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。

上海天文台近红外波长空间碎片激光测距研究进展

激光测距技术对空间碎片测量精度最高,是空间碎片碰撞预警最有力的手段之一。针对传统532nm波长空间碎片激光测距面临测量能力瓶颈问题,以及近红外波长激光测距技术优势,上海天文台在国内率先开展了近红外波长(1064nm)空间碎片激光测距技术研究。通过解决近红外波长光束指向监视与瞄准、近红外波长激光回波探测等关键技术,采用1kHz重复率、输出功率8W、1064nm波长激光器,实现了空间碎片测量。通过对测量结果对比分析,验证了1064nm波长激光测距系统探测能力。为开展远距离小尺寸碎片目标、亚分米级精度测量研究,合作研制了1kHz重复率、40W输出功率、1064nm波长激光器系统,进行了高重复率近红外波长空间碎片测距试验,其中对失效铱星目标测距精度达分米级(约9cm),初步验证了该激光器系统性能,为上海天文台开展远距离小尺寸目标空间碎片激光测量以及白天激光测距技术研究奠定了基础。

高海拔1.2 m望远镜的瓦级皮秒激光空间目标测距研究

高精度的空间碎片测量,可以提供更精确的碎片目标实时信息,增强卫星对空间碎片的规避预警实效性。通过对青海口径1.2 m量子通信望远镜(海拔3200 m)进行改造,采用单脉冲能量1.2 mJ、重复频率1 kHz皮秒激光开展了卫星激光测距(SLR)与空间碎片激光测距(DLR)试验,其中合作卫星的探测范围由低轨扩展至同步轨道,测距精度优于2 cm;空间碎片目标测量最远距离1620.5 km,雷达散射截面积(RCS)为2.41 m^(2),测距精度达到10.64 cm,实现了单套激光器系统既可开展合作目标厘米级高精度测距,又可实现空间碎片观测。这是目前为止国际首次采用高重频低功率激光测距系统实现对空间碎片目标高精度测量,体现了皮秒激光及高海拔大口径望远镜测量优势,为我国西部开展空间目标的激光测距提供参考,以及为空间碎片激光测距系统选址与空间碎片监视能力的提升提供了有效途径。

基于1.06 μm波长的空间合作目标及碎片高精度激光测距试验

常规卫星激光测距大多数采用532 nm波长激光,但受激光能量和大气透过率低等瓶颈制约,在微弱目标探测如碎片激光测距、月球激光测距中使用难度较大.本文介绍了基于1.06μm波长的激光测距技术,分析了1.06μm测距技术在激光能量、大气传输、背景噪声、单光子探测等方面相对于532 nm激光测距的优势,分析了其应用于微弱目标激光测距的前景,提出了针对1.06μm激光测距系统的改造方案,在上海天文台532 nm卫星激光测距系统的基础上,完成了系统改造,国内首次利用1.06μm增强的In Ga As探测器实现对合作目标的高精度厘米级激光测距,证明了1.06μm波长激光测距技术在系统噪声和测量效率等方面的优势,并且实现了该波长对1500 km空间碎片目标的高精度激光测距,为未来远距离微弱目标高精度近红外波段激光测距提供了紧凑、低成本、易操作的测量技术方案.

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。

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。

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 m^2到大于10 m^2,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。

地基空间碎片激光测距技术发展与应用(特邀)

随着航天航空技术的快速发展,环绕地球轨道空间碎片数量迅速增加,占用了有限的轨道资源,同时威胁在轨运行航天器的安全,其陨落也对人们构成严重恐慌.激光测距具有波长短、发散角小、方向性好、单色性好、抗干扰强等特点,能显著提升空间碎片轨道与姿态测定精度.本文对空间碎片激光测距做出较全面的理论分析,从激光工作模式、回波探测与接收等方面介绍目前研究现状及技术与应用情况,对正在发展的千赫兹重复率脉冲串模式、百千赫兹脉冲群收发交替模式空间碎片激光测距技术特点,以及空间碎片白天激光测量技术进行阐述.提出将超高重复频率激光测距技术应用在空间碎片激光测距上,为进一步提高空间碎片激光测距能力提供一种新方法.

空间碎片激光测距系统研究

为了对空间碎片进行有效监测,基于60 cm卫星激光测距系统,利用实时时间偏差修正及目标闭环跟踪、激光出射方向控制、预报实时修正等技术,建立了与卫星激光测距并置观测的空间碎片激光测距（Debris Laser Ranging,DLR）系统,实现了高重复频率空间碎片常规观测。长春站在26个观测日里获得有效数据466圈,其中晨昏数据26圈,观测高度角范围19°~87°,测距精度可达1.0 m（RMS）,测距范围400~1 800 km,观测的雷达散射截面（RCS）最小可达0.9 m2。与国内外DLR台站性能比较,长春站高重复频率DLR系统精度高、观测距离范围大、RCS较小、回波数据多,观测数据稳定可靠,已经达到国际领先水平。该系统可还用于高层大气、高轨道小尺寸空间碎片监测、多手段观测技术联合等应用的研究。

基于有效回波概率估计空间碎片激光测距系统作用距离

基于回波光子数方程估计空间碎片激光测距系统作用距离时,最小可接受回波光子数很难确定。本文提出了通过改变空间碎片实测数据回波稀疏性获得精度变化曲线的退化模型,以＂精度不变＂作为衡量条件,确定保精度情况下系统最小可识别有效回波概率,从而估算系统作用距离的方法。首先,根据单光子雪崩探测器＂关门＂特性,得到了有效回波概率与测量距离关系。然后,建立实测数据的稀疏性退化模型得到测量精度与有效回波概率的跃变曲线,根据精度曲线中＂保精度平台＂的＂跳变点＂获得最小可识别有效回波概率。最后,根据最小可识别回波概率获得系统对不同大小典型空间碎片的作用距离。分别处理了有效截面积为3.884 0,6.391 2和9.855 5m2的3种典型空间碎片的实验数据,结果表明：系统在满足m级测距精度的前提下,可识别的最小有效回波概率为0.02~0.044,对上述不同特性典型空间碎片相应的最大作用距离分别为820,1 520和2 250km。提出的模型在精度不变情况下解决了系统最小可识别有效回波概率难以确定的问题,大大减少了实验成本。

53cm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。

空间碎片激光测距探测能力分析

针对利用激光测距技术探测空间碎片这一新的发展趋势,基于国内外现状和未来探测的需求,首先对空间碎片激光测距的探测成功率进行了理论计算;其次计算分析了望远镜口径大小、激光器单脉冲能量及重复频率与可探测空间碎片大小及探测距离之间的关系。研究结果表明,采用大功率激光器与大口径望远镜可有效地提高空间碎片的探测能力。为满足探测微小空间碎片(尺寸在20 cm左右)的需要,建议采用能量在2 J^3 J之间、重复频率为100 Hz的激光器和口径1.2 m以上的望远镜。

地基激光测距系统观测空间碎片进展

卫星激光测距作为地基光电望远镜系统重要技术应用，可直接精确测量空间碎片距离，提升碎片目标轨道监测精度。基于上海天文台60 cm 口径激光测距望远镜，应用百赫兹重复率高功率激光器、高效率激光信号探测系统等，建立了空间碎片激光测距系统，实现了对距离500～2600 km、截面积0.3～20 m2 的碎片目标观测，测距精度优于1 m，具备了碎片目标常规测量与应用能力。此外，开展了空间目标白天监视技术研究，实现了亮于6 星等恒星的白天观测，并进行了望远镜局部指向误差模型分析，分析结果可应用于空间碎片白天激光观测的目标监视与引导。

高精度空间碎片激光测距卫星星座

针对地基激光测距系统测量高轨空间碎片时测距站点分布距离受限、激光能量受大气衰减的问题,文章设计了一种高精度空间碎片激光测距卫星星座。星座部署于太空中,可确保空间碎片测距误差更小、探测距离更远。星座采用分布式三星星座设计,部署于地球静止轨道,呈等边三角形构型,两两间距约73030km,星下点经度间隔120°。文章分析了地球遮挡引起的观测盲区,计算得到三星星座对高轨空间碎片的覆盖率约71.5%,并提出改进的3+1星座和3+2星座以提升覆盖率。文章分析了星座所携带的激光器主要参数,结果表明重复频率1kHz、单脉冲能量62.91mJ、脉宽66ns的激光器可保证测距效能。天基卫星星座分布范围广,可从不同角度获得空间碎片位置信息,从而通过位置误差交叉以缩小空间碎片位置误差,方位误差可从千米级提高至米级,提升约3个数量级。结合星座本身定位误差,文章分析得到空间碎片的综合位置误差约十米量级,比地基系统的测量位置误差提升2个数量级。高轨激光测距卫星星座有助于获得更准确的空间碎片位置信息,有效服务于空间碎片精密定轨,保障在轨航天器运行安全。

空间碎片激光测距的距离预报偏差实时修正算法

为在空间碎片测距过程中实时修正距离预报偏差,提高距离门回波搜索捕获效率和测距成功率,以空间目标轨道相对运动动力学为理论基础,构建了近圆轨道空间碎片距离预报偏差实时修正的理论模型和算法模型。理论模型中的空间几何模型定义了站-星矢量和预报偏差矢量的空间相对位置关系,状态演化模型以Clohessy-Wiltshire方程为数学基础对相对运动的演化过程进行数学描述,角度观测模型构建了视位置角度偏差观测量和预报偏差矢量的几何映射关系。算法模型以卡尔曼滤波器作为相对运动初始状态求解器,实现了对距离预报偏差真值的最优估计。所选近地合作目标的数值仿真统计结果显示,角度观测量标准差为2″时,距离预报偏差实时修正算法能够在过境弧段的前15%以内将距离偏差量修正至小于100 m,是一种有效的预报偏差实时修正技术。

一米望远镜空间碎片漫反射激光测距系统

为减小空间碎片对空间活动的影响，利用高精度激光测距技术进行空间碎片的跟踪与观测研究，能够大幅提高其定轨精度，对空间碎片的监测与预警可起到很重要的作用。文中详细介绍了长春人造卫星观测站一米望远镜空间碎片漫反射激光测距系统。该系统采用了500Hz高功率激光器，提高发射激光功率；利用大视场导星，实现目标闭环跟踪并提高初轨预报精度；通过对望远镜发射系统与接收终端的改造，使其具有空间碎片激光测距功能，实现了空间碎片的有效激光测距，获取的观测目标最远距离达到1700km、最小有效雷达散射截面达到1m^2，单次测距精度约80cm。该系统将会为空间碎片精密定轨及其他研究提供很大帮助。

空间碎片激光测距微弱信号实时识别方法

针对传统二次滤波算法在空间碎片激光测距微弱信号实时识别中表现出误检率高的问题,基于空间碎片激光测距回波信号时间相关性的特点,本文提出采用一次滤波和线性拟合相结合的方法,顾及微弱信号实时识别的搜索代价与识别精度,实现了空间碎片激光测距微弱信号的实时识别。利用空间碎片激光测距实测数据进行了算法验证,结果表明:本文提出的激光测距微弱信号实时识别算法能够快速准确提取空间碎片的微弱信号,误检率由原来的5.72%降低到0.12%,漏检率由原来的0.77%降低到0.34%,对提高空间碎片的探测成功率具有重要意义。

脉冲串皮秒激光技术及其空间碎片激光测距

空间碎片严重威胁在轨运行航天器的安全,并且对有限的轨道资源造成严重浪费。利用皮秒激光探测是高精度空间碎片激光测距的发展趋势。但是单脉冲运转的皮秒激光器峰值功率较高,易损坏光学器件,其能量与功率进一步提升难度较大。当皮秒激光以脉冲串方式运转时,可将脉冲能量分散到每个脉冲上时,不仅可以降低各单脉冲能量、避免器件损坏,也使得进一步提高皮秒激光输出功率成为可能。因此,脉冲串皮秒激光器对空间碎片的探测起到了重要推动作用,近几年得到了广泛关注。对脉冲串产生方法及激光进行概述,为从事超快皮秒激光研究人员及超快皮秒激光的应用提供技术参考。

空间碎片激光测距研究进展

激光测距技术作为空间目标距离测量精度最高的手段,在空间碎片测量与监测领域发挥了重要作用。本文介绍了国内外空间碎片激光测距技术的发展历程与目前的技术水平,总结了空间碎片激光测距技术在空间目标轨道确定、空间环境研究以及空间目标特征分析领域的应用研究,提出了空间碎片激光测距技术在多站联合测量、红外波段测量技术以及白天激光测距几个方向的发展趋势。

空间碎片激光测距技术及应用

空间碎片数量不断增多,对航天活动及空间资产安全造成重大威胁,成为影响航天事业发展和外空活动长期可持续的关键因素。随着空间碎片越来越被重视,各国都在大力发展和研发多种观测技术,提高碎片监测数量和精度,提升空间碎片应对技术能力。激光脉冲信号以其波长短、方向性及单色性好和抗干扰性强的优势,使激光测距成为目前空间目标测轨精度最高的主动式光电探测技术。文中介绍了空间碎片的增长趋势及其危害,总结了空间碎片激光测距技术的发展历程,阐述了激光测距技术原理和设备构成,详细分析了影响激光测距能力的因素、近红外波长(1064nm)激光测距技术的优势,以及空间碎片激光测距的误差来源。