空间碎片光学观测中若干问题研究

<正>地基光学观测是探测空间碎片的重要手段.本文从目标搜索方案的制定、目标质心提取、目标精密定位以及目标关联4方面入手,研究提升设备探测能力、提高目标观测精度的方法.首先,为了满足对GEO(Geosynchronous Orbit,地球同步轨道)空间碎片探测的要求,克服长时间曝光CCD像元饱和溢出的问题,使用多帧连续曝光图像叠加的方法,增加图像的宽容度,同时保证系统的探测能力.实验表明,叠加10帧连续图像,有效消除了像元饱和的情况,提升目标信噪比约3.2倍,提升探测能力约2.5 mag,使用底片常数的均值计算目标位置,精度符合要求.使用星像几何形态检测     

2009年若干典型低轨空间区域空间碎片分布仿真

空间碎片在太空中的累积越来越多,它们主要聚集在离地球表面2000km高度以下空间区域内.空间碎片引起的空间"污染"越来越威胁到在轨工作飞行器的安全.这里主要对600km、700km和800km轨道高度,倾角分别为30°、60°和98°的低轨道空间区域的空间碎片分布进行了仿真计算.可以为在轨飞行器安全运行及未来飞行器在空间布局决策提供一定参考.     

空间碎片天基光电光学可见条件与预报

随着航天活动的增加，产生的空间碎片也越来越多，空间环境日趋恶化，已经对人类的空间活动构成了威胁。监视测量这些空间碎片，天基光电比地基光电更为有利，而天基光电的光学可见条件与地基光电相比，有相似的，也有不同的，针对天基光电，给出了空间碎片的光学可见条件，即日光条件、地影条件、地光条件、地球背景条件、月光条件。在天基光电轨道特征、光学可见条件及天基光电坐标系已知的情况下，建立起天基光电预报方法。既可用于空间碎片预报，也可以用于空间碎片的轨道识别。     

地基光电望远镜对GEO空间碎片探测能力分析

空间碎片的持续增加已严重威胁人类航天活动的安全。为了规避空间碎片对在轨航天器的威胁,需要通过观测获取空间碎片与航天器的位置等信息进行碰撞预警,为航天器采取规避措施提供参考。地基光电望远镜在高轨空间碎片观测方面有绝对优势,根据探测信噪比公式,计算望远镜最小可探测空间碎片的尺寸,并通过观测实验对尺寸计算公式进行验证,分析设备探测能力的影响因素,对两种观测模式下设备探测地球静止轨道空间碎片的能力进行分析,得到口径和曝光时间对探测能力影响的定量关系,可以为观测空间碎片设备建设等提供参考。     

大椭圆空间碎片轨道寿命分析

日月摄动是影响大椭圆空间碎片轨道变化的主要动力学因素.本文推导出了日月摄动引起的大椭圆轨道近地点高度长周期项的分析表达式,对日月摄动引起的近地点变化基本特征进行了分析,并根据这种轨道变化特点给出了有利于空间碎片减缓的发射窗口选择方法,通过仿真计算验证了该选择方法的正确性.     

地球同步轨道动态监视光学系统研制进展

由于卫星发射活动日益频繁,地球同步轨道己成为一种稀缺资源,并受到世界各国密切关注和保护。作为地球同步轨道必不可少的监测手段,光学手段可以在目标动态监视和空间事件发现领域发挥重要的作用。中国科学院上海天文台研究团队利用两年时间研制了新一代地球同步轨道动态监视光学系统,即FocusGEO。FocusGEO的望远镜采用单机架三镜筒赤道式结构,具有约260(°)~2超大视场,15 min内即可对台站上空地球同步轨道带完成一次扫描观测。2017年8月开展的试验观测表明,即使在夜天光背景较亮的上海市佘山地区,FocusGEO的望远镜对地球同步轨道目标的观测效能也接近85%,方位和俯仰方向观测精度均优于3",可靠性也满足常规观测条件。详细介绍FocusGEO的软硬件组成、观测模式,以及初步观测结果,并介绍了下一步要开展的工作。     

卫星星座时间同步中星间链路的设计和性能分析

在卫星星座内的时间同步中,为满足时间同步信号的传输要求,需要对星间链路进行分析和设计。对星间链路各参数之间的关系进行了分析,并对低地球轨道(LEO)卫星和中地球轨道(MEO)卫星的星间链路参数和性能分别进行了计算和分析。另外,还对受天线指向误差影响的LEO卫星和MEO卫星的星间链路性能进行了分析。在分析计算的基础上完成了符合要求的星间链路的参数设计。     

星基增强系统10参数广播星历拟合分析

为满足多种卫星轨道的应用需求,在星基增强系统新增的L5信号接口中重新设计了一种10参数星历模型。使用2016年北斗卫星系统地球同步轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中地球轨道卫星的精密轨道数据,在内符合精度、拟合成功率以及运算速度等方面,分别评估了10参数星历模型在这些卫星轨道上的拟合效果。试验结果表明,10参数星历模型可以保证10~(-3)cm左右的内符合精度。但地球同步轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星的拟合成功率分别为89.36%和99.17%。尝试去除idot参数以解决拟合失败的问题,结果表明,该处理可以实现100%的拟合成功率,但拟合误差有所上升,且对不同的轨道类型,拟合运算速度有不同程度的提升或下降。     

SGP4/SDP4模型精度分析

本文基于最新发布的SGP4/SDP4(Simplified General Perturbation Version 4/Simplified Deep-space Perturbation Version 4)模型设计了一套定轨方案,从空间目标库中挑选出不同类型和轨道参数的1120个目标进行计算,定量给出了SGP4/SDP4模型处理不同类型空间目标的定轨预报精度.结果表明:近地目标定轨精度为百米量级;半同步和同步轨道定轨精度平均为0.7和1.9km.椭圆轨道目标的定轨精度与偏心率有关,除少数e>0.8的椭圆轨道目标,绝大多数椭圆轨道目标定轨误差均小于10km.用SGP4/SDP4模型对近地目标预报3天,半同步轨道预报30天,同步轨道预报15天,椭圆轨道预报1天,预报误差一般不超过40km.     

空间碎片地基雷达探测综述

分析了空间碎片地基雷达探测的必要性和现实意义,介绍了国外有代表性的地基雷达工作概况,在此基础上,给出了描述空间碎片的轨道参量和物理参量,并对空间碎片地基雷达探测所需的关键技术进行了探讨。     

空间碎片轨道预报中动力学模型基准的选取

在不同的轨道预报场景中, 使用的动力学模型也不同. 例如, 在低轨空间碎片的预报中大气阻力是十分重要的摄动力, 而到了中高轨, 大气阻力就可以忽略不计. 如何为不同轨道类型的空间碎片选择最优(满足精度要求下的最简)动力学模型还没有系统、详尽的研究. 将对不同精度需求、不同轨道类型下的大批量轨道进行预报, 通过比较不同动力学模型下的预报结果, 给出各种预报场景的最优动力学模型建议. 可以为不同轨道类型的空间碎片在轨道预报时选择基准动力学模型提供参考或标准.     

空间太阳望远镜科学卫星

“空间太阳望远镜”是一颗载有口径为1米的主光学望远镜、极紫外望远镜、Ha与白光望远镜和宽带光谱仪及射电频谱仪的科学卫星。它将在距地面730千米轨道的太阳同步轨道上运行,在摆脱了地球大气层影响后,对太阳进行广泛光谱范围和全连续的高空间分辨率高时间分辨率和高频率分辨率的科学探测,为太阳物理研究和空间天气预报提供重要实测数据。     

漂移扫描CCD用于地球同步轨道卫星观测的初步结果

对于地球同步轨道卫星,目前国内主要采用两种观测手段,即小光电望远镜短曝光观测和天文望远镜跟踪恒星(或卫星)观测.事实上,这两种手段都各自存在不足,尤其对于暗弱目标问题更加显著.利用CCD漂移扫描模式和凝视模式相结合观测地球同步轨道卫星具有明显的优势,小口径望远镜(口径约25cm)就能够获得高质量的目标和恒星圆星像与高精度的定位结果.本文重点阐述了获得高精度地球同步轨道卫星光学位置与星等的原理、方法及步骤;最后,利用实测资料的数据处理结果,分析了所获得的地球同步轨道卫星的内部精度及其误差源.     

载人飞船利用大气制动返航的轨道设计

本文讨论利用地球大气动力(阻力和升力)来设计载人飞船安全返航的、主要解决超重问题的合理轨道。从卫星在地球引力和大气动力作用下的运动方程出发,先得到近似分析解(11)和(12)式。由它们得到合理解决超重(最大值小于地面重力的六倍)的两种方案:一是改变阻力;另一是用适当的小升力。然后根据这两个方案用数值方法计算了三种返航轨道。在适当选取初始值时,这三种轨道都可以合理地解决超重问题,同时也能减轻防热困难。最后讨论了地球大气扁率对返航轨道的影响,计算结果表明,它的影响是可以忽略的。     

附有高程约束的卫星导航系统精度因子分析方法

高程约束定位方法是一种可以改善定位精度的方法,相对于最小二乘定位方法引入了地球椭圆约束方程。约束方程的引入改变了定位解算过程,使得来源于最小二乘定位方法的精度因子计算公式不再适用于新的方法。针对这一问题,从精度因子定义出发,结合高程约束定位方法原理,提出一种新的计算高程约束定位精度因子的方法。利用某一监测站的地球同步轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星数据,进行了两组精度因子值分析试验和一组定位试验,试验结果表明提出的高程约束定位方法精度因子的计算方法是正确的,高程约束定位方法的定位精度也远高于最小二乘方法。     

计算空间VLBI天线面有效截面程的数学模型

本推导建立了计算空间VLBI天线面有效截面的数学模型，它将适用于确定空间VLBI站轨道所需的太阳光压、大气阻力、地球反照压等非引力摄动模型中面质比的计算。     

木星探测轨道分析与设计

研究了与木星探测相关的轨道设计问题.重点关注木星探测轨道与火星、金星等类地行星探测轨道的不同及由此带来的轨道设计难点.首先分析了绕木星探测任务轨道的选择.建立近似模型讨论了向木星飞行需要借助多颗行星的多次引力辅助,对地木转移的多种行星引力辅助序列,使用粒子群算法搜索了2020年至2025年之间的燃料最省飞行方案并对比得到了向木星飞行较好的引力辅助方式为金星-地球-地球引力辅助.结合多任务探测,研究了航天器在飞向木星途中穿越主小行星带飞越探测小行星的轨道设计.最后,给出2023年发射完整的结合引力辅助与小行星多次飞越的木星探测轨道设计算例.     

2010年上海天文台卫星激光测距观测报告

介绍了2010年上海天文台卫星激光测距的常规观测和白天千赫兹激光测距情况。在国际上首次对同步轨道卫星开展了千赫兹激光测距,作用距离达38800多千米,测距系统性能达到国际先进水平。利用2套独立的激光测距系统,开展了激光收发分离测距实验,为行星际异步应答式激光测距模拟试验提供了实测数据。最后概述了空间碎片目标激光测距进展情况。     

无需初值猜测的间接法小推力轨道设计

在间接法求解小推力轨道计算中,通过先选取合适的性能指标,并对小推力最优控制问题转化为两点边值问题的方程在开普勒轨道附近线性展开,有效增强了协态变量初值收敛性,使得该方法无需对协态变量初值进行反复的随机猜测,迭代过程也不需要人工干预,提高了轨道搜索应用中的计算效率.之后再对性能指标进行迭代优化,可获得逼近于Bang-bang控制的控制方案.     

太阳光压模型中面质比误差对IGSO卫星轨道预报的影响分析

太阳光压是影响高轨卫星轨道精密确定的主要因子之一,这种摄动的有效模制将进一步改进卫星轨道的预报精度.主要对太阳光压模型中面质比误差对地球倾斜同步轨道卫星轨道预报的影响进行了分析.20％面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道卫星位置预报影响仿真结果显示:一天内前16h,x、z分量的预报误差幅度相对较小,y分量误差相对较大;一天内最后8h,x、y、z各分量误差发散明显,但z分量的误差发散程度较大.20％面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道卫星速度预报影响仿真结果显示,一天内,x、y、z各分量的预报误差幅度不超过1 mm/s.