全球高分光学星概述(一):美国和加拿大

目前,美国高分辨率光学卫星在技术与应用方面处于世界领先地位。锁眼-11(KH-11)与天基红外系统(SBIRS)卫星主要用于军事目的,KH-11地面分辨率(全色)达到0.1m。在低轨高分光学星中,数字全球星座(DigitalGlobe Constellation)卫星(QuickBird-2、GeoEye-1、WorldView-1/2/3)是主要的商业遥感卫星,地面分辨率(全色)可达0.31m。地球静止轨道高分光学星处于研制之中,设计分辨率(全色)为1m。此外,美国也高度关注小卫星星座与纳卫星/立方星星座的研发与应用。加拿大光学卫星主要应用于空间碎片与近地小天体监测,用于极地气象服务的光学相机已基本研制成功。文章着重阐述美国和加拿大对地观测高分辨率光学卫星的运作、技术状态与发展趋势。     

航空侦察中使用离轴3镜式反射光学元件的多光谱传感器

文章描述了地基多光谱传感器的设计与试验,该传感器使用离轴3镜反射光学元件作为成像光学元件,使用分光镜划分谱段。离轴3镜光学元件可在宽视场范围内提供一个光谱范围宽、空间分辨率高的无遮挡视场。3镜式像散透镜由2个非球面镜和一个球面镜组成,设计构成远心焦平面。分光镜将光谱范围划分为3个可见光谱段、1个近红外谱段、1个中波红外谱段、1个长波红外谱段。中继光学元件用于调整红外放大系数。CCD探测器上具有10000个元件用于可见光和近红外谱段,碲镉汞(HgCdTe)线列上具有960个元件用于中波红外和长波红外谱段。 试验结果表明这种多光谱传感器达到了设计目标,具有宽的光谱谱段(0.4～10μm),可见光、近红外谱段视场为5.7°时的空间分辨率为10μrad,在中波红外、长波红外谱段视场为5.7°时的空间分辨率为100μrad。所有谱段在尼奎斯特频率时视场中心总的MTF高于0.3。     

SBIRS-Low目标跟踪交接分析

对天基红外卫星系统低轨部分(SBIRS-Low)单星只测角的主动段跟踪交接进行了研究。提出了用插值和滤波两种方法计算目标视线(LOS)偏差的算法。仿真讨论了多项式阶数和时间窗长度对插值外推法的影响,以及插值外推法与滤波法性能的比较。结果表明:当预测时间小于30 s时,预测视线偏差小于0.4°,此时预测视线将以较大概率落入跟踪相机视场角1°×3°范围内,满足主动段跟踪交接条件,表明单星主动段跟踪交接具可行性。     

天基红外低轨星座对目标的跟踪算法研究

建立了天基红外低轨星座对自由段目标的观测模型,考虑了精确的目标运动模型。针对天基红外低轨星座的任务特点,从收敛速度、估计精度、估计有效性以及运算效率等方面比较了批处理滤波、EKF、UKF、高阶UKF和粒子滤波等算法的性能。仿真结果表明,综合考虑各种因素的影响,UKF具有最佳估计性能,能够对天基红外低轨星座中自由段目标进行有效跟踪。该文的理论分析和仿真实验对天基红外低轨星座的跟踪滤波器设计具有重要的指导意义。     

“高分五号”卫星多谱段集成TDI线列红外探测器

多谱段集成TDI线列红外探测器组件是"高分五号"卫星全谱段光谱成像仪的核心器件。为满足航天型号应用要求,华北光电技术研究所项目团队立足已有技术基础,创新性地开发了具有自主知识产权的"多谱段集成TDI线列红外探测器组件技术",引领了中国多谱段集成红外探测器技术的发展,谱段集成数量达到4个,分别实现了短中波4个谱段和长波4个谱段的集成,谱段从短波1.55μm覆盖至长波12.5μm,并根据探测组件在轨工作剖面,开展了地面8年寿命的试验考核。测试和试验结果表明:多谱段集成TDI线列红外探测器组件产品的性能、环境适应性和可靠性满足要求。     

国外探测器接近至着陆小天体的飞行策略研究

调研了3项国外典型的小天体着陆探测任务,包括近地小行星交会(探测)任务(NEAR)、罗塞塔号探测任务和隼鸟号探测任务,归纳总结了各任务中自接近至着陆小天体过程的设计特点,提出了小天体接近至着陆飞行策略:首先采用逐渐降低高度的接近轨道,开展引力场、外形参数初步测量;着陆前根据探测目标小天体质量大小设计特定的环绕或停泊轨道,在满足轨道稳定性、能源约束条件下,完成小天体的详细观测并选定着陆区,最终进入着陆初始轨道条件;着陆过程根据探测目标质量与体积、系统质量资源约束采用自由落体或自主轨道控制完成着陆。文章的研究结果可为后续我国小天体着陆探测任务提供借鉴。     

基于Q型非球面的全景环带红外光学系统设计

全景环带光学系统凭借周视范围实时成像的特点已在超大视场光学领域中得到了广泛应用。传统的全景环带光学系统将折射、反射面集成在一片块状透镜中,光线在其内部进行多次折、反射导致头部单元体积较大,同时红外透镜材料密度大、折射率温度稳定性差等特点也与光学遥感器轻量化、可靠性高的应用需求相矛盾。文章基于像差理论,讨论了全景环带两反射镜红外光学系统头部单元初始结构设计方法,将Q型(Q-Type多项式)非球面引入全景头部单元增加优化变量,用偏离因子因子k_RMS数值表征非球面加工难度,设计了以两反射镜为头部单元的全景环带红外光学系统。该系统在奈奎斯特频率(20线对/mm)处调制传递函数优于0.5;全视场像元(25μm×25μm区域内)能量集中度优于65%,像质评价结果表明其成像品质良好。该设计在缩小系统体积、提高光学设计优化效率方面有很大的改进,满足超大视场实时成像的应用需求。     

载人近地小行星探测器系统质量减小途径探讨

为减小载人近地小行星探测器的系统质量,提出采用先期运送部分推进舱至小行星、可伸缩式舱体、发展核推进技术的3种技术途径。介绍了国内已有的载人近地小行星探测器的系统组成及其质量估算方法。在此基础上,结合一个载人登陆探测近地小行星的算例,给出了采用上述3种减小质量途径的载人探测器系统质量估算结果。对3种技术途径的探测器总质量减小效果进行了对比,对各技术途径的特点和难点进行了讨论。结果表明:3种技术途径均可有效地减小载人探测器系统的总质量,有助于提高载人近地小行星探测任务的可行性。     

天基红外低轨星座的传感器管理方法

针对天基红外低轨卫星与目标高速相对运动以及导弹防御系统的特点,分析了天基红外低轨星座传感器管理的模型。根据只测角观测模型,使用GDOP作为控制跟踪精度的因子,综合考虑多目标观测成功率、卫星交接次数、传感器调度延迟以及实时运算等条件,使用单步前向预测的动态闭环控制结构进行传感器管理。仿真结果表明,提出的算法能够对天基红外低轨星座的传感器进行有效管理。     

绕飞过程中小天体三维模型重构及探测器运动估计研究

提出了一种利用绕飞段拍摄序列图像对小天体三维模型进行重构,同时估计探测器位 置姿态的方法。利用PCA\|SIFT算法对探测器绕飞小天体过程中拍摄的序列图像进行特征点 提 取及匹配,得到稳定的特征点序列。在窄视场拍摄条件下,通过弱透视投影变换简化成像模 型,并利用SVD因式分解算法重构了小天体的三维模型,同时估计出探测器的位置和姿态。 通过实际拍摄的图像以及人工数据分析了距离远近、特征点个数、图像帧数以及视场角等因 素对三维重构精度以及探测器位姿估计的影响。仿真结果表明该算法可以有效的用于小天体 模型重构以及探测器的运动估计。
     

红外成像制导半实物仿真技术研究

为研究红外成像制导系统在复杂环境下的各项性能,需在内场建立贴近真实环境的半实物仿真试验环境。围绕这一目的,介绍了基于五轴转台的半实物仿真系统和基于六自由度的半实物仿真系统组成及工作原理,分析了红外成像制导技术的发展带来的目标区多波段多谱段场景模拟、面向博弈对抗的复杂仿真场景模拟以及分布式协同制导的实时仿真环境构建等需求,提出了需要解决的仿真总体技术、多波段多谱段目标区大范围场景快速建模技术、目标区场景多波段多谱段生成技术、试验设计与仿真评估技术等主要仿真关键技术。     

一种用于近地轨道航天器的天地网络一体化方案

当前空间通信的发展趋势是空间通信网与地面通信网融合,建立天地一体化的信息传输系统。针对航天器内部网段设计和CCSDS空间链路承载网际协议业务(IP over CCSDS)的协议转换技术开展研究,提出一种适用于近地轨道航天器的天地网络一体化方案,并通过研制航天器网关实现了网际协议(IP协议)与空间数据系统咨询委员会高级在轨系统(CCSDS AOS)空间数据链路协议的相互转换,并对服务质量(Qo S)保证方法进行了设计,试验结果表明,文章提出的方案可用于构建天地一体化互联网络。     

星载大视场多光谱高分辨率CCD相机光学系统的设计

文章阐述了星载大视场多光谱高分辨率CCD相机光学系统的设计过程 ,并给出了设计结果。该系统采用像方远心光路与多光谱棱镜分光型式 ,4个谱段在整个视场的调制传递函数在Nyquist频率 77lp/mm处均接近衍射极限 ,满足了色漂移、多光谱光学配准、偏振、光学热补偿等工程要求。     

DQ-1宽幅成像光谱仪发射前载荷定标技术

大气环境监测卫星作为国家民用空间基础设施规划中的科研卫星,其遥感应用需求对其载荷的定量化精度要求越来越重要。宽幅成像光谱仪作为大气环境监测卫星中的主要载荷,可获取光谱范围从可见光至长波红外(0.415~12.000 μm)的陆表和大气多光谱信息。采用45°扫描镜配合消旋系统的扫描方式,光路结构采用同轴望远镜系统,实现3个探测器焦面上21个谱段的同时对地的超宽幅高空间分辨率成像。为了准确地获取能量和仪器响应之间的定量关系,在卫星发射前开展宽幅成像光谱仪全光路、全口径辐射定标试验,分别介绍了可见到短波谱段积分球定标技术和中长波谱段热真空红外定标技术,为用户定量应用提供了良好的保障,并对定标过程中传递路径下的误差来源及精度进行分析评估。     

关于射频与红外复合寻的制导系统的半实物仿真技术

随着精确制导技术的发展,现在不再是利用单一的雷达或者红外寻的 制导方法实现对目标的探测、跟踪,而是采用多谱段组合的复合寻的方法实现对 目标的探测、跟踪和指令的形成。目前最常用的复合寻的是射频与红外复合寻 的。因此,要在内场实验室内进行复合寻的制导系统的性能验证和评估,半实物 仿真试验是必不可少的技术途径,本文简要介绍了射频/红外复合系统半实物仿 真试验的可行的几种方法。     

天基红外系统及空间光电对抗装备进展

随着信息技术的进展,战争已从陆、海、空扩展到外层空间,信息和反导已成为世界军事领域的两大课题。介绍了美国天基红外系统(SBIRS)的作用、组成、最新进展及技术特点,分析了空间光电对抗技术的原理及空间光电对抗装备发展现状。对预警卫星系统和空间光电对抗设备建设具有借鉴作用。     

天基紫外预警技术发展现状及思考

天基紫外预警是利用导弹尾焰的紫外辐射来探测主动段导弹目标的一种有效的预警手段,可以有效降低系统的探测虚警率。文章分析了天基紫外预警的特点和优势,介绍了美国天基紫外预警技术的发展现状,分析了天基紫外预警的关键技术。最后,根据中国紫外预警技术的发展状况,探讨了发展天基紫外预警技术应该关注的几个问题。     

国外的预警卫星系统

文章简述了美国预警卫星系统的发展历程,较详细的介绍了国防支援计划(DSP)和天基红外系统(SBIRS)。最后还提到了前苏联/俄罗斯的预警卫星系统和日本,法国的预警卫星计划。     

天基为主的空间站测控通信模式

空间站时代为测控(TT&C)通信系统带来保障时间更长、覆盖要求更高、数据传输能力更强、航天员在轨工作生活体验更好等新的挑战，结合中继卫星系统(TDRSS)、卫星导航系统等天基测控通信手段的能力特点，提出以天基手段为主的解决方案，采用多星多舱段接力模式，将航天员出舱等重大活动的测控通信覆盖率提升至接近100%，采用多星多目标工作模式，较好地保障各种交会对接模式，综合利用中继卫星S频段多址(SMA)链路连续业务、短报文业务和北斗短报文业务常态化保障空间站安全运行，应用天地一体网络化技术，为航天员在轨上网、天地通信和载荷实验数据传输提供优质服务。     

针对GEO目标的美国天基态势感知技术发展研究

为了掌握针对地球静止轨道(GEO)目标的天基态势感知技术动向,文章系统整理了美国相关卫星的公开数据和资料。根据卫星的功能和使命,GEO目标的天基态势感知技术试验卫星可分为3类:目标观测卫星、目标交会与抵近操作卫星以及目标编目卫星,并分别对3类技术试验卫星的有效载荷、平台和运行轨道等方面进行分析和比较,梳理了针对GEO目标的天基态势感知技术发展演进脉络,对后续态势感知技术的发展趋势进行了预测。文章的研究内容可为我国未来态势感知技术发展提供借鉴。