双望远镜的空间碎片激光测距试验研究

大口径望远镜有助于提升空间碎片目标测量能力。根据激光测距雷达方程应用多台相对较小口径望远镜同时接收激光回波信号,可等效实现单台大口径望远镜激光信号接收能力,弥补大口径望远镜在目标快速跟踪、系统运行维护等方面不足,并可兼顾测距系统测量能力和效率。基于中国科学院上海天文台相距约55 m的1.56 m和60 cm口径望远镜系统,研究了双接收望远镜测距技术,在国内首次开展双望远镜空间碎片激光观测试验,验证了多望远镜同时接收碎片目标激光信号测量技术。测量数据结果表明:1.56 m口径望远镜激光回波接收能力是60 cm口径望远镜的约3~4倍,双望远镜可等效于一台约1.65 m口径望远镜的激光接收能力,在远距离、小尺寸空间碎片目标高精度激光观测中将发挥重要作用。     

白天卫星激光测距望远镜指向误差修正方法研究

白天卫星激光测距时,由于望远镜机架受太阳辐照和温度变化等因素影响,指向误差时变性较大,影响了对白天卫星的精确跟踪指向。针对卫星过境天区,提出了一种通过白天恒星监视,实现望远镜局部指向误差快速修正的方法,消除环境温度变化效应,实现高精度望远镜指向。以中国科学院上海天文台60 cm口径卫星激光测距系统为平台,应用短波截止滤光技术,实现了对亮于3等恒星的白天监视;并在卫星过境天区选择到6到7颗恒星进行观测,建立望远镜局部指向误差修正模型,以满足白天激光观测需求。该方法对白天卫星测距特别是高轨卫星等具有一定应用价值,也可推广到其他需白天目标观测的望远镜系统。     

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。     

空间碎片漫反射激光测距试验

空间碎片的存在严重影响了在轨航天器的安全,国际上很多国家开展了空间碎片探测技术的研究,利用漫反射激光测距技术对空间碎片进行探测是一个新的发展趋势。根据空间碎片漫反射激光测距的特点以及国内外漫反射激光测距技术的发展趋势和现状,研究了云南天文台的空间碎片漫反射激光测距系统。分析了云南天文台进行空间碎片漫反射激光测距探测成功的概率以及该技术所需要具备的系统组成和关键技术,并通过空间碎片漫反射激光测距实测试验方法验证了该技术的可行性。实测数据结果表明空间碎片漫反射激光测距精度为50~250 cm。     

空间碎片激光测距应用研究

空间碎片的存在使空间环境日益恶化,已影响到空间活动的安全。国际上很多国家开展了空间碎片探测技术的研究,空间碎片激光测距技术成为一种新的探测手段。首先,概述了国内外空间碎片激光测距技术的发展趋势和现状。其次,在成功获得空间碎片激光测距回波的基础上,研究了激光测距数据联合测角数据单站定轨的方法,仿真计算结果表明,该方法的定轨精度优于单纯光学测角数据定轨的精度。最后,提出一种利用空间碎片激光测距误差来初步测定空间碎片尺度的方法,并分别通过地面靶激光测距实验和空间碎片激光测距实验验证了该方法的可行性,为空间碎片尺度测定提供了一种参考依据。     

卫星激光测距系统的指向偏差修正

为了控制激光测距望远镜准确指向目标,本文采用图像处理方法精确识别卫星位置,计算卫星质心相对于参考中心的偏差并转换为望远镜的脱靶量,从而通过伺服系统修正望远镜的指向偏差;同时识别光束图像,得到光尖位置并计算光尖点与接收视场中心的偏差量,修正激光束指向偏差。     

水平式望远镜静态指向误差的建模与修正

对水平式望远镜静态指向误差进行建模与修正。根据水平式望远镜具体构架,设立地平坐标系和照准坐标系,推导出水平坐标系、地平坐标系和照准坐标系之间的转换公式,考虑望远镜的三轴误差和编码器误差等因素,建立水平式望远镜静态指向误差补偿模型(以下简称本文模型)。通过实测得到的恒星坐标数据对球谐函数模型、基本物理参数模型及本文模型行修正验证,实验结果表明,某型水平望远镜采用本文模型修正后,设备总指向精度由修正前的150.96″,提高到4.12″,满足系统总体提出的精度要求,能够广泛地应用于科研和工程领域。     

随机Hough变换提取空间碎片激光测距有效回波

为解决空间碎片漫反射激光测距回波数据信噪比低,难以快速高效地提取有效数据点的问题,提出一种基于随机Hough变换的有效回波提取方法。考虑O-C残差中相邻信号点之间的时间相关性,将有效回波数据的提取问题转化为图像空间中的曲线识别问题。采用随机Hough变换,将确定一条曲线的n个数据点映射为参数空间中的一个点,并在参数空间中运用分数累加的策略进行曲线辨识,提取信号点。采用该方法处理中国科学院云南天文台空间碎片漫反射激光测距实验得到的数据,结果表明,该方法可以快速地提取近似曲线型分布的有效回波,且占用内存少,漏检率低,为自动高效提取空间碎片漫反射激光测距有效回波提供了新思路。     

空间碎片SRMF-CLEAN成像算法

提出一种空间碎片SRMF-CLEAN成像算法.该算法成功地将太空碎片运动的先验知识纳入到雷达成像过程之内,成像中利用单距离匹配滤波(Single Range Matching Filtering,简称SRMF)快速算法有效提高了分辨率与成像速度,并采用点扩展函数参数化模型,通过修正CLEAN算法抑制点扩展函数扰动的影响.二者结合,有效地实现了太空碎片高分辨成像.理论推导和仿真结果验证了该方法的有效性.     

空间碎片探测与测距复合系统光学望远镜

针对空间碎片探测与测距复合系统地面验证演示实验中,工作环境10~30 ℃、光学基台的尺寸限制（不超过450 mm×400 mm）以及光学望远镜尾部安装导致重心远离安装面的问题,提出了空间碎片探测与测距复合系统光学望远镜的设计。使用ANSYS有限元分析软件对光学望远镜建立了有限元模型,针对环境温度10~30 ℃、尾部安装状态下、光轴方向和垂直光轴方向1 g （g=9.8 m/s2）重力加速度工况下进行了分析。分析结果表明:光学望远镜整机一阶模态为133 Hz动态刚度较好,重力为光轴方向时主次镜间距最大变化量0.01 mm,重力为垂直光轴方向时主次镜间距最大为0.007 mm,光学望远镜系统波像差RMS值为λ/15,次镜最大倾角1.93″,具有较好的力、热稳定性,可以满足光学天线装校、检测以及外场实验验证过程中的指标要求。在光学望远镜装校完成后,使用ZYGO干涉仪对其像质进行检测,在重力垂直于光轴方向、环境温度10、20、30 ℃条件下进行检测,结果显示:系统波像差RMS值分别为0.097λ、0.075λ及0.1λ,整机光学望远镜系统波像差RMS值在最低温与最高温度时均优于λ/10均满足系统使用要求。     

地基激光测距系统观测空间碎片及其探测能力研究

空间碎片高精度测量是提升碎片目标精密监测与预警的重要途径。作为空间碎片地基光电探测技术,激光测距具有高精度测量特性。根据空间碎片激光测距特点以及瞄准国际技术发展,研制高性能高功率激光器、突破高效率激光信号探测等,国内首先建立了60 cm口径空间碎片激光测距系统,实现了碎片目标测量距离从500~2 600 km,目标截面积从小于0.5 m2到大于10 m2,具备了空间碎片常规测量能力。根据空间碎片激光测距方程,结合实际激光回波数据,综合考虑空间碎片过境时段等,构建了地基激光测距系统探测仿真模型,研究了60 cm口径空间碎片激光测距系统探测能力,可对距离1 000 km、直径大于50 cm碎片目标进行观测,与实际测量结果相符,验证了仿真模型的合理性,为未来地基激光测距系统高效运行及测量装备建设与探测效能评估奠定了基础。     

近红外空间碎片激光测距光束准直性标校方法

将1064nm波长激光应用于漫反射空间碎片激光测距,具有大气透过率高、回波光子数多、白天天空背景噪声低的优势。由于近红外激光束后向散射图像的信噪比与对比度较低,导致图像中光束边界模糊,光尖坐标提取困难,无法精确控制发射准直性和望远镜收发光轴平行性,不利于回波获取。为此,提出了一种基于图像处理的光束准直性标校方法,实现光束闭环控制,修正激光束出射准直性,提高望远镜收发光轴平行性。实验结果表明,所提方法能够显著改善1064nm波长激光束出射准直性,实现了望远镜收发光轴平行性的闭环控制。     

近红外空间碎片激光测距探测成功概率影响因素的研究

基于激光雷达方程和天空背景噪声估算公式推导出近红外空间碎片激光测距探测成功概率的计算公式,仿真研究了该公式中大气透过率和天空背景噪声的影响因素,经数据拟合,得到空间碎片激光测距探测成功概率的归一化表达式。在此基础上,仿真分析了太阳高度角、目标天顶角、目标轨道距离和目标横截面积对目标探测成功概率的影响。结果表明：目标探测成功概率随太阳高度角升高而减小,随目标轨道距离的增加而减小,随目标天顶角的增大而减小,当目标天顶角增加到70°时,目标探测成功概率开始急剧下降;目标轨道距离固定的情况下,目标探测成功概率随目标横截面积的增大而增大。该研究对提高空间碎片的观测效率具有一定的应用价值。     

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。     

基于星图匹配脱靶量标定的移动测站望远镜指向修正技术

目前,移动测站以其高机动性正逐步成为空间目标监测网络重要的系统组成,应用于空间目标的共视观测与精密跟踪。针对移动测站光电望远镜由于工况的不稳定性以及装调过程中存在的指向误差,文中提出了一种基于星图匹配脱靶量标定的指向误差修正方法。首先,根据编码器轴系定位筛选出定标星群并进行资料归算;其次,采用面向脱靶量标定的快速星图匹配算法识别出与测量恒星相匹配的定标星坐标,并作为理论位置;最后,将多颗测量恒星坐标带入脱靶量标定指向修正数学模型对望远镜的指向进行拟合与标定。实验结果证明：采集一组序列图像对光心指向进行修正,单帧图像的修正周期约为2.2 s,从第10帧后修正量基本趋于稳定。对全天区典型分布的一批子天区进行指向修正,指向误差均值由修正前的124.24″提高至4.97″,标准差从41.50″提高至4.76″。综上所述,基于星图匹配脱靶量标定的指向误差修正方法对于提高测站望远镜的指向精度效果显著,且该方法的修正过程与望远镜机架结构无关,因此也可适用于不同机架结构的望远镜指向修正。     

一种高精度液晶相控阵指向修正算法

电压的量化位数限制了波阵面相位的选择范围,导致波束的偏转角度偏离理想角度,从而降低指向精度。指向精度是液晶相控阵(LCPA)性能的重要指标之一。提出了一种提高指向精度的优化算法。该算法以最优化理论为依据,采用模式搜索方法,通过调整电压台阶的方式进行优化。首先分析了电压量化指向精度的影响,建立了波控模型,然后利用模式搜索法,以减小实际角度与理想角度之间偏差为目标进行相应的电压台阶修正。仿真结果表明,在扫描角度范围内,该算法能将归一化精度误差从100数量级降至10-3数量级,优化效果显著。     

面向武器协同作战的天线自适应指向算法

针对武器协同作战中相控阵天线追踪问题,提出了一种面向武器协同作战的自适应天线跟踪算法。自适应天线跟踪系统通过通信数据链获取目标的位置和姿态信息,结合系统自身的位置和姿态信息,通过自适应天线跟踪算法计算出相控阵天线指向的方位角和俯仰角。自适应跟踪算法引入位置姿态预测模型,在通信短暂中断的情况下仍可根据当前位置和姿态进行预测,实现自适应稳定跟踪。最后将自适应跟踪算法处理结果同应用场景结果比较,结果表明,仅在两极存在误差且误差不超过1°,系统跟踪精度满足战术武器协同数据链对天线跟踪指向的要求。     

一种面向空间应用的激光测距方案设计与实验

针对空间应用背景对激光测距系统宽测程、高精度、实时测量的要求,使用相位式激光测距法中分散的直接法设计了一种激光测距方案,其理论测程可以达到10 km,测距精度可以达到0.1m。对激光器和窄带滤光片提出了技术指标要求,对雪崩光电二极管（APD）进行了选型,并通过对空间环境背景噪声的分析和对空间非合作目标测程方程的分析验证了技术指标选择和APD 选型的合理性。实验结果表明:该系统最大测距误差为8.71 cm,符合测距精度优于0.1 m的技术指标要求,同时具有较高的动态性能,测距时间不超过1 ms。此外,系统具有较小的整体功率和质量,分别为13.29W 和693 g,可作为天基应用的有效载荷。     

国外激光测距望远镜设计的几个特点

在国外激光测距仪中,目前比较时髦的产品要算美国AN/GVS-5型、法国TPV-89型、挪威LP7型和以色列MT-18型等激光测距望远镜。它们虽然各有千秋,但都小巧玲珑,像军用双目望远镜一样手持使用,而且在目镜内具有距离、电压、无目标和多目标等显示的功能。现就其设计特点简述如下。