了对比。理论分析和仿真结果表明,该探测方案是可行和有效的,对空间碎片的有效探测距离可达50 km以上。