天基雷达观测空问碎片的研究现状及关键技术分析

文章针对空间碎片观测中尚未得到确切观测数据的危险碎片的观测需求，综合分析了国内外的研究水平和现状，对天基雷达观测的需求和关键技术开展研究，提出了天基空间碎片观测有三个关键技术需要解决，即如何确定雷达工作体制和平台轨道以提高观测效率，如何有效探测尺度只有几个毫米-几个厘米的细小目标，如何对观测到的空间碎片进行分类和精确定轨。     

天基毫米波空间碎片观测雷达系统分析与设计

介绍了天基毫米波空间碎片观测雷达的难点和关键技术,提出了解决问题的思路。将同时多波束天线引入到高速目标探测中,分析了雷达天线和发射机的形式,采用多频信号处理方法解决多普勒模糊问题。给出了空间站载天基毫米波雷达的系统参数,分析了测距、测角、测速精度。在天球坐标系下建立了雷达平台坐标系,通过速度分解和坐标转换,结合雷达成像的方法分析了雷达和碎片间的相对速度、位置的几何关系,在此基础上对空间站载天基毫米波雷达系统空间碎片轨道预测性能进行了分析。
     

天基照相跟踪空间碎片批处理轨道确定研究

随着国内外天基观测空间碎片研究的展开,文章提出了利用跟踪卫星的CCD(Charge
Coupled Device)相机对空间碎片进行轨道探测的方法,首先建立了CCD照相观测模型和基于 照相观测 的空间碎片批处理轨道确定模型。通过对CCD相机底片归算方法的分析可知,利用
CCD相机所获得的观测数据与跟踪卫星的姿态无关,且其精度只与测量和坐标转换计算的精 度有关,在测量和计算中可获得较高的精度。分别对分布密度较高的低轨道和地球同步 轨道区域的空间碎片进行了定轨分析。仿真结果表明,定轨时采用两个跟踪弧段的照相数据 定轨精度大大高于一个弧段照相数据的定轨精度;跟踪卫星距离空间碎片越近,定轨精度越 高;低轨道空间碎片的定轨精度高于地球同步轨道上的空间碎片定轨精度。
     

应用距离搜索的低轨空间碎片初始轨道确定方法

使用低轨天基光学望远镜扫描式观测低轨空间碎片,由于两者的相对运动较快,只能获得很短时间内的角度观测值(甚短观测弧段),使用传统的Gauss方法和Gooding方法很难得到精确的空间碎片初始轨道。为此,文章提出了一种新的方法,在给定的一组角度观测值中,通过搜索其中2个时刻的距离信息,将纯角度的初始轨道确定问题转换为基于2个位置矢量的初始轨道确定问题;再利用其他时刻的角度观测值进行检核和约束,筛选出最优的初始轨道结果。利用文章方法对空间碎片在10~60s内的503个观测弧段进行处理,结果表明,其定轨误差与角度观测值变化率有关。将文章方法所得结果与Gauss方法和Gooding方法进行比较,证明文章方法在解的成功率和精度上都显著优于其他2种方法,能很好地确定空间碎片的初始轨道。     

同步带1-10cm级空间碎片可见光探测技术研究

针对目前天地基碎片探测装备无法对同步轨道带1 10cm级空间碎片进行探测的问题,文章在对同步轨道带碎片分布规律、碎片探测技术手段进行分析总结的基础上,分析探讨了高轨航天器搭载光电传感器实现同步轨道带1 10cm级碎片探测所具备的技术指标和功能特点,并对基于天基测角信息的空间碎片轨道确定算法及相关技术进行分析。基于本文所述的分析论证和技术方法,可以确定高轨航天器实现对同步轨道带1 10cm级碎片的探测识别和轨道确定的可行性及能力需求,为同步轨道带1 10cm级碎片的天基光学探测提供一定的技术支持,为同步轨道带碎片探测专用航天器的研制论证提供技术支撑。     

一种空间碎片天基测量定位技术与参数优化

针对空间碎片在轨精确定位需求,系统总结了采用天基光学探测和激光测距对空间碎片运动状态初值的求解方法;立足在轨应用,文章提出了基于天基光学探测和激光测距的空间碎片运动状态扩展卡尔曼滤波(EKF)估计方法,以目标定位精度为评价标准,研究了探测体制、测量数据精度、测量数据率和探测距离等因素对目标定位性能的影响,并提出了定位参数最优的水平选择。数学仿真结果表明：在特定载荷性能下,采用双星光学测量体制,碎片位置估计精度优于79.4 m,速度估计精度优于3.5 m/s;采用单星光学测量加激光测距体制,碎片位置估计精度优于124.3 m,速度估计精度优于4.5 m/s。该方法具有求解精度高、运行稳定性好和数据计算量低等优点,具备在轨应用的条件,可为面向空间碎片的天基跟踪系统设计提供参考。     

天基TDM-MIMO雷达空间碎片阵列走动补偿方法研究

天基时分复用多发多收天线(TDM-MIMO)雷达能同时完成较大空域搜索和多目标跟踪任务,有利于实现对多个碎片同时跟踪,且系统架构简单,能够以较小代价获得更多的系统自由度.但由于空间碎片与雷达间的相对高速运动,目标回波信号由窄带阵列信号变成宽带阵列信号,均匀线阵畸变成相对阶梯形阵列,无法实现能量聚焦.为了解决以上问题,提...     

利用姿态调整规避地气光的GSO空间碎片观测方法

针对空间碎片天基光学观测时的地气光规避问题,提出一种利用卫星姿态调整的观测方法。首先,建立地气光对卫星遥感器观测效能影响的数学模型,计算地气光影响卫星弧段。其次,建立空间碎片观测数学模型,对观测方法进行设计。最后,基于STK和MATLAB软件联合仿真,对观测效能进行仿真分析,迭代优化观测方法。以500km太阳同步轨道卫星对地球同步轨道(GSO)空间碎片观测为例,仿真分析其地气光影响弧段及观测效能。仿真结果表明:文章提出的方法可有效克服地气光影响,且观测效能高。     

空间碎片环境现状与主动移除技术

概述了空间碎片环境现状和对航天活动的影响,讨论了空间碎片主动移除对保持空间碎片环境稳定的必要性。空间碎片研究重心先从防护转向减缓,再转到主动移除,最终是清洁空间。评述了空间碎片主动移除技术现状,指出天基激光主动移除空间碎片技术具有很好的工程应用潜力。     

天基光学空间监视指向策略研究

针对如何提高天基光学监视对GEO目标的观测效率,开展了天基光学监视指向策略的研究.首先,对比分析了适合GEO带观测的几种天基光学监视轨道,并选择太阳同步晨昏轨道作为天基光学GEO目标观测轨道;其次,为充分利用光照条件并避免地影对GEO观测造成影响,分析了影响最佳指向角的2个因素——太阳矢量、轨道面法线矢量在地心惯性坐标...     

低地轨道空间碎片环境建模与分析

根据“箱中粒子”（PIB）的模型和气体分子运动学理论，建立了估算低地轨道（LEO）上空间碎片总数的微分方程，参考国外文献提供的有关空间碎片统计数据和初始条件，求解方程，并分析了空间碎片环境的短期和长期变化趋势。     

空间碎片环境的长期演化建模方法

针对空间碎片环境的长期演化问题,从宏观和微观两个方面,分别构建了碎片环境的整体演化模型和数值演化计算模型,并在此基础上研究了不同条件下碎片环境的长期演化分布特点,分析了碎片环境的稳定性和主要影响因素。低地球轨道碎片环境在未来200年内的演化结果表明,空间目标的相互碰撞解体,是空间碎片不断增加的主要因素;即使停止一切航天发射活动,空间碎片的数量仍在不断增加,表明低地球轨道空间碎片规模已经超越稳定临界点;进一步的发射活动会增强空间碎片环境演化的不稳定性,加剧“碰撞-目标解体-碰撞”反馈连锁碰撞效应。     

基于空间交会的天基反卫作战方案

对位于高地球轨道天基平台攻击低地球轨道目标的方案进行了研究,讨论了高轨作战平台的攻击范围。采用完全推力法实现远程空间交会。为消除异面霍曼变轨方法等待时间过长的缺点,提出了两种主动调相方法。研究表明：用该法可实现天基武器由高轨至低轨的空间转移交会,引入主动调相轨道可明显缩短交会所需时间。     

空间碎片减缓策略效果仿真

根据机构间空间碎片协调委员会(IADC)和欧空局(ESA)的空间碎片减缓要求,在建立航天发射、爆炸和碰撞模型,以及碎片演化机制的基础上,对常规发射(BAU)、禁止在轨爆炸(NO-EX)和全面减缓(MIT)三种空间碎片减缓策略条件下,对2000~2100年空间碎片环境进行了仿真计算。结果表明,禁止航天器在轨爆炸、对失效的卫星和火箭上面级实施离轨操作,以及在航天器的发射和运行中不产生或抛弃分离物等减缓措施是限制空间碎片数量增长的有效方法。     

空间环境对航天器的影响及其对策研究

在扼要介绍近地空间环境的基础上，简述了高层大气、高能带电粒子，空间等离子体、空间碎片和微流星等空间环境对航天器轨道，姿态的影响，以及航天器辐射损伤，机械损伤，化学损伤，表面充放电，电子器件硬软错误，通信和测控的干扰等诸多空间环境效应，还简要介绍了我国空间环境探测的主要成果以及空间环境对航天器影响的对策研究的情况。     

空间多目标拦截交会平台停泊轨道设计优化

针对空间多目标交会(拦截)平台停泊轨道设计问题,定义有效交会(拦截)区作为衡量平台交会(拦截)目标能力的指标,提出并建立了该类空间平台停泊轨道设计优化和分析模型,采用多岛遗传算法(MGA),以有效交会(拦截)区的最大化作为优化目标,以可交会(拦截)目标的数目和子飞行器轨道转移所需要的脉冲速度增量等为约束条件,对该类平台停泊轨道要素和子飞行器变轨时机进行综合设计优化。将上述模型和算法用于两空间平台设计中,一个是针对低轨2目标的交会平台,另一个是针对中轨3目标的拦截平台,得到合理的结果,表明所提出的设计优化模型以及选择的寻优算法是有效的。     

空间碎片绳网捕获拖曳恒张力控制

针对空间绳网系统捕获空间碎片后,在轨道转移过程中的精确控制问题,提出一种使用常值拉力将空间碎片拖曳至坟墓轨道的方法。首先,采用牛顿欧拉法建立绳系组合体动力学模型;其次,通过李雅普诺夫方法证明仅使用恒张力即可实现拖曳过程的稳定控制;再次,提出采用常值拉力切换控制律抑制空间碎片的姿态章动,采用基于相平面控制原理的控制律抑制绳系组合体面内面外摆动,规避在轨道转移过程中系绳松弛造成缠绕、系绳张力过大造成断裂或两星接近发生碰撞等风险。最后,通过拖曳离轨全过程仿真分析,校验了所提出控制方法的有效性。     

地球静止轨道空间碎片的处置

介绍了国际机构间碎片协调委员会提出的关于地球静止轨道（GEO）空间碎片问题的研究结果和碎片处置的建议，主要内容包括：GEO与GEO环的概念、EGO上物体现状，EGO空间碎片处置的基本原则和8条具体处置措施建议。该建议已于2000年2月提交联合国和平利用外层空间委员会科技小组委员会第37届会议。     

Space Debris at the United Nations

Rules for activities in outer space are agreed upon in the Committee on the Peaceful Uses of Outer Space of the United Nations. Several international treaties have been adopted in the 1970s, that is, at a time before space debris became a concern for the international community. In the years 1979–1988 numerous documents were prepared by the UN Secretariat on space debris, but no official discussions of the problem were initiated by states members of the COPUOS. First proposals for introducing the matter to the UN appeared around 1988, after important studies on the subject were published by states and leading intergovernmental organizations. Also the International Telecommunication Union became concerned about the proliferation of space debris in the geostationary orbit and adopted in 1993 a recommendation to restrict the generation of debris and to re-orbit satellites approaching the end of their active lives into disposal orbits beyond the belt populated by active satellites. In 1994, the UN started discussing scientific and technical aspects of space debris. In the following years, with the assistance of experts from prominent space agencies, it elaborated a Technical Report on space debris. Legal aspects of the problem have not yet begun being discussed because the necessary consensus among states members of the COPUOS has not yet been achieved. Very recently, the UN received first information on a wider subject, space traffic management.