CN106850051B - 一种基于微小卫星的空间碎片清理***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微小卫星的空间碎片清理***，其包含：地面观测与分析模块，用于确定空间碎片的轨道位置与空间碎片处理任务目的；运载模块，与地面观测与分析模块通信连接，其根据地面观测与分析模块的指示将空间捕获模块送入预订轨道；空间捕获模块，与地面观测与分析模块通信连接，其包含搭载在运载模块上的碎片接管小卫星以及附着于该碎片接管小卫星上的多个观测与操控微卫星；观测与操控微卫星用于对空间碎片进行观测以获得观测数据，碎片接管小卫星用于根据观测数据控制观测与操控微卫星对空间碎片进行处理。其优点是：可以实现对空间正在运行的故障航天器进行检测维修；可以将空间碎片进行离轨处理。

Description

一种基于微小卫星的空间碎片清理***及方法
技术领域
本发明涉及外太空空间环境探测及空间垃圾清理技术领域，具体涉及一种基于微小卫星的空间碎片清理***及方法。
背景技术
随着航天技术的发展，越来越多的航天器被发射到地球轨道上。据统计，人类活动在太空中留下了接近6000吨的各类物体，其中40%位于近地轨道上。NASA和ESA的研究均显示，目前所有的空间碎片（包括故障航天器、报废航天器、航天器撞击形成的碎片、环绕地球运行的陨石）减缓措施虽然能够减少空间碎片的产生，但是都不足以保持空间碎片环境的稳定。这些空间碎片不受控制，无法确定其运动轨迹，对航天器的运行造成很大的危害，必须采取措施给予定期清除。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微小卫星的空间碎片清理***及方法，其包含地面观测与分析***、运载***和空间捕获***三部分，可以实现空间碎片获取，自主回收，并且可重复使用的故障航天器维修处理等。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于微小卫星的空间碎片清理***，其特征是，包含：
地面观测与分析模块，用于确定空间碎片的轨道位置与空间碎片处理任务的目的；
运载模块，与地面观测与分析模块通信连接，其根据地面观测与分析模块的指示将空间捕获模块送入预订轨道；
空间捕获模块，与地面观测与分析模块通信连接，其包含搭载在运载模块上的碎片接管小卫星以及附着于该碎片接管小卫星上的多个观测与操控微卫星；观测与操控微卫星用于对空间碎片进行观测以获得观测数据，碎片接管小卫星用于根据观测数据控制观测与操控微卫星对空间碎片进行处理。
上述的基于微小卫星的空间碎片清理***，其中：
所述观测与操控微卫星选用主动附着的方式完成对空间碎片的连接后对空间碎片进行处理。
上述的基于微小卫星的空间碎片清理***，其中：
所述的碎片接管小卫星根据观测数据得到空间碎片的运动位置与姿态信息。
上述的基于微小卫星的空间碎片清理***，其中：所述的地面观测与分析模块包含：
大型光子望远镜、地面雷达***、轨道信息库、任务分析平台；大型光子望远镜和地面雷达***观测得到空间碎片在可观测时间段内的轨道位置，通过轨道信息库提供的轨道信息得到空间碎片的完整轨道信息，任务分析平台根据空间碎片完整的轨道信息分析计算空间捕获模块的发射时间、发射位置、入轨时间及入轨位置。
上述的基于微小卫星的空间碎片清理***，其中：
所述空间捕获模块中，观测与操控微卫星上附着有4个碎片接管小卫星。
一种空间碎片清理方法，其特征是，采用上述的基于微小卫星的空间碎片清理***来完成，该方法包含以下步骤：
S1、地面观测与分析模块确定空间碎片的轨道位置与空间碎片处理任务的目的；
S2、运载模块搭载空间捕获模块，将空间捕获模块送入预订轨道；
S3、碎片接管小卫星接近空间碎片后，多个观测与操控微卫星从不同角度对空间碎片进行观测获得观测数据；
S4、碎片接管小卫星分析观测数据，根据分析结果控制观测与操控微卫星对空间碎片进行处理。
一种基于微小卫星的空间碎片清理方法，其特征是，所述的步骤S4具体包含：
S41、碎片接管小卫星分析观测数据得到空间碎片的运动位置与姿态信息；
S42、碎片接管小卫星根据分析结果向距离空间碎片附着点最近的观测与操控微卫星发出指令；
S43、被选定的观测与操控微卫星向空间碎片附着，附着后对空间碎片进行消旋，其余观测与操控微卫星重新回归碎片接管小卫星原位置。
上述的空间碎片清理方法，其中，所述步骤S43中：
所述被选定的观测与操控微卫星选用主动附着的方式完成对空间碎片的连接。
本发明与现有技术相比具有以下优点：可以实现对空间正在运行的故障卫星进行检测维修；可以将目标航天器进行离轨处理。
附图说明
图1为本发明的***框图；
图2为本发明的地面观测与分析模块的内部结构关系框图；
图3为本发明的空间捕获模块的内部结构关系框图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1、2所示，本发明公开了一种基于微小卫星的空间碎片清理***，其包含：地面观测与分析模块、运载模块以及空间捕获模块。地面观测与分析模块用于确定空间碎片的轨道位置与空间碎片处理的任务目的（任务目的包括对空间碎片进行故障维修、变轨或者离轨处理），地面观测与分析模块通常通过光学和雷达对空间碎片进行观测，并根据任务发起单位提出的要求确定空间碎片处理任务的目的，并确定运载模块（搭载空间捕获模块）的发射时间、发射地点、入轨时间、入轨位置；运载模块与地面观测与分析模块通信连接，用于根据地面观测与分析模块的指示将空间捕获模块送入预订轨道，运载模块可以是具有运载功能的设备例如运载火箭5；空间捕获模块与地面观测与分析模块通信连接，其包含搭载在运载模块上的碎片接管小卫星以及附着于该碎片接管小卫星7上的多个观测与操控微卫星6；观测与操控微卫星6用于对空间碎片进行观测以获得观测数据，碎片接管小卫星7用于根据观测数据控制观测与操控微卫星6对空间碎片进行处理，具体的，碎片接管小卫星7可以根据观测数据进行分析后获得空间碎片的运动位置与姿态信息并根据该信息来操控观测与操控微卫星6进行不同操作，观测数据包含空间碎片的运动特性（包括轨道和姿态运动信息）、质量特性（包括空间碎片的质量、惯量和质心位置）、结构特性（包括挠性振动情况、附着点情况）观测信息。
所述观测与操控微卫星6选用主动附着的方式完成对空间碎片的连接后对空间碎片进行处理，此处的附着可以是由基于范德华力的附着装置实现，使得观测与操控微卫星6与空间碎片形成稳定连接。
所述的地面观测与分析模块包含：大型光子望远镜1、地面雷达***2、轨道信息库3、任务分析平台4。大型光子望远镜1和地面雷达***2观测得到空间碎片在可观测时间段内的轨道位置，通过轨道信息库3提供的轨道信息得到空间碎片的完整轨道信息，任务分析平台4根据空间碎片完整的轨道信息分析计算空间捕获模块的发射时间、发射位置、入轨时间及入轨位置。
本实施例中，所述空间捕获模块中，观测与操控微卫星6上附着有4个碎片接管小卫星7。
本发明还公开了一种空间碎片清理方法，其上述的基于微小卫星的空间碎片清理***来完成，该方法包含以下步骤：
S1、地面观测与分析模块确定空间碎片的轨道位置与空间碎片处理任务目的；具体的，综合利用空间目标轨道、RCS特性、光度特性、自适应光学成像和雷达成像手段对任务目标进行综合分析，通过地面观测与分析***确定空间碎片的轨道位置与任务目的；
S2、运载模块搭载空间捕获模块，将空间捕获模块送入预订轨道；
S3、碎片接管小卫星7接近空间碎片后，多个观测与操控微卫星6从不同角度对空间碎片进行观测获得观测数据；
S4、碎片接管小卫星7分析观测数据，得到空间碎片运动特性（包括轨道和姿态运动信息）、质量特性（包括空间碎片的质量、惯量和质心位置）、结构特性（包括挠性振动情况、附着点情况等），根据空间碎片特性控制距离空间碎片附着点最近、运动姿态与空间碎片相近的观测与操控微卫星6对空间碎片进行处理。
所述的步骤S4具体包含：
S41、碎片接管小卫星7分析观测数据得到空间碎片的运动位置与姿态信息；
S42、碎片接管小卫星7根据分析结果向某一观测与操控微卫星6发出指令；
S43、被选定的观测与操控微卫星6向空间碎片附着，观测与操控微卫星6具有观测标志点与合作的交会对接接口，通过观测与操控微卫星6对空间碎片的附着，使非合作的空间碎片变为合作目标，可由碎片接管小卫星7对目标进行合作目标的交会对接，为目标的维修与离轨提供条件，附着后对空间碎片进行消旋，其余观测与操控微卫星6重新回归碎片接管小卫星7原位置。
所述步骤S43中：所述被选定的观测与操控微卫星6选用主动附着的方式完成对空间碎片的连接。
在一个具体的实施例中，一个碎片接管小卫星7上附着4个观测与操控微卫星6，当碎片接管小卫星7与目标碎片接近之后，释放出4个观测与操控微卫星6，4个观测与操控微卫星6上面的观测***分别从不同的角度对空间碎片进行观测，将观测信息传递给碎片接管小卫星7，碎片接管小卫星7分析得到空间碎片的运动位置与姿态信息。之后，碎片接管小卫星7向某一个观测与操控微卫星6发出指令，之后该观测与操控微卫星6向空间碎片附着，附着之后对目标进行消旋，其他三个观测与操控微卫星6重新回归到碎片接管小卫星7原位置。与空间碎片附着的观测与操控微卫星6通过两者之间的连接接口对故障航天器进行检测，并将信息传递给碎片接管小卫星7，碎片接管小卫星7对信息进行分析，实施与合作目标的对接，对接之后利用搭载的机械臂***对目标进行维修，维修进行完毕之后，空间捕获模块与目标脱离，目标继续完成自己的任务。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种基于微小卫星的空间碎片清理***，其特征在于，包含：
地面观测与分析模块，用于确定空间碎片的轨道位置与空间碎片处理任务的目的；
运载模块，与地面观测与分析模块通信连接，其根据地面观测与分析模块的指示将空间捕获模块送入预订轨道；
空间捕获模块，与地面观测与分析模块通信连接，其包含搭载在运载模块上的碎片接管小卫星(7)以及附着于该碎片接管小卫星(7)上的多个观测与操控微卫星(6)；观测与操控微卫星(6)用于对空间碎片进行观测以获得观测数据，碎片接管小卫星(7)用于根据观测数据控制观测与操控微卫星(6)对空间碎片进行处理。
2.如权利要求1所述的基于微小卫星的空间碎片清理***，其特征在于：
所述观测与操控微卫星(6)选用主动附着的方式完成对空间碎片的连接后对空间碎片进行处理。
3.如权利要求1所述的基于微小卫星的空间碎片清理***，其特征在于：
所述的碎片接管小卫星(7)根据观测数据得到空间碎片的运动位置与姿态信息。
4.如权利要求1所述的基于微小卫星的空间碎片清理***，其特征在于，所述的地面观测与分析模块包含：
大型光子望远镜(1)、地面雷达***(2)、轨道信息库(3)、任务分析平台(4)；大型光子望远镜(1)和地面雷达***(2)观测得到空间碎片在可观测时间段内的轨道位置，通过轨道信息库(3)提供的轨道信息得到空间碎片的完整轨道信息，任务分析平台(4)根据空间碎片完整的轨道信息分析计算空间捕获模块的发射时间、发射位置、入轨时间及入轨位置。
5.如权利要求1所述的基于微小卫星的空间碎片清理***，其特征在于：
所述空间捕获模块中，碎片接管小卫星(7)上附着有4个观测与操控微卫星(6)。
6.一种空间碎片清理方法，其特征在于，采用如权利要求1～5中任意一项所述的基于微小卫星的空间碎片清理***来完成，该方法包含以下步骤：
S1、地面观测与分析模块确定空间碎片的轨道位置与空间碎片处理任务的目的；
S2、运载模块搭载空间捕获模块，将空间捕获模块送入预订轨道；
S3、碎片接管小卫星(7)接近空间碎片后，多个观测与操控微卫星(6)从不同角度对空间碎片进行观测获得观测数据；
S4、碎片接管小卫星(7)分析观测数据，根据分析结果控制观测与操控微卫星(6)对空间碎片进行处理。
7.如权利要求6所述的空间碎片清理方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包含：
S41、碎片接管小卫星(7)分析观测数据得到空间碎片的运动位置与姿态信息；
S42、碎片接管小卫星(7)根据分析结果向距离空间碎片附着点最近的观测与操控微卫星(6)发出指令；
S43、被选定的观测与操控微卫星(6)向空间碎片附着，附着后对空间碎片进行消旋，其余观测与操控微卫星(6)重新回归碎片接管小卫星原位置。
8.如权利要求7所述的空间碎片清理方法，其特征在于，所述步骤S43中：
所述被选定的观测与操控微卫星(6)选用主动附着的方式完成对空间碎片的连接。
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