基于STK的空间目标可见光散射特性建模与仿真

为给天基光学观测系统的设计和性能研究提供数据支持, 建立了基于STK的天基 探测空间目标等效星等计算模型. 选用双向反射分布函数(BRDF)五参量计算模 型, 分析了空间目标面元的可见光散射特性; 根据目标几何结构尺寸和物性参 量等建立目标几何模型, 对该模型进行面元划分, 推导了空间目标在天基观测 系统入瞳处的等效星等计算公式; 结合卫星工具包(STK)提供的太阳、目标卫 星、观测卫星三者的关系数据, 建立了基于STK的易于求解的目标星等计算模 型, 对此模型进行实例仿真和分析, 并与漫反射计算模型进行比较. 结果表 明BRDF模型得到的辐照度曲线比漫反射模型更曲折且存在峰值现象, 更符合 目标表面材料的实际特性, 此外, 与STK的结合运用, 使其可更加方便快捷地获得目 标最佳观测时段及相应的等效星等.      

太阳同步轨道卫星光学特性

为了分析太阳同步轨道卫星的光学特性,对FY-1卫星的可见光和红外波段光学信号进行了仿真计算和模拟试验验证.通过对外部辐射及内部热源的分析,计算了卫星的温度场,采用随机起伏表面算法模拟表面覆盖材料外表面,通过阴影遮挡判断及双向反射分布函数(BRDF, Bi-directional Reflectance Distribution Function)模型计算卫星对外部辐射的反射特性,编程计算得到在可见光0.4~1.0μm和红外8~14 μm,14~16 μm波段下卫星的光学特性.结果表明红外辐射亮度与表面温度相关,8~14 μm最大约90 W/(m²·sr)、14~16 μm最大约20 W/(m²·sr).空间可见光辐射强度具有明显的镜面反射效应,卫星主体峰值2 200 W/sr.通过地面模拟测量空间目标的温度和红外辐射验证了温度及红外辐射仿真计算模型,可见光辐射强度仿真计算结果与地面模型卫星测量结果误差在20%以内.     

空间碎片光谱特性获取与分析方法研究

空间碎片的反射光谱是碎片表面材料与太阳光谱共同作用的结果,能够反映碎片的材料性质,为空间碎片的光学特性研究提供依据. 将观测获得的空间碎片反射光谱进行预处理后,与已知空间材料样本的光谱进行比对,比较两者间光学特性差异,包括连续反射光谱曲线中的峰值、斜率、形态、特征窄波段、吸收谱线和多波段反射光谱间的成像差异、色指数、特征温度等,分辨碎片表面可能的材料,最终实现对空间碎片光学特性的研究.      

空间目标视星等曲线仿真

人类航天活动日益频繁，空间目标种类和数量不断增多，识别未知空间目标的关键特征具有重要的科学价值。本文通过辅助图形软件建模分割，获取球体、圆锥体和圆柱体带法向量的面元坐标；基于卫星仿真工具包，得到了目标轨道及位置参数，并结合双向反射分布函数各向异性Phong 模型和四元数姿态更新模型，完成了地基观测条件下4种形状空间目标的视星等仿真。仿真结果表明，目标受空间位置、形状和姿态的影响程度不同，其光度曲线具有各自特点。球体由于形状完全中心对称，光度曲线主要受空间位置的影响；圆锥体、正方体、圆柱体光度曲线的波形受形状影响较大，曲线走向受位置影响较大，波动频率受姿态角速率影响较大。通过统计分析相关数据，可为后续空间目标位置、姿态和形状的反演提供先验模型。      

目标表面对FMCW激光雷达拍频信号的影响分析

被测目标表面的粗糙度会影响调频连续波(FMCW, Frequency Modulated Continuous-Wave)相干激光雷达的拍频信号特性,进而影响雷达的测速测距精度.为衡量该影响以改善雷达的性能,通过对照射目标面的空间离散化,建立和分析了拍频信号的场强模型,并针对不同粗糙度的反射表面,进行了Monte Carlo模拟仿真及系统实验验证.仿真和实验结果表明:镜面目标反射面的倾斜将导致拍频信号交流分量强度的急剧衰减;而对于高斯型粗糙面目标,强度与粗糙面高度及波长的比值成负指数关系.实验结果与理论分析和模拟仿真结果一致,且系统的测距误差小于1 mm,静态速度稳定性优于0.1 mm/s.     

深空组合导航中天文测速观测研究

深空天文测速导航方法以空间中的某颗恒星为目标,利用航天器自身携带的光谱仪测量相对于恒星的移动速度来实时调整自行速度和路线。太阳是主要的测速导航源之一,利用目前运行的空间卫星的光谱观测资料,分析和研究了太阳相对于卫星的视线速度和速度误差变化情况,为本项目中自主导航光谱提供实测证据。选取了太阳表面5个位置的光谱观测,持续时间在一个小时左右,通过高斯谱线轮廓拟合观测数据,得到了太阳表面5个位置的亮度变化、谱线宽度和速度,其中主要参数速度平均值大约在10 km/s,和速度变化在3 km/s。这是由太阳表面存在大量的微观尺度上的物质运动所导致的。     

主动雷达导引头多路径效应的数字仿真

对于平整和起伏的地面或海面,分别给出了一种基于多反射点复杂目标的多路径回波的时域复包络波形数字仿真模型.采用随机分形插值算法利用地形实测数据对复杂的起伏地面和海面进行三维地形建模.对不同粗糙度地面上的低空目标的多路径回波进行了仿真计算,并使用主动雷达导引头数字仿真模型进行了多路径干扰环境下对低空目标的跟踪实验.仿真实验表明,多路径效应对雷达跟踪低空目标会产生较大的误差.     

国内动态

<正>我国首颗生态环境综合高光谱观测业务卫星投入使用4月4日，高光谱观测卫星在轨投入使用仪式举行，我国首颗具备业务化应用能力的生态环境综合监测卫星正式交付。高光谱观测卫星由生态环境部作为牵头单位组织研制建设。该卫星于2021年9月7日成功发射。卫星发射入轨后，圆满完成全部测试任务，各项功能、性能指标均满足工程研制建设总要求。高光谱观测卫星在轨投入使用，对于推动构建现代化生态环境监测体系，动态监测我国大气污染状况，有效监测全球二氧化碳、甲烷等温室气体柱浓度和分布，     

空间目标表面包覆材料褶皱对光散射特性的影响

空间目标表面包覆材料的不规则褶皱对其光散射特性具有显著影响.对空间目标表面褶皱进行分类并分析不规则褶皱形成的主要原因.以金聚酰亚胺薄膜样片为研究对象,搭建样片辐射亮度测量系统,获取不同褶皱程度样片的辐射亮度数据.将辐射亮度转换为星等进行分析发现,理论计算与实验测量得到的星等曲线趋势存在较大差异,主要表现为:平面材料的单一镜面反射现象消失;样片在多个角度上出现分散的较强散射点;褶皱程度越高,分散的强散射点越多.结果表明,在对空间目标的光散射特性进行数值计算时,必须充分考虑表面包覆材料褶皱的影响,根据褶皱情况修正数值计算模型,这对空间目标的探测和识别具有重要意义.      

空间目标在天基光学探测中的特性分析与仿真

分析了空间目标的分布及几何特性,研究了空间目标光学特性与天基探测系统、太阳以及目标自身参数的关系,提出了空间目标光学特性仿真的思路,建立的天基空间目标光学特性分析系统可以计算并绘制相对距离、太阳相位角及目标星等变化曲线.由于很难获取准确的空间目标实际光度数据,文中提出了对仿真结果的验证方法.通过对仿真结果的分析,得出了天基空间目标光学探测的特点,为天基光学探测和识别的研究提供了参考.      

基于双基雷达原理的GNSS海面反射信号建模方法

全球导航卫星系统反射(GNSS-R)技术应用过程中接收机的测试验证需要反射信号产生源,以降低成本。信号的模型是GNSS-R信号产生源中的核心。针对缺乏相应模型的问题,提出了一种根据双基雷达原理建立GNSS海面反射信号模型的方法。首先,在分析GNSS海面反射信号特征的基础上,选取了恰当的海面反射点。然后,计算了雷达方程中的散射系数和散射面积,从而得到相应反射点的反射信号功率。最后,对所求得的反射信号参数进行仿真验证。验证的结果表明,反射信号的相关功率曲线与ZV模型理论曲线的相关系数优于0.98,能够有效地用于GNSS海面反射信号的生成。因此,该方法可为GNSS-R信号产生源的研制提供一定的理论支撑。     

Laboratory simulation of space weathering: Changes of optical properties and TEM/ESR confirmation of nanophase metallic iron

Reflectance spectra of S-type asteroids are different from those of ordinary chondrites. This spectral mismatch is explained by space weathering processes, where high-velocity dust particle impacts change the optical properties of the uppermost regolith surface of asteroids. S-type asteroids exhibit more overall depletion and reddening of spectra, and more weakening of absorption bands relative to ordinary chondrites. Nanophase metallic iron particles, which are formed through vapor deposition from dust impact heating, are considered as the most essential cause of space weathering. In this study, we describe the spectral changes of olivine and pyroxene using nanosecond pulse laser irradiation and the presence of nanophase metallic iron particles in laser-irradiated materials by transmission electron microscopy (TEM) and electron spin resonance (ESR).

The irradiated spectra of the samples show a reduction of the overall spectra (250–2600 nm) and a reddening with weakened absorption bands. Nanophase metallic iron particles were found not only in laser-irradiated olivine samples, but also in laser-irradiated pyroxene samples by TEM. Strong ESR signals, which derive from nanophase iron particles, are observed in the irradiated olivine samples. Moreover, ESR intensities increase with the space weathering degree simulated as laser irradiation time. One possible application of space weathering is the estimation of the relative age of asteroids using the relation between optical effects and quantities of produced nanophase iron particles.     

仿壁虎刚毛阵列对卫星表面吸附能力模型与计算

壁虎脚的粘着机理对航天机器人脚掌的研制和开发具有重要启发意义.通过单根刚毛与光滑表面黏着力模型与计算、卫星粗糙表面分布模型与接触概率与计算、刚毛阵列与卫星粗糙表面黏着力模型与计算等,分析仿壁虎刚毛阵列对卫星表面的吸附能力,发现在一定条件下仿壁虎刚毛阵能够在太空失重环境中黏着在卫星表面,对航天舱内爬行机器人、管道机器人的研制和开发具有重要的启示意义.     

Solid organic matter in the atmosphere and on the surface of outer Solar System bodies.

Many bodies in the outer Solar System display the presence of low albedo materials. These materials, evident on the surface of asteroids, comets, Kuiper Belt objects and their intermediate evolutionary step, Centaurs, are related to macromolecular carbon bearing materials such as polycyclic aromatic hydrocarbons and organic materials such as methanol and related light hydrocarbons, embedded in a dark, refractory, photoprocessed matrix. Many planetary rings and satellites around the outer gaseous planets display such component materials. One example, Saturn's largest satellite, Titan, whose atmosphere is comprised of around 90% molecular nitrogen N2 and less than 10% methane CH4, displays this kind of low reflectivity material in its atmospheric haze. These materials were first recorded during the Voyager 1 and 2 flybys of Titan and showed up as an optically thick pinkish orange haze layer. These materials are broadly classified into a chemical group whose laboratory analogs are termed "tholins", after the Greek word for "muddy". Their analogs are produced in the laboratory via the irradiation of gas mixtures and ice mixtures by radiation simulating Solar ultraviolet (UV) photons or keV charged particles simulating particles trapped in Saturn's magnetosphere. Fair analogs of Titan tholin are produced by bombarding a 9:1 mixture of N2:CH4 with charged particles and its match to observations of both the spectrum and scattering properties of the Titan haze is very good over a wide range of wavelengths. In this paper, we describe the historical background of laboratory research on this kind of organic matter and how our laboratory investigations of Titan tholin compare. We comment on the probable existence of polycyclic aromatic hydrocarbons in the Titan Haze and how biological and nonbiological racemic amino acids produced from the acid hydrolysis of Titan tholins make these complex organic compounds prime candidates in the evolution of terrestrial life and extraterrestrial life in our own Solar System and beyond. Finally, we also compare the spectrum and scattering properties of our resulting tholin mixtures with those observed on Centaur 5145 Pholus and the dark hemisphere of Saturn's satellite Iapetus in order to demonstrate the widespread distribution of similar organics throughout the Solar System.     

Space weathering on Mercury

Space weathering is a process where formation of nanophase iron particles causes darkening of overall reflectance, spectral reddening, and weakening of absorption bands on atmosphereless bodies such as the moon and asteroids. Using pulse laser irradiation, formation of nanophase iron particles by micrometeorite impact heating is simulated. Although Mercurian surface is poor in iron and rich in anorthite, microscopic process of nanophase iron particle formation can take place on Mercury. On the other hand, growth of nanophase iron particles through Ostwald ripening or repetitive dust impacts would moderate the weathering degree. Future MESSENGER and BepiColombo mission will unveil space weathering on Mercury through multispectral imaging observations.