地基激光测距系统观测空间碎片进展

张海峰, 邓华荣, 吴志波, 汤 凯, 张忠萍

（1.中国科学院 上海天文台，上海 200030；2.中国科学院 空间目标与碎片观测重点实验室，南京210008）

地基激光测距系统观测空间碎片进展

张海峰1,2, 邓华荣1, 吴志波1,2, 汤 凯1, 张忠萍1,2

（1.中国科学院 上海天文台，上海 200030；2.中国科学院 空间目标与碎片观测重点实验室，南京210008）

卫星激光测距作为地基光电望远镜系统重要技术应用，可直接精确测量空间碎片距离，提升碎片目标轨道监测精度。基于上海天文台60 cm口径激光测距望远镜，应用百赫兹重复率高功率激光器、高效率激光信号探测系统等，建立了空间碎片激光测距系统，实现了对距离500～2600 km、截面积0.3～20 m2的碎片目标观测，测距精度优于1 m，具备了碎片目标常规测量与应用能力。此外，开展了空间目标白天监视技术研究，实现了亮于6星等恒星的白天观测，并进行了望远镜局部指向误差模型分析，分析结果可应用于空间碎片白天激光观测的目标监视与引导。

空间碎片; 激光测距; 观测系统; 白天恒星监视

0 引言

空间碎片因威胁到在轨工作航天器的安全，已成为国际关注的问题。实现对空间碎片碰撞的高精度预警的前提是碎片轨道的精确测定。世界各航天大国均在大力发展多种高精度空间碎片测定轨技术，并通过国际合作实现可靠的、高精度空间碎片碰撞规避预警技术[1-4]。

空间碎片测量技术中，激光测距是一种精度达分米级的实时测量技术，其精度高于微波雷达、光电望远镜1～2数量级，对提高碎片目标轨道测定精度、预报能力、编目精度、预警能力等具有重要作用[5-7]。美国、澳大利亚、奥地利和中国等均发展了非合作空间目标（包含空间碎片）高精度激光测距技术[8-10]，并加强多方技术交流协作，服务于航天活动中的空间碎片高精度监测、预警等，以增强空间目标的预警能力及空间态势感知能力。

对于空间碎片目标，由于被测表面对入射激光束的漫反射，使得返回激光信号弱，导致测量难度大[11]。为此，提升地面站激光发射功率和弱信号激光探测能力是空间碎片激光测距技术的关键。近些年，中国科学院上海天文台在高性能高功率激光器、弱回波信号探测技术等方面取得了突破，通过对空间碎片激光测距系统升级改造[10,12]，引进吸收国外先进技术，使得碎片测量能力得到了提升。在此基础上，开展了白天激光观测技术研究，以期推动我国高精度激光测距技术在空间碎片观测领域的应用。

1 空间碎片激光测距系统

空间碎片激光测距系统主要包括高功率激光器，激光发射/接收子系统，望远镜跟踪子系统，激光探测器，精密计时子系统和控制子系统[13]。对于空间碎片，由于其距离远、尺寸小，对激光器和激光探测器性能要求较高，是空间碎片激光观测系统中的关重部件。下面重点介绍激光器和激光探测器。

1.1 高功率激光器

提高激光器发射功率和激光信号准直性，可有效提升激光回波信号强度。在空间碎片激光测距技术研究初期，上海天文台采用了低重复频率（20 Hz及以下）、泵浦式高能激光器[12]。在高功率输出状态下，激光器内部光学器件易受损，不仅输出功率难以有较大提升，而且光束质量难以保证。根据国外空间碎片激光测距技术及系统应用经验[8-9]，为了提高功率和性能，可通过提高激光器工作频率和降低单脉冲能量来改善光学器件工作性能。但激光器工作频率增加，又会使得光子探测器暗噪声数随之增大[13]，不利于对激光回波光子的探测。

为了满足空间碎片激光测距的指标要求，本文采用了主振荡功率放大（Major Oscillation Power Amplification, MOPA）技术以实现短脉冲高光束质量的激光方案，研制了可应用于空间碎片激光测量的百赫兹重复频率、高光束质量、高功率、半导体泵浦式激光器系统（如图1所示）。该激光器系统的主要性能指标如下：

1）输出功率：60 W；

2）激光波长：532 nm；

3）激光脉宽：≤8 ns；

4）光束质量（M2）：≤3。

图1 200 Hz重复频率高功率激光器光学系统原理Fig.1 The optical principle of high power laser system of 200 Hz

1.2 激光探测器

空间碎片激光测距中仍存在2个关键问题：碎片轨道预报精度低和高信噪比激光回波探测。

合作空间目标激光测距中，采用了高精度单光子雪崩二极管（SPAD），探测芯片尺寸 200 µm，探测效率约 20%[13]，但在高重复率工作模式下，其暗噪声数在MHz水平，不利于像碎片这样的非合作目标激光回波信号的高效探测。

采用如图2所示的技术原理，国内首先研制了应用于漫反射激光信号高性能探测的低噪声、高效率APD激光探测器，采用了时间滤波降噪技术，并设置了高速甄别比较电路，以加快响应速度和缩短探测盲区时间；选用了盖格（Gaige）模式探测芯片，实现单光子探测的灵敏度；使用了恒温制冷技术,最大程度降低探测暗噪声数。

激光探测器的主要性能参数如下：

1）探测芯片尺寸：500 µm；

2）暗噪声数：18 kHz@200Hz（“@”表示在200 Hz条件下，文章其他@表示意义皆同此）；

3）探测效率：＞40%@532 nm。

图2 APD激光探测器工作原理Fig.2 The working principle of APD detector

对于来自空间背景和目标亮度的噪声，尤其是亮度高于6星等的大尺寸目标，这将对激光回波信号探测产生很大干扰。APD探测器尽管实现了在高重复率工作模式下的低暗噪声数和对回波信号高探测能力，但又面临如何降低背景噪声数的问题。

考虑激光接收子系统探测到的噪声水平与滤波器带宽成正比，激光探测器采用了窄带光谱滤波技术（中心波长532 nm、带宽2 nm、透过率大于90%），以降低背景噪声数。

2 空间碎片高重复率激光观测与分析

2.1 观测结果

基于上海天文台60 cm口径激光测距望远镜，利用建立的空间碎片激光测距系统对碎片目标进行了测量，以验证上述激光器、激光探测器、窄带光谱滤波器等的应用效果。

所跟踪和测量的碎片目标轨道高度范围从500～2000 km，获得了超过200个碎片目标、400圈次的激光观测数据。图3给出了2016年5月16日对美国 SCOUT A火箭体碎片目标（NORAD 02180, RCS 0.6 m2）实时测量距离残差图，其中有规律点为激光回波数据，弥散点为噪声数据，测量距离1050～1230 km，测距精度约45 cm。

图3 SCOUT A火箭体碎片激光测量距离残差图Fig.3 The residual data of laser-detected range for the debris separated from SCOUT A rocket

图4给出了上海天文台60 cm口径望远镜系统碎片观测结果统计，其中横坐标为测量距离，纵坐标为观测仰角，不同斜线代表不同目标截面积。所观测的空间碎片，其测量距离 500～2600 km，截面积0.3～20 m2。测量结果表明，上海天文台空间碎片激光测距系统在天气条件良好情况下，可对碎片目标进行常规观测，提供高精测量数据应用于空间碎片监测。

图4 60 cm口径望远镜系统空间碎片观测结果统计Fig.4 The range statistics of space debris observed by the 60 cm telescope system

2.2 观测精度分析

空间碎片激光观测存在系统误差和随机误差。其中系统误差（包括系统时延标定、大气传输等）可通过模型修正得到一定补偿，而影响测距精度的主要为随机误差，包括激光信号脉宽、激光发射信号探测、激光回波信号探测、系统时间频率基准以及探测目标形状引起激光脉冲展宽和畸变等因素带来的误差。表1给出了上海天文台空间碎片激光测距误差分析。由表中的数据可知，激光器脉宽、探测器精度以及碎片尺寸对回波信号展宽等是影响空间碎片激光测距精度的主要因素。图5给出了上海天文台空间碎片激光测距系统所获得目标测量精度与其截面积的关系。

表1 空间碎片激光测距数据误差分析Table 1 The error analysis of laser ranging data for space debris

由图5中的结果可以看出，随着截面积增加，即目标尺寸变大，测距精度也趋于变差。当截面积小于5 m2时，测量精度约30～80 cm，平均值为50 cm左右；对于截面积5～10 m2，测量精度达到100～120 cm；对于更大截面碎片目标，测距精度超过1.5 m，甚至到2 m。通过将窄脉冲激光信号（百ps）、高精度探测器（ps）应用于漫反射激光测量，可进一步提升目标测距精度，对于小尺寸目标，预期精度可达10～30 cm。

图5 空间碎片测量精度与其雷达截面积关系Fig.5 The relationship between laser measurement precision and the cross section of space debris

3 空间碎片白天观测的望远镜指向误差修正方法

开展空间碎片白天观测，是激光观测区别于光电望远镜观测技术的重要特征。实现空间碎片全天时激光探测能力，对增加观测弧段，提升碎片目标测定轨精度有重要作用，是激光测距系统开展碎片观测的研究方向。

空间碎片的白天激光观测受限因素较多[14]，其中目标精确指向和引导是关键。白天激光观测时，由于受外界环境温度变化影响，望远镜机架指向误差时变形较大，影响了对目标的跟踪和精确指向。

针对上述问题，考虑指向修正的快速性、实时性要求，满足目标精确指向要求，提出通过在白天对过境天区内观测适当数量恒星方式，建立局部指向模型，实现对望远镜指向误差的快速修正。利用恒星与背景光谱差异，采用光谱滤波方法实现白天恒星观测；选取目标过境天区附近恒星建立局部指向模型，进行白天指向偏差修正。

3.1 白天恒星监视的滤波技术

白天背景光来源于太阳，光谱峰值在 0.45～0.55 µm之间，长波段光谱的峰值迅速下降。对于恒星来说，以M、K、G三种恒星为主，其光谱分布的共同特点是峰值在0.8 µm左右，基本呈对称分布。为了实现白天恒星观测，需滤除短波天空背景光，保留长波部分。根据白天天空背景光与恒星光谱曲线对比分析结果[15]，选择波段为600～700 nm的截止滤光器进行背景光滤波，以实现恒星监视。

3.2 白天恒星监视与局部指向模型

利用上海天文台60 cm口径望远镜激光测距系统开展了白天恒星监视试验，采用了截止波长为700 nm的滤波器，即短于700 nm波长的光全部截止，以提高星光信号的信噪比。所采用的恒星监视CCD主要参数如表2所示。

表2 LucaS型EMCCD主要参数Table 2 Specifications of LucaS EMCCD

图6给出了上海天文台白天监视恒星（5.5～6.0星等）分布及所拍摄到的恒星图像，图中恒星亮度为5.7星等，观测时间为下午4:00，恒星与太阳角约50°。

图6 上海站5.5～6.0星等恒星分布及白天监测结果Fig.6 Distribution of 5.5～6.0 magnitude and the star image taken by CCD in the daytime

3.3 局部指向模型的误差修正方法

在此基础上，提出望远镜局部指向误差快速修正方法，即对目标过境天区内指向偏差修正。由于区域范围缩小，指向误差模型所需要的恒星数也相应减少，这有利于提高指向模型计算效率，实现白天目标观测指向快速修正。考虑到所选择的恒星数不必过多，过境天区内选取 6～7颗恒星（如图7所示），采用了经典的具有物理含义的七参数指向模型作为白天望远镜局部指向误差模型，如下式所示：

式中：∆A、∆E为恒星方位和高度指向偏差值；A、E为恒星方位和高度值。通过对所选择的恒星进行跟踪获取望远镜指向偏差和位置量，利用最小二乘法计算得到上述七参数指向模型系数。

通过将建立的望远镜局部指向模型应用于所跟踪区域其他恒星，评估局部指向模型的修正误差精度。图8给出了过境天区内其他恒星的方位和高度偏差情况，方位和高度偏差量方均根（RMS）分别为5.87″和8.43″。所建立的望远镜局部指向模型的指向修正误差精度在10″以内，可满足空间碎片白天激光观测中望远镜指向偏差修正要求。

图7 目标过境天区的望远镜指向误差修正Fig.7 Telescope pointing error correction based on satellite passing region

图8 过境天区望远镜局部指向误差模型修正Fig.8 Verification of the pointing error model for telescope passing region

3.4 小结

提升低亮度恒星目标的监视能力，可增加参与望远镜指向模型计算的恒星观测数，有利于提高望远镜指向修正精度。另外，通过采用实时背景噪声剔除及图像叠加方法，还可进一步提升较暗恒星目标监视能力。后续将开展实时背景噪声剔除和图像实时叠加处理方法的研究，以期在白天情况下可实现7～8星等的目标监视，将为空间碎片白天激光测距、目标精确跟踪和引导打下良好技术基础。

4 总结与展望

基于上海天文台60 cm口径空间碎片激光测距望远镜系统，瞄准国际相关技术发展，通过解决高性能激光器和激光回波探测的关键问题，实现了碎片目标测量距离500～2600 km，截面积0.3～20 m2，具备了空间碎片夜间光学常规测量能力，可应用于空间碎片高精度激光监测。

上海天文台空间碎片激光测距系统由于在激光功率、探测效率、望远镜接收口径等方面的限制，对远距离（中高轨）、小尺寸（10 cm以下）目标探测能力不足。为了满足碎片目标的精密测轨需求，需发展具备对小尺寸目标微弱信号探测能力的激光测距系统，开展激光脉冲群高功率皮秒激光模式的研究，以统筹解决激光功率、重复频率和脉冲宽度问题；发展空间碎片近红外波长激光观测技术研究，提高激光输出功率和大气传输效率；发展超导纳米线单光子探测器在空间碎片激光探测的应用研究，实现极低暗噪声、高效率激光信号探测；开展多望远镜的激光接收测量技术研究，实现大口径望远镜接收能力，并兼顾系统测量能力和效率。以此构建空间碎片全天时激光监测系统，应用于我国未来航天空间探测。

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（编辑：肖福根）

Observations of space debris by ground-based laser ranging system

ZHANG Haifeng1,2, DENG Huarong1, WU Zhibo1,2, TANG Kai1, ZHANG Zhongping1,2
(1.Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China; 2.Key Laboratory of Space Object and Debris Observation, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

The satellite laser ranging is one of the important application technologies for the ground-based optical-electronic telescope system, and the distance of the space debris is directly measured to improve the orbit accuracy.Based on the laser ranging telescope with the aperture of 60cm at the Shanghai Astronomical Observatory, the space debris laser ranging system is set up with the development of a high power laser system of hundreds hertz repetition rate and a laser signal detection system of high efficiency.The routine laser observation of space debris may be realized with the measured distance from 500 km to 2600 km, the cross section from 0.3 m2to 20 m2, the ranging precision of better than 1 m, for accurately measuring the space debris.In addition, the method of monitoring the space targets in the daytime is also studied preliminarily, and the stars brighter than six magnitude of brightness are observed to make the regional pointing error correction model.The method can be applied in the monitoring and guiding for the daylight space debris laser ranging.

space debris; laser ranging; observing system; daylight star guiding

TN216

：A

：1673-1379(2016)05-0457-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.001

张海峰（1981—），男，高级工程师，主要从事空间目标激光测距技术及应用研究；E-mail: hfzhang@shao.ac.cn。通信作者：张忠萍（1960—），男，研究员，从事空间目标激光测距技术及应用研究；E-mail: zzp@shao.ac.cn。

2016-07-29；

：2016-08-29

国家自然科学基金项目（编号：11303074, 11503068）；中国科学院国防创新基金项目（编号：CXJJ-14-S108）；中国科学院重大装备项目（编号：2920100701）；国家国防科工局空间碎片“十二五”预先研究项目（编号：K0103110）