空间碎片天基监测图像仿真研究

空间碎片天基光学监测可以有效弥补地基监测的时空覆盖缺陷.目前天基观测数据不足甚至没有数据，这给监测系统研制、数据处理算法研究及软件系统研发和验证造成了一定困难.因此，研发能够为相关研究提供空间监测图像的空间碎片天基监测图像仿真软件系统具有重要意义.本文根据天基监测图像的特点，研究基本算法，设计仿真流程，给出仿真图像并对结果进行分析.为得到符合实际观测场景的高精度仿真图像，软件系统采用瞬时惯性坐标系；基于Tycho2星表提出了采用基于索引文件的快速星表查询方法来生成背景星图；利用两行根数（Two-Line Element，TLE）数据集仿真空间碎片观测值；并对结果图像中目标的运行轨迹进行分析，得出天基监测空间目标的成像特性.仿真结果表明，该仿真系统能够针对不同观测条件和观测平台，在兼顾精度与时效性的情况下，获得较为真实的空间碎片天基光学系列观测图像.      

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.      

一种实现光学隐身的卫星构型设计

目前对地球同步轨道(GEO)空间目标的探测和识别,主要依赖光学监视系统接收其反射的太阳光线.鉴于可见光反射原理,和空间目标可见光反射特性计算模型,提出光学隐身卫星设计策略,分别对卫星平台构型、太阳能帆板、半球形遮光罩进行设计,对整星外形进行仿真分析,最后提出分布式卫星的构想.结果表明,该卫星构型光学横截面积峰值达到0.082 m~2,该构型设计具有较高的隐蔽性,不易被光学监视系统探测识别.     

天基空间碎片光学探测影响因素分析及仿真

光学手段在天基空间碎片探测中被广泛应用,但容易受到杂光等因素影响。结合在轨试验数据,从探测器和碎片两方面分析了影响天基空间碎片光学探测的因素。影响探测器探测效果的因素包括太阳光、月光、地气光、大气辉光等杂光及南大西洋异常区辐射等;影响碎片可见性的因素包括地球遮挡、地影及反射的太阳光等。分别给出了上述影响因素涉及的特征量及规避影响的计算方法。基于某天基探测设备的仿真结果表明,上述影响在自然交会及姿态机动模式下均可能发生,在试验设计时需被充分考虑。最后,针对某天基空间碎片探测任务进行了规划。文章对天基光学探测试验设计具有一定的指导意义。     

空间环境天基探测现状与需求分析

天基空间环境探测是了解空间环境状态及变化规律的重要手段, 同时也是保障人类空间活动安全的空间环境预报业务的重要数据来源. 为了促进中国空间环境天基探测的发展和合理布局, 本文分析总结了空间环境天基探测的现状、特点以及能够服务于空间天气预报的业务监测能力情况, 从空间环境业务保障角度分析了空间环境天基探测的需求, 并对中国天基空间环境探测的发展思路进行了初步探讨分析.      

地气光辐射对空间目标成像特性影响分析

为分析地气光辐射对空间目标成像特性的影响，以地球同步轨道(GEO)卫星搭载的可见光成像器为探测平台，利用卫星工具包(STK)设计高椭圆轨道(HEO)及近地轨道(LEO)目标运动场景，根据空间目标、地球、太阳、探测平台之间的位置关系，采用微元法建立空间目标与地气光背景等效星等模型，推导出空间目标信噪比(SNR)计算公式。分析了距离、角度参数变化对不同轨道空间目标、地气光背景等效星等及空间目标信噪比的影响。仿真结果表明:当探测平台距离空间目标较远时，地气光背景等效星等低于空间目标等效星等，地气光辐射比空间目标信号强。当地气光辐射进入和离开空间目标探测视场时，空间目标信噪比最大，该时间段是进行空间目标探测的最佳“观测窗口”。仿真得出的空间目标信噪比值为空间目标探测识别提供了理论计算依据。      

太阳空间探测进展与展望

摘要：为了探索太阳空间探测活动的发展方向,在广泛调研太阳空间探测任务的基础上,综合考虑任务实施年代、轨道设计、探测要素、技术特点和成果影响力,选取了10个典型空间太阳探测器,对其科学目标、有效载荷、卫星平台特性和科学发现进行了分析,提炼总结了太阳空间探测的进展和发展趋势。总体而言,太阳探测器运行轨道逐步多样化,有效载荷探测要素更加丰富,探测精度、时空分辨率等显著提升,但仍存在大量问题待解决。在分析现阶段成果和待解决问题的基础上,提出了太阳空间探测的发展展望,指出了全方位、多要素探测是破解太阳物理和空间天气预报发展瓶颈的可行途径。     

近地空间短波红外恒星探测信噪比分析方法

针对星敏感器在近地空间导航应用需求,开展了短波红外恒星探测信噪比分析方法研究。基于恒星目标与天空背景辐射特性,构建了恒星探测信噪比模型,并结合光学系统及图像传感器参数完成了仿真试验。结果表明,同一星等及太阳天顶角下,Ks波段下的恒星探测信噪比最大,H波段次之,J波段最小;同一太阳天顶角及波段下,星等越小,恒星探测信噪比越大;同一星等及波长下,太阳天顶角越大,即恒星与太阳之间角距越大,恒星探测信噪比越大。本文可为新一代近地空间全天时星敏感器系统的方案设计、指标论证、评估应用提供可靠的理论方法与技术支持。     

基于天基光学探测图像初析南大西洋异常区影响

文章针对目前在轨运行的高灵敏度探测类可见光遥感器经过南大西洋异常区（SouthAtlanticAnomaly,SAA）时出现的探测能力降低、目标无法识别等现象,通过卫星在轨获取的SAA天基探测图像研究图像中出现的异常现象机理;提出了基于CCD探测器固有暗像元区的图像特征变化开展SAA影响评估的方法,根据在轨图像暗像元区的均值和标准差、图像区的热像素及活像元等特征参数的统计分析,判断经过SAA过程中连续获取的图像中出现显著影响时的拐点,通过曲线拟合估算出该轨道高度的SAA空间分布特征和边界,依此进一步提出利用在轨天基探测图像给出测量影响该轨道高度卫星SAA区域边界的简单方法;最后,基于SAA对天基探测器件的影响分析结果和认识,给出了高灵敏度探测类卫星避免或消除SAA影响的改进措施和建议。文章采用的数据分析和评估方法为提升SAA对天基探测影响的认识,以及下一步有效开展空间碎片探测工作提供参考。     

Development and verification of an innovative photomultiplier calibration system with a 10-fold increase in photometer resolution

In this study, we construct a photomultiplier calibration system. This calibration system can help scientists measuring and establishing the characteristic curve of the photon count versus light intensity. The system uses an innovative 10-fold optical attenuator to enable an optical power meter to calibrate photomultiplier tubes which have the resolution being much greater than that of the optical power meter. A simulation is firstly conducted to validate the feasibility of the system, and then the system construction, including optical design, circuit design, and software algorithm, is realized. The simulation generally agrees with measurement data of the constructed system, which are further used to establish the characteristic curve of the photon count versus light intensity.     

天基可见光传感器卫星监视地球同步带目标的轨道设计

在分析地球同步轨道目标光学特性和位置特性的基础上, 确定了天基可见光(Space-Based Visible, SBV)传感器监视整个地球同步带目标的搜索栅栏位置以及搜索策略, 导出搜索栅栏与观测时间和观测次数之间的关系. 根据航天任务需求和SBV传感器特性, 确定了监视轨道的类型和参数约束条件, 给出了约束条件下监视轨道的选取范围, 并对其轨道观测效能进行仿真分析. 仿真结果表明, 通过适当选取监视轨道参数, 监视轨道对地球同步带的覆盖率均可达到90%以上. 如果SBV传感器视场达到4°×4°以上或搜索栅栏宽度大于40°, 其覆盖率高达95%以上.      

材料粗糙度变化对卫星光谱红化效应的影响

在轨人造目标的地基观测光谱存在红化效应，影响对目标反射光谱的理解应用.目标在进入空间环境后外露材料表面粗糙度发生变化.本文结合材料的光谱散射特性、卫星轨道和观测条件，仿真分析了卫星表面材料粗糙度变化对红化效应的影响.基于文献中实验数据，设计不同粗糙度的卫星表面材料样本，模拟空间环境中材料表面粗糙度的变化.利用双向反射分布函数，建立不同粗糙度材料样本的光谱散射模型.理论模拟结果表明，材料表面粗糙度的变化会影响其光谱散射特性，散射光谱形态和散射分布取决于粗糙度及入射-反射几何关系.引入网格剖分和可见面片，利用材料双向反射分布函数，仿真计算卫星表面材料在不同粗糙度状态下，整个卫星在可见光波段的反射光谱信号.仿真结果表明，随着卫星表面材料粗糙度的增加，其反射光谱在600nm之后随波长增加而呈现上升趋势，这表明空间环境中外露材料表面粗糙度变化是卫星产生红化效应的原因之一.      

飞行体的海空背景反射与辐射计算

研究了对近海飞行体的红外特性有重要影响的海空背景辐射的反射特性.讨论了波浪面起伏随机规律,随机起伏对海面自身辐射及对阳光反射的影响,推演了此种随机起伏波浪面的自身辐射及反射的阳光在观测点形成的辐照度的计算方法.给出的算例结果表明,海空背景对飞行体的红外特性尤其对其前半球的红外特性有重要的意义.     

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.      

低轨目标短弧关联的稳健方法

未来大量低轨星座部署一旦完成，将会对传统的空间目标监视提出更高的要求.广角光学望远镜系统具有广域监视效果，可以同时观测大量目标.但是广角望远镜的观测数据大部分属于“短弧”观测数据，单次观测无法进行空间目标的初始轨道确定.目前有效的解决方案是对光学观测弧段进行准确关联，融合多组观测数据进行初定轨.本文以容许域方法为基础，通过优化拟合两段观测短弧的轨道，结合卡方检验，确定不同观测弧段之间的关联性.其次详细描述了对于低轨目标，用仅测角观测数据进行关联的时候，存在的病态性问题.最后，针对低轨目标短弧关联错误率高的问题，提出了用角度误差特性规律进行误关联识别的方法.误关联的准确识别有效地提高了对于低轨空间目标仅光学观测序列的关联成功率，为后续的空间目标编目提供了有效的数据支撑.     

空间TDICCD相机动态信噪比计算方法研究

信噪比是空间光学相机系统的主要设计指标之一,可用于表征相机的辐射性能。文章通过建立遥感卫星轨道模型,分析计算一年中任意时刻用太阳高度角和卫星观测角描述太阳、卫星、地面目标点之间的相对位置关系,并将计算得到的卫星观测角和太阳高度角等参数导入大气传输软件MODTRAN,输出在相机入瞳处的地面目标光谱辐亮度,再根据信噪比的计算方法,最后完成TDICCD相机动态的信噪比计算值。通过该方法,可以计算任一时刻任一观测目标的信噪比,这将有利于判断在某一时刻的能量是否满足观测要求,以随时改变TDICCD的探测器级数,使得成像像质达到最佳。     

Space debris observations with the Slovak AGO70 telescope: Astrometry and light curves

The Faculty of Mathematics, Physics and Informatics of Comenius University in Bratislava, Slovakia (FMPI) operates its own 0.7-m Newtonian telescope (AGO70) dedicated to the space surveillance tracking and research, with an emphasis on space debris. The observation planning focuses on objects on geosynchronous (GEO), eccentric (GTO and Molniya) and global navigation satellite system (GNSS) orbits. To verify the system’s capabilities, we conducted an observation campaign in 2017, 2018 and 2019 focused on astrometric and photometric measurements. In last two years we have built up a light curve catalogue of space debris which is now freely available for the scientific community. We report periodic signals extracted from more than 285 light curves of 226 individual objects. We constructed phase diagrams for 153 light curves for which we obtained apparent amplitudes.