天基微小空间碎片探测研究

随着空间碎片数量的不断增多,天基微小空间碎片探测已经成为一个热点.首先介绍了空间碎片在低地球轨道上的分布情况以及它对于航天器的危害,然后介绍了国外微小碎片探测器的基本情况,并在这些探测结果的基础上提出了一个探测器方案.这种探测器的传感器采用了新型的压电材料聚偏二氟乙稀(PVDF),使用了飞行时间法(TOF)准确测定空间碎片的飞行速度,以及快脉冲分析系统分析碎片的质量.     

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.     

天基连续毫米波空间碎片探测雷达方案设想

<正>1空间碎片的尺寸和分布特性空间碎片是指除正常工作的航天器外所有在轨的人造物体,包括失效载荷、火箭残骸、操作性碎片、由爆炸和碰撞产生的残碎片、固体火箭的燃烧剩余物、核动力卫星泄露的冷却剂以及航天器老化而脱落的表面材料和组件等。据统计,目前已经有约6000t太空垃圾在绕地球飞速运转。目前能够编目跟踪的尺寸在10cm以上的空间碎片约有1.8万个,1~10cm以下的空间碎片据估计有70万个。     

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.     

美用光学望远镜跟踪空间碎片

美空军航天司令部在高１万英尺（约３０４８米）的夏威夷火山上设立的毛伊（Ｍａｕｉ）航天监测站，使用光学、光电和红外探测器识别空间人造物体，取得了良好的效果。光学望远镜能分辨出运行在约３７８００千米地球同步轨道上的小至８厘米的人造物体。试验表明，光学探测器是分辨地球同步轨道上人造物体的主要手段。由于离地球甚远，红外成像技术难以实现，而雷达探测器由于功率损失太大以及地球同步轨道物体与地面相对运动太小也十分困难。美航天司令部航天监测中心采用光学探测器对空跟踪，迄今已发现运行在地球轨道上的人造物体大约有７…     

基于天基光学监视的空间目标跟踪方法研究

利用天基观测平台实现对空间目标的有效监视跟踪是空间监视的发展趋势. 在对天基光学监视特点进行分析的基础上, 通过对帧集内目标运动条痕线性拟合提取帧集测量信息, 提出适合其数据特点的空间目标被动跟踪方法, 并给出相应跟踪初始化方法. 该方法在降低信息处理数据流量的同时可以保证一定的精度.     

空间碎片偏振光谱成像探测技术研究

随着太空探索活动的逐年增多,人类对空间碎片的探测显得越发重要。文章首先介绍了探测空间碎片的意义及其常规的光电探测方法,并分析了探测空间碎片的主要难点;在此基础上,结合空间碎片的具体特征,提出一种对空间碎片进行探测与识别的新方法,即将成像、光谱、偏振三个光学基本量同时使用,通过多元特征融合等识别技术,实现对空间暗、弱、小碎片的高效探测,并对新方法中的关键技术进行了分解和可行性分析。     

天基激光移除空间碎片仿真平台研究与开发

为了从空间碎片和天基移除系统两方面分析激光驱动碎片变轨过程,优化移除任务规划和策略,基于真实的可观测空间碎片数据,设计并开发了一套天基激光移除空间碎片三维数值仿真平台。首先从总体设计出发,对三维数值仿真平台的需求分析、总体框架、模块功能进行了明确的描述。其次通过对激光驱动空间碎片变轨过程数学模型的分析,确定了各模块的具体实现方法。最后采用C++/Qt开发了三维数值仿真平台,通过仿真验证了设计平台的有效性。该仿真平台可用于不同天基平台和目标碎片的任务规划、碎片分布热点区域和航天器防护区域的方案设计及空间环境治理体系的优化设计。     

影响空间碎片环境的因素及对策

目前，外层空间的轨道碎片呈增长趋势，已经对航天活动构成威胁。自１９５７年发射第一颗人造地球卫星开始，迄今已经进行了约３４００次发射。大量卫星和末级火箭进入了外层空间，由于自然净化等作用，有些末级火箭和卫星已经被清除出空间。通过光学仪器和雷达的跟踪观测得知，在编目的２２０００个碎块中有１５０００个已经陨落。留在空间的约７０００个物体中，只有大约３５０个是工作卫星，仅为编目物体总数的５％。近１５年来，空间物体以每年１５０个的数目增长。未来的增长率将如何？是什么影响着空间碎块的增与减？有哪些措施可以控…     

Analysis of space debris impact source localization based on PVDF piezoelectric film

As the pace of human exploration and utilization of space continues to accelerate, space debris gradually becomes an inevitable problem affecting and threatening human space activities. When space debris strikes the spacecraft bulkhead, determining the impact source location timely and accurately is the foundation of the repair damage, and is also of great importance for the safety of astronauts' life. This paper analyzed the wave propagation law in thin plates, established a lightweight sensor array using PVDF (Polyvinylidene fluoride) circular thin-film sensors, and used a two-stage light-gas gun loading system to conduct hypervelocity collision localization experiments on impacting 2A12 aluminum plates to study the effects of sensor array radius and sensor size on localization results. The results show that the smaller the radius of the PVDF sensor array is, the more accurate the positioning result is under the premise of the same size of the PVDF circular film sensor array. On the premise of the same PVDF sensor array arrangement, the larger the PVDF circular membrane sensor is, the more accurate the positioning result is. ABAQUS finite element software is used to study the stress wave propagation of aluminum ball impacting aluminum plate at high speed, simulating space debris impacting spacecraft. The stress waveform obtained from the simulation is in good agreement with the experiment, which shows the accuracy of the numerical simulation method.     

空间物体解体碎片云的长期演化建模与分析

空间碎片云由空间物体解体产生的大量空间碎片组成,由于其相对集中地分布在有限的空间内,将会对临近航天器产生较大的碰撞威胁。为了分析解体碎片云长期分布特点,文章首先利用数值积分方法对空间碎片云短期分布规律进行了研究;在此基础上,针对处于环状分布的碎片云,根据碎片所在的轨道高度和具有的面质比值,将碎片划分到不同分组,以每个组作为研究对象,建立了描述碎片云在大气阻力作用下的解析演化模型。模型避免了对单个解体碎片的运动状态进行积分,可大大降低对计算资源和计算时间的需求。考虑在高度为1422km 圆轨道上运行的物体,解体产生了1780个碎片,利用解析演化模型得到碎片云未来50年内的演化分布状态。数值结果表明,碎片云的峰值密度在解体物体轨道高度附近,并在大气阻力作用下向更大高度区间内扩散;较低高度区间内碎片密度具有先增加,然后在大气阻力作用下不断减少的特点。     

Using parallel computing for the display and simulation of the space debris environment

Parallelism is becoming the leading paradigm in today’s computer architectures. In order to take full advantage of this development, new algorithms have to be specifically designed for parallel execution while many old ones have to be upgraded accordingly. One field in which parallel computing has been firmly established for many years is computer graphics. Calculating and displaying three-dimensional computer generated imagery in real time requires complex numerical operations to be performed at high speed on a large number of objects. Since most of these objects can be processed independently, parallel computing is applicable in this field. Modern graphics processing units (GPUs) have become capable of performing millions of matrix and vector operations per second on multiple objects simultaneously.     

柔性多层冲击空间碎片防护结构设计与试验

充气展开密封结构是未来空间站以及大型空间居住舱的理想构建形式,其外蒙皮由气密层、增强层、微流星体和空间碎片防护层、辐射保护层以及热控层组成。为了既满足对空间碎片的防护,又满足折叠、收纳以及展开的要求,空间碎片防护层需要采用多层冲击防护结构设计。基于多层冲击防护结构,采用国产的玄武岩纤维材料和芳纶织物的特性参数,根据弹道极限方程设定了柔性空间碎片防护层的设计参数,并通过高速撞击试验对根据设计参数生产的试验件进行了试验验证,试验结果与柔性多层冲击防护结构的弹道极限方程吻合较好。     

基于视惯融合的大型空间碎片质心位置辨识

大型自由翻滚碎片的质心是在轨操作基坐标系下的不动点,也是碎片连体基下动力学参数向卫星坐标系转换的基准,对其精确识别是提高碎片动力学参数辨识精度的关键。提出基于惯性单元测量数据与双目视觉定位数据融合的大型空间碎片质心位置识别方法。基于无力矩欧拉方程,获取附着到空间碎片表面的惯性单元间转换关系,利用该转换关系对惯性单元冗余测量数据优化,再优化求解惯性单元到质心点距离;利用双目视觉获取惯性单元上标记点动态坐标,再利用惯性单元到质心点距离,基于三点定位原理识别大型空间碎片的质心位置。以加入高斯白噪声的惯性单元与双目视觉测量数据进行仿真,结果表明优化解算后惯性单元实时测量数据的误差降低到1%以下,解算的质心位置三轴误差小于0.47mm;开展了地面试验,结果表明,解算的质心位置三轴误差小于0.49mm。仿真和试验证明,该方法能够为大型空间碎片的消旋、捕获任务提供准确的数据基准。     

The bistatic radar capabilities of the Medicina radiotelescopes in space debris detection and tracking

An accurate measurement of the position and trajectory of the space debris fragments is of primary importance for the characterization of the orbital debris environment. The Medicina Radioastronomical Station is a radio observation facility that is here proposed as receiving part of a ground-based space surveillance system for detecting and tracking space debris at different orbital regions (from Low Earth Orbits up to Geostationary Earth Orbits). The proposed system consists of two bistatic radars formed by the existing Medicina receiving antennas coupled with appropriate transmitters. This paper focuses on the current features and future technical development of the receiving part of the observational setup. Outlines of possible transmitting systems will also be given together with the evaluation of the observation strategies achievable with the proposed facilities.     

基于Neyman-Pearson准则的空间目标轨道机动检测方法

轨道机动检测是当前空间监视活动的重要需求之一.当卫星在脉冲小推力作用下发生轨道机动时,会引起目标卫星与伴飞卫星相对距离变化率的阶跃突变,由于测量噪声的存在,距离变化率的阶跃突变特征被淹没在测量噪声中,不容易被检测出来.针对该问题,提出了一种基于概率判决模型的轨道机动检测方法.该方法采用独立同分布高斯白噪声模型描述测量噪...     

Analysis of laser ranges and angular measurements data fusion for space debris orbit determination

In the framework of space debris, the orbit determination process is a fundamental step, both, for researchers and for satellite operators. The accurate knowledge of the orbit of space debris objects is needed to allow space debris characterization studies and to avoid unnecessary collision avoidance maneuvers.The accuracy of the results of an orbit determination process depends on several factors as the number, the accuracy, the kind of processed measurements, their distribution along the orbit, and the object-observer relative geometry. When the observation coverage of the target orbit is not homogeneous, the accuracy of the orbit determination can be improved processing different kind of observables. Recent studies showed that the satellite laser ranging technique can be successfully applied to space debris.In this paper, we will investigate the benefits of using laser ranges and angular measurements for the orbit determination process. We will analyze the influence of the number of used observations, of the covered arc of orbit, of each observable, and of the observation geometry on the estimated parameters. Finally, using data acquired on short observation arcs, we analyze the achievable accuracies for the orbital regimes with the highest space debris density, and to the consequences of the data fusion on catalog maintenance operations. The results shown are obtained using only real data (both angular and laser measurements) provided by sensors of the Swiss Optical Ground Station and Geodynamics Observatory Zimmerwald owned by the Astronomical Institute of the University of Bern (AIUB) and for some studies also using ranges provided from other stations of the International Laser Ranging Service (ILRS).     

萤火一号火星探测器轨道设计与科学探测事件分析

针对萤火一号火星探测器在2011年发射窗口的轨道进行初步设计.在此基础上,分析了萤火一号火星探测器绕火星飞行的轨道特性,预报其穿越火星弓激波和磁堆积区域、CCD相机拍照时刻,其与深空站进行星-地掩星试验和与俄罗斯Phobos-Grunt火星探测器进行星-星掩星试验的时刻.结果表明,萤火一号火星探测器在与俄罗斯Phobos-Grunt分离后一年的环火飞行时间里,存在大量的科学探测机会.