天基低轨空间碎片探测总体技术初步研究

张强 刘红雨 潘腾 贺玮 杨康

1.北京空间飞行器总体设计部 北京 100094 2.山东航天电子技术研究所山东烟台264670

空间碎片是指人类在地球外层空间活动产生、遗弃的碎片和颗粒物质,也称为太空垃圾.随着人类航天活动的不断扩大,空间碎片数目迅速增加.不断增加的空间碎片反过来对人类航天活动产生越来越大影响,逐步成为空间环境领域各国越来越关注的问题.20世纪八九十年代以来,特别是近十余年来各主要航天国家对空间碎片相关问题不断加大研究力度,在碎片监测、预警、防护和减缓领域取得的丰富成果已逐步应用于各类航天器的设计和在轨运行保障中,但与迅速扩大的航天活动对空间碎片研究、尤其是监测预警研究的要求还有较大差距.近些年,国外已在地基监测手段研究的基础上,进一步发展天基探测手段来提高空间碎片监测预警能力,特别是对分布广、数量多、碰撞威胁大的小尺寸空间碎片的观测与预警能力[1−6].

本文探讨了我国低轨道小尺寸空间碎片天基探测及天地联合探测发展问题,提出了相关发展设想.

1 空间碎片的特性分析

1.1 空间碎片的分类及影响

空间碎片按尺寸大小可分为:1)微碎片,其直径小于lcm,它们的数量比较多;2)危险碎片其直径介于1cm∼l0cm之间,它们一般很难追踪和分类,这类碎片有可能引起灾难性的事件,所以称之为危险碎片;3)毁灭性碎片,其直径大于l0cm,可对航天器造成毁灭性打击,其一般可以由地面光学望远镜和雷达等常规性仪器探测、追踪并予以编目,也称为编目碎片.

目前,微碎片对航天器的撞击造成的影响较小,通常可以通过结构加固的方式防范,然而危险碎片和毁灭性碎片则可能会对航天器造成灾难性打击,因而需要航天器进行规避从而避免伤害.10cm以上的毁灭性碎片已通过地基观测手段进行了编目,其对在轨航天器的威胁可预知,但10cm以下的危险碎片绝大部分未被编目,其对在轨航天器的威胁无法预测,碰撞风险极大,因此,迫切需要补充对1cm∼10cm尺寸危险碎片的探测能力.

1.2 空间碎片的分布特性

截至2014年6月底,已编目的在轨空间碎片数目接近20000,而厘米级及以下尺寸还无法编目的危险碎片估计质量已达一两千吨、数量超过200亿.图1给出了空间碎片分布示意图.

对目前已编目的低轨和高轨空间目标的轨道高度、轨道倾角典型分布情况进行分析,主要集中在高度450km∼1200km、倾角45◦∼110◦的低地球轨道和倾角0◦∼15◦的地球同步轨道,其中低地球轨道的碎片密度最高,相应碰撞威胁最严重.

1.3 空间碎片的探测手段分析

空间碎片的探测方法一般有地基探测和天基探测两种,地基空间碎片探测又一般分为雷达探测和光学探测两种手段.

美国从20世纪60年代即开始“太空篱笆”为代表的地基雷达探测系统的建设,俄罗斯、法国等国也都开展了空间目标地基雷达探测系统的建设,目前世界上有超过50部以上的雷达被用于对空间目标和空间碎片的监测.地基雷达探测手段不受体积和重量等因素限制,通常选用大口径天线和大发射功率来获取高探测精度和增大探测距离,但由于目标信号损失与距离的四次方成正比,因此,其探测范围通常局限于低轨,同时由于大气传输抖动、电离层闪烁、蒙气差等影响的存在,以及大气衰减限制使得雷达只能工作在较低的频段,从而限制了地基雷达的探测精度,目前地基雷达识别小尺寸空间碎片仍存在较大困难.

相比地基雷达探测,地基光学探测由于信号衰减与距离的平方成正比,因而可以获得更远的观测距离,可以实现对高轨大尺寸空间碎片的观测.但由于光照条件等因素限制,地基光学探测手段观测效率较低,并且云、雾、大气污染、城市辉光或满月时的辉光以及大气本身的热作用都会增加背景噪声从而降低探测信噪比,而大气湍流的存在也限制了观测精度和极限分辨率,因此,限制了地基光学观测手段对小尺寸空间碎片的探测能力.

相比地基空间碎片探测手段,天基空间碎片探测手段观测手段有着不可替代的优点.

首先,天基空间碎片探测手段不受地球大气影响,而地球大气正是限制地基空间碎片探测分辨力和精度的主要原因.

其次,通过合理的轨道设计,天基空间碎片探测手段能够实现对空间碎片的近距离观测,而光学探测信号强度与探测距离的平方成反比,雷达探测信号强度与探测距离的四次方成反比,因而减小探测距离可以极大地提高探测分辨力和精度.

再次,天基空间碎片探测可获得较大的观测范围.地基探测手段受雷达基站以及光学望远镜位置固定的限制,只可对特定区域进行探测,而天基探测手段不受上述限制,可获得更大的探测范围从而提高探测效率以及探测时效性.

最后,天基空间碎片探测手段可全天候工作.地基光学探测手段受光照影响而只能在夜晚观测,从而导致观测效率低下,而天基光学探测手段通过合理的相机指向控制,可避免太阳光的照射,从而使每一轨都可以获得较长的探测时长,实现全天候工作[7−11].

图1 空间碎片分布示意图

我国最近10∼15年大力投入支持解决空间碎片监测与预警问题,目前,在空间碎片地基监测方面已具备较好的基础,形成了一定监测预警能力,监测碎片尺寸已达到高轨50cm、低轨10cm的水平,但由于受地缘因素影响,探测覆盖空间范围有限,还无法建立自主完备的基础数据库.近几年,国内也开始重视天基空间碎片探测问题研究,并在高轨、低轨目标监视领域都取得一定进展.由于受更多因素影响,我国地基能力受限的情况下更需要发展天基探测手段,并与地基探测相结合,共同工作,才能确保小尺寸空间碎片环境掌握,为建立自主完备的碎片数据库创造条件.天基手段的发展以及天地基联合探测是下一步我国空间碎片探测技术发展的趋势.

2 总体设计技术

2.1 总体方案

空间碎片天基监测包括高轨和低轨两方面,总体来讲都还处在起步阶段,要形成能力,还需大力推进.相较而言,高轨碎片由于相对集中、运动较慢,相关探测技术研究已有一定基础,探测能力建设也已开展,但低轨小碎片探测相关技术研究开展的还很不够,应抓紧发展,才能在不久的将来形成对10cm以下小尺寸空间碎片的探测能力,同时也可以进一步完善10cm以上空间碎片自主监测编目能力.

中国空间技术研究院前期已开展了空间环境监测领域低轨空间碎片监测卫星研究工作,首次提出了采用天基光学望远镜实现低轨10cm以下空间碎片探测的卫星方案和相关技术指标体系分析结果.开展了低轨空间碎片探测卫星系统总体技术研究和空间碎片短弧段定轨技术研究等工作.相关院校研究所也开展了空间碎片天基主被动探测载荷技术研究,相关的大口径光学系统研制技术国内多家单位也逐步掌握、天基激光测量载荷相关单位已有技术储备、地基光学观测和激光测量碎片定轨技术也逐步延展到天基监测碎片定轨领域.这些研究工作形成了我国低轨小尺寸空间碎片天基探测技术掌握和能力建设的基础.

2.2 探测效率分析

针对低轨空间碎片探测效率,结合探测卫星的轨道设计开展了仿真分析,利用STK仿真分析软件和目前已编目的空间碎片数据库,采用真实的碎片信息(203个),对不同高度、不同倾角、不同类型的探测卫星轨道的探测效率进行了比对分析,仿真时间为11天,图2为仿真场景图.

图2 探测效率仿真场景图

探测卫星设置为太阳同步圆轨道卫星,降交点地方时为6:00,轨道高度为300km∼1000km,轨道半长轴6678.14km∼7384.14km,偏心率为0,近地点幅角为0◦,真近地点角为0◦,升交点赤经为51.8925◦.为简化分析,大视场相机设置为6◦×6◦视场,探测方向固定为偏离卫星飞行方向30◦,且不进行摆动.

仿真分析结果表明,为提高低地球轨道广域分布的小尺寸碎片的搜索探测效率,卫星可以采用高度500km的太阳同步轨道进行探测试验.单颗卫星采用大口径光学系统的有效载荷,选取合适的探测轨道和工作模式,能够实现空间碎片98%的探测率,平均可见次数为30次.成熟后,可继续发展2∼3颗同类卫星,形成天基网络,实现对低轨广大区域小尺寸碎片的完全覆盖探测,并与地基探测网一起形成一个覆盖低地球轨道各类尺寸碎片的完整监测网络,用于支撑低轨空间碎片的监测和自主编目.

2.3 工作模式分析

针对空间碎片的探测需求,低轨探测卫星应设置至少两种工作模式:恒星凝视模式和目标跟踪模式.

恒星凝视模式:针对未知目标探测,通过卫星姿态调整实现对特定天区指向稳定,探测相机以固定帧频对该区域成像,从而获得多帧该区域的图像,图像内部恒星为点目标,碎片为线目标,通过图像预处理初步识别碎片轨道.

目标跟踪模式:针对已获取初步轨道信息的碎片目标,卫星机动完成对特定目标的识别与锁定与跟踪,探测相机对该目标所在区域连续成像,从而增长观测弧段,提高目标轨道计算精度.

通过恒星凝视模式可以大量检测碎片,通过目标跟踪模式来提高对特定目标的探测精度.

2.4 定轨能力分析

空间碎片的轨道提取,需要通过恒星凝视模式下对特定天区成像,通过凝视获取多帧图像数据,经视频处理器将多帧图像数据叠加和精简处理,提取出定位恒星和空间碎片特征信息,由于恒星的方向已知,利用坐标测量方法测量空间碎片和恒星在图像上的相关位置就可求得空间碎片的方向,然后初步确定空间碎片轨道[12−15].

采用图2的仿真场景,对空间碎片的观测弧长进行了分析,平均可见弧长在几十秒的量级,由于一次观测弧段较短,常规的定轨方法不再适用,需要针对这种超短弧段的特点,研究新的定轨算法.

中国空间技术研究院已经联合相关单位开展了短弧段定轨技术的研究,目前,利用单次观测弧段,可以得到10km左右的初始轨道确定精度,满足碎片编目的需求.通过将多次观测弧段的数据进行综合处理,还可以进一步提高定轨精度,可以为航天器的在轨运行进行准确的安全预报.

3 结论

目前,10cm以下空间碎片的监测预警需求十分迫切,对于保障各类航天器在轨安全有效运行具有重要意义.由于地基手段受限,发展天基监测技术是后续发展趋势,利用其天然优势,通过与地基联合探测,能够解决小尺寸空间碎片监测预警问题,实现我国自主知识产权的空间碎片编目维护,并逐步成为我国空间环境监测预警体系的重要组成部分.相信在国内现有技术基础之上,在有关部门和领导的重视和支持下,经过几年的研究和实施,能够建立起我国自主的小尺寸空间碎片监测能力,显著提升我国在该领域的话语权.