空间碎片精密测角和测距仿真数据定轨性能分析

目前空间碎片精密跟踪数据可以通过光学测角和激光测距两种手段获取。文中旨在通过大量的仿真实验来分析上述两种手段获取的数据对碎片定轨及预报性能的影响,以期根据各自的特点更好地利用稀缺的数据资源。首先利用了2015年1月Starlette和Larets卫星CPF精密预报轨道作为参考轨道,仿真生成基于国内区域内4个观测站精度1的测角数据和精度1 m的测距数据,然后,利用仿真数据生成单站和双站算例并进行定轨,得到完整弧段及部分弧段的测角、测距数据定轨预报结果。结果表明:在上述观测数据精度基础上,测角数据较测距数据在定轨中的表现更加稳定,将完整通过弧段缩短至90 s时,约75%的角度定轨算例的短期(1~2天)预报轨道仍能够满足20精度要求。实验结果同时表明:单站、双站定轨预报误差分布相似。     

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。     

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。     

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。     

白天空间目标激光测距微弱信号探测方法

白天空间目标激光测距数据有助于提高空间目标定轨精度,在航天科研方面具有重要应用价值。白天天空背景较亮,激光测距回波信号一般很弱,从较强背景光中识别出微弱的空间目标激光回波信号十分困难。针对白天空间目标激光测距微弱信号探测技术难题,从白天天空背景噪声影响估算入手,计算了不同探测阈值情况下的测距虚警率,分析了白天激光测距距离门宽与探测阈值的关系,给出了白天对空间目标激光测距的回波信号探测阈值,提出了基于多光子探测器的白天激光测距微弱信号探测方法,并对其可行性进行了实验验证,该研究成果可应用于白天空间目标激光测距系统设计及新型激光测距系统发展研究等方面。     

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。     

电磁篱笆系统交叉干涉仪测角技术研究

测向精度对电磁篱笆系统的空间碎片定轨有较大影响,文中分析了波达方向、测角误差、最大基线间距等因素对干涉仪测向精度和解模糊的影响,提供了一种满足解模糊条件的基线布置方法。研究分析了交叉干涉测向仪技术在NAVSPASUR系统中的应用方法。针对NAVSPASUR系统的基线布置,运用空间匹配滤波的方法对不同波达方向来波进行了测向解模糊仿真分析。分析结果表明在系统工作的张角范围内该方法是有效的。     

基于阵列探测技术的激光测距数据预处理方法

阵列探测技术对回波信号及其微弱的空间碎片激光测距系统具有重要意义,可提高探测成功概率。针对这一崭新的激光测距技术,文中研究了基于阵列探测技术的激光测距数据预处理方法。在常规卫星激光测距数据预处理方法基础上,针对阵列超导探测器特点,结合地靶测量方法和多高斯拟合及互相关分析方法,实现了多通道激光测距数据的通道间的时间偏差修正;利用泊松统计分析、循环拟合滤波等方法,实现了多通道激光测距数据的自动识别、数据拟合等。目前该方法已经成功应用于中国科学院云南天文台4×4阵列激光测距试验平台试验中,并获得良好的效果。     

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。     

基于轴向跟踪原理的角跟踪精度改进方法研究

随着计算机软件控制技术的发展,为提高对空间目标的测角定轨精度和测量数据的连续性、有效性,文章着重论述用基于计算机软件控制的轴向跟踪技术对传统测量雷达角跟踪精度的改进方法.     

空间目标激光测距技术发展现状及趋势

激光测距技术是空间目标轨道测定精度最高的手段,有利于实现空间目标高精度测量和监测,提高目标轨道预报精度和航天器机动规避能力。本文介绍了国内外漫反射激光测距技术、空间碎片激光烧融项目及一发两收测距技术的研究进展,提出了提高激光器功率、高重频测距、白天测距技术、发展阵列探测器等关键技术的发展趋势以及在碎片清除领域的应用前景。     

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。     

天基激光清除小尺度空间碎片变轨模型研究

通过选取LEO区域中两种典型材料的小尺度空间碎片,分别建立了相应的强激光与靶材的冲量耦合模型,研究了高能脉冲激光与靶材作用下碎片速度的变化规律。在此基础上建立了激光辐照作用下小尺度空间碎片的变轨模型。通过仿真分析,对假定功率激光器作用下两种典型材料空间碎片轨道参数的变化规律进行了数值模拟,并讨论分析了碎片自旋角速率及不同功率的激光器对碎片清理效能的影响规律。研究结果表明,在假定功率的天基平台激光器作用下能在一个飞行周期内辐照两种典型材料碎片达到降轨清除效果,为天基平台激光清除空间碎片技术的应用提供了必要的理论基础。     

小尺度空间碎片天基激光清除过程研究

选取LEO区域中典型材料的小尺度空间碎片,建立了相应的靶材模型,研究了高能脉冲激光与靶材作用下碎片速度的变化规律。在此基础上建立了激光辐照作用下小尺度空间碎片的变轨模型。通过仿真分析,对高能脉冲激光作用下典型空间碎片轨道参数的变化规律进行了数值模拟。研究结果表明,设定的天基平台激光站能在一个飞行周期内辐照典型材料碎片达到降轨清除的目的,为天基平台激光清除空间碎片技术的应用提供了必要的理论基础。     

地基激光辐照近地轨道小尺度空间碎片作用规律研究

通过研究脉冲激光与铝靶碎片的膨胀运动以及冲量耦合的相互作用,仿真分析了铝靶碎片在等离子体作用下的速度和压力时空分布规律以及冲量耦合系数与激光功率密度之间的定量关系;在此基础上,建立了基于地基的脉冲激光辐照近地轨道小尺度空间碎片动力学变轨仿真模型,模拟研究了近地轨道小尺度空间碎片移除过程中轨道偏心率与近地点高度随激光脉冲数目变化的影响规律。结果表明:在最优冲量耦合系数作用下,当脉冲数目达到180次轨道偏心率为0.071时,基于此文的条件可实现近地轨道小尺度空间碎片的有效移除。预期成果可为高能激光移除近地空间碎片技术的应用提供技术指导。