基于光电阵列系统的空间碎片精密定轨应用研究

光电阵列系统具有视场大、单元众多、覆盖空域广、可靠性高、实时性好等优点,在空间碎片探测领域中具有重要的作用。首先,为了解决空间碎片关联匹配问题,采用TLE数据,配合SGP4/SDP4模型,实现了光电阵观测空间碎片的数据关联匹配。随后,研究了空间碎片弹道系数计算方法,为基于观测数据定轨结果的空间碎片平均弹道系数的计算奠定基础。最后,基于长春人卫站建设的光电阵列系统,验证其数据精度、定轨精度以及弹道系数计算精度,实验结果表明:空间碎片关联匹配成功率达到91.19%;观测精度可达7:65′′;对拥有高精度激光测距的空间合作目标Sentinel-6A和HY-2C进行基于激光测距数据的精密定轨,并以定轨结果为标准轨道,对光电阵列观测系统所得光学数据进行精密定轨和3 d预报的均方差做精度分析,三维位置精度分别为319.11 m、107.25 m,速度精度分别为0.26 m/s、0.09 m/s;计算所得目标36508弹道系数生成的新两行根数3 d预报均方根误差为746.84 m,比公开数据均方根误差748.68 m减小0.25%,两者精度相近。以上结果说明该系统基本满足常规任务需求。

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.

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。

卷帘快门sCMOS相机对空间碎片观测的影响研究

同每个像素曝光开始及结束时间相同的传统科学级CCD相机相比,近年来出现的卷帘快门(rolling shutter)sCMOS相机工作时每个像素的曝光开始及结束时间不同,曝光时间相同,因此需要评估sCMOS相机像素之间曝光开始及结束时间不同对空间碎片测量精度的影响。首先测试了卷帘快门sCMOS相机的工作时序和最大延迟时间,并得出曝光不同步的改正公式,再以激光卫星为目标,测试了两种典型观测模式下空间碎片的天文定位精度,并对应用曝光不同步改正前后结果进行对比。测试结果表明sCMOS相机卷帘快门的工作时序与理论一致,边缘曝光延迟最大10ms;实测表明恒星位置内符合精度优于2arcsec,目标天文定位精度优于3arcsec。sCMOS相机能够用于空间碎片观测,能够实现较高的位置测量精度。

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。

空间碎片跟踪图像序列的目标识别方法

自动化观测已成为目前空间碎片光学观测的发展趋势,相应的完全无人工干预的目标自动识别成为迫切需要研究的课题.开环跟踪依据历史根数引导望远镜进行碎片的跟踪观测,是一种实现简单并且很稳健的观测方法.针对开环跟踪获取的观测图像,开展了目标在像素空间内的点列特征分析,提出使用像点簇识别算法来进行目标的自动识别,并对3种不同的簇识别算法实现进行了比较.

面向空间碎片观测的望远镜指向误差校正方法

空间碎片光学观测图像的处理过程中,受望远镜指向误差影响,背景恒星易出现错误匹配或无法匹配的情况,给底片模型的计算与目标的精密定位带来困难.从空间碎片观测图像的特点出发,提出了一种基于特征恒星的多邻域迭代匹配法.实测数据的试验结果表明,该方法消除了望远镜跟踪误差带来的影响,大幅提高了背景星图匹配的效率与正确率,且时间开销较少,有利于数据的实时处理.

吉林天文观测基地光学观测环境及相关研究进展

地基光学天文望远镜是人类探索与研究宇宙的重要手段,对已有地基光学台址的光学观测环境进行监测分析,可以为后期设备针对性改造以及观测者调整观测策略提供参考依据,对提升地基光学设备的观测效能具有重要的意义.吉林天文观测基地(简称“基地”)隶属于中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站,位于吉林省吉林市大绥河镇小绥河村南沟约5 km处(东经126.3°,北纬43.8°,海拔高度313m).基地大气视宁度均值范围约为1.3″-1.4″、天顶附近V波段的天光背景亮度为20.64mag·arcsec^(-2)、年晴夜数最高可达270余天,具有良好的天文观测条件.吉林天文观测基地于2016年投入运行,现有1.2m光电望远镜、迷你光电阵列望远镜、大视场光电望远镜阵列、新型多功能阵列结构光电探测平台等多台(套)光电望远镜设备.利用上述设备,主要围绕空间目标探测与识别、精密轨道确定、光电探测新方法以及变源天体的多色测光等开展相关研究工作,与多家国内高校及科研院所保持着良好的合作关系.

空间目标光电观测网中的目标分配问题

针对空间目标光电观测网中的目标分配问题,通过对编目实际情况的分析,考虑了目标的探测率、编目定轨对测量数据的要求和编目更新率,提出编目效率的概念并给出相应计算方法。在此基础上,建立了空间目标分配优化的线性规划模型。数值仿真表明,模型有效,求解可行,可用于空间目标光电观测网的日常运行,提高观测网的运行效率。编目效率概念同时也可作为对观测所需资源消耗的度量,从而实现对观测网编目能力的评估。

空间碎片多源数据融合定轨软件SPODFMD简介

空间碎片多源数据融合定轨软件SPODFMD(Spacedebris Precise Orbit Determination Fusing Multi-source Data)是由紫金山天文台卫星精密定轨团组自主研发的一款数值法编目定轨软件,目的是解决国内空间碎片监测网获取的多源数据融合问题.软件设计初期,充分调研了国内主流空间碎片监测设备。考虑到空间碎片轨道和物理特征的复杂性、大量碎片轨道更新对计算效率的要求以及工程应用对稳健性的要求等现实因素,在定轨算法中集成了具有自主知识产权的地球重力势及其偏导数无奇点快速算法、无奇点DTM94(Drag Temperature Model)大气密度模型及其偏导数的解析表达方法、大偏心率轨道密集星历精密快速计算算法以及稳健的自适应加权方法等结合软件工程设计理论,目前已实现了14种主流设备获取数据的任意融合,并取得了典型场景下的秒级定轨速度,适用于高、中、低轨和各种偏心率特点的全轨道碎片,且不存在计算奇点和极性奇点,经初步测试证实了SPODFMD软件的多源性、高效率、通用性和稳健性效果.

空间目标的地基红外观测研究进展

作为一个新兴的研究方向,空间目标的地基红外观测能够与传统雷达和光学观测形成互补,完善空间监测机制。红外具有宽阔的波段范围和特有的热辐射波段,在光谱分析和白天观测方面蕴藏着更大的发展潜力。近年来美国开始征用大型的红外望远镜,或者通过改造光学望远镜,研究空间目标在红外波段的特性。综述了参与空间目标地基红外观测的望远镜工作状况,以及近10年来空间目标监测在红外巡天、白天观测、测光和光谱分析方面的研究进展,最后对空间目标的地基红外观测研究进行总结与展望。

空间碎片天基光学观测平台设计

介绍了空间碎片天基光学观测平台设计的基本方法.分别给出了对GEO(地球同步轨道)和LEO(近地轨道)碎片进行天基光学观测的平台设计方案,包括平台轨道主要参数以及望远镜观测指向等.该研究以国外公布的在编空间碎片为研究对象,根据空间碎片的实际轨道,模拟计算了不同平台方案下的观测结果.对于单个平台,给出了观测GEO目标的最佳高度以及观测LEO目标不同高度平台的最佳望远镜偏转角,并进一步设计了多平台组网观测方案,通过分析观测结果比较各个方案的优劣,可为实现空间碎片天基观测应用提供参考.

云量分割在空间目标观测中的研究

空间碎片观测过程中,云层干扰是光学望远镜观测的一个瓶颈。提出一种新的云量计算方法,把云量仪检测到的云层分布图像分成24个区块,分别对每个区块的像素值进行统计,如果统计结果大于一个给定的阈值T,则表示该区块的云比较多;如果小于阈值T,则表示该区块内没有云层覆盖,可以将望远镜引导到该区块的对应位置。研究表明,该方法简单易行,具有较高的使用价值,可以实现对望远镜的自动引导,提高望远镜的观测效率。

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.

单站发射多站接收的空间目标激光测距技术

激光测距作为空间目标测定轨精度最高的技术，对非合作目标的测量精度比微波雷达、光电探测等技术高1～2个数量级，非常有利于非合作目标的精密定位、轨道复核及精确编目，保障在轨空间飞行器的安全。激光在非合作目标表面会发生漫反射，返回光斑弥散、回波微弱，采用大口径望远镜接收系统是必要的。鉴于大口径望远镜研制难度大，提出基于单站发射多站接收的空间目标激光测距新方法，即采用多接收望远镜增加接收面积，实现目标测量能力提升。通过分析单站发射多站接收的激光测距技术特点，基于双望远镜系统开展空间合作目标测量实验，验证了多望远镜接收激光信号的可行性，为该测距技术发展奠定了实验基础。

基于先验信息的空间碎片探测方法

提出了一种基于先验信息的空间碎片图像探测方法.该方法通过先验信息,在图像中碎片星像的邻域设置波门,计算波门内的局部背景阈值,辅以相关的判据识别目标.随后使用矩方法计算碎片质心相对波门中心的偏离值,通过线性平移计算碎片质心在整幅图像中的位置.实验表明:该方法复杂度低、便于实现、实时性好,可以高效、准确地探测空间碎片,比较精确地确定碎片的质心位置.

一种空间目标光电跟踪新方法

针对目前空间目标光电观测的自动跟踪过程中,容易受到恒星干扰等影响丢帧后失跟的问题,从概率观点分析了光电跟踪的两个环节:状态外推和实时采样.根据估计理论,建立了一种新的光电跟踪方法.方法利用卡尔曼滤波数据融合的本质提高外推的稳健性,通过均值漂移方法实现跟踪窗口的调整.仿真试验表明,新方法能够有效的降低跟踪中干扰的影响,提高跟踪的稳健性.

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。

基于Snake模型的空间目标跟踪方法

针对低轨变光空间目标和较亮空间目标的跟踪不稳问题,采用主动轮廓模型,提出一种改进的GVF-Snake算法,实现了星像实际轮廓的实时搜索.结合Kalman滤波外推,实现了一种空间目标的自适应跟踪方法.实验表明,跟踪过程中方法能够克服采用固定窗口带来的跟踪误差,提高跟踪的稳健性.