CN115230992A - 空间碎片观测*** - Google Patents

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郑珍珍
张科科
杜伟
董磊
王志亮
万雨君
马晨
张祥
李东南
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Abstract

本发明提供了一种空间碎片观测***，包括：低轨观测卫星，被配置为在近地轨道对0度纬度的地球同步带进行观测，以协同配合对第一经度范围的地球同步带进行观测；倾斜地球同步轨道观测卫星，被配置为在倾斜地球同步轨道上对0度纬度第二经度范围的地球同步带进行观测；其中，第一经度范围的中心点与逆光盲区相背，第二经度范围包括逆光盲区。

Description

空间碎片观测***
技术领域
本发明涉及航天技术领域，特别涉及一种空间碎片观测***。
背景技术
地球同步轨道带自身动力学特性赋予了其相对地表良好的覆盖稳定性，即轨道带上的飞行器具有和地球旋转角速度相同或相近的特征，从地面上看该轨道带上的飞行器相对地面静止，使该轨道带布置的航天器可以24小时不间断长期凝视地面固定区域，因此，地球同步轨道带成为现代导航通信、数据中继、气象观测等领域高价值太空资产的聚集地。但是，该轨道空间和频谱资源有限，随着越来越多的新型航天器进入GEO轨道，导致有限的GEO轨道资源越来越紧缺。
与此同时，该轨道带内的空间碎片也随之增多，GEO轨道内的失效航天器、卫星散落组件、火箭残骸等空间碎片严重影响其他卫星的运行安全，一旦发生碰撞，造成的新碎片数量将成指数级上涨，加剧了地球同步轨道带的环境恶化。因此，需对地球同步轨道带的碎片进行观测，以确保其他卫星的运行安全。
另外在科研、军事等许多领域，都需要对空间碎片进行监视，给出空间碎片的每一个瞬间在天空中的位置及其变化，确定空间碎片的运行轨道，从而获取空间碎片精确的信息。
现有的空间目标观测***在观测过程中存在逆光问题，因此观测能力受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间碎片观测***，以解决现有的空间目标观测***存在逆光的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种空间碎片观测***，包括：
低轨观测卫星，被配置为在近地轨道对0度纬度的地球同步带进行观测，以协同配合对第一经度范围的地球同步带进行观测；
倾斜地球同步轨道观测卫星，被配置为在倾斜地球同步轨道上对0度纬度第二经度范围的地球同步带进行观测；
其中，第一经度范围的中心点与逆光盲区相背，第二经度范围包括逆光盲区。
可选的，在所述的空间碎片观测***中，
低轨观测卫星通过姿态机动，使得低轨广域观测相机按照步进巡天观测模式，对0度纬度地球同步带观测，一轨观测300°经度带，一颗低轨观测卫星协同配合实现一轨对300°经度带观测能力。
可选的，在所述的空间碎片观测***中，倾斜地球同步轨道观测卫星通过姿态机动，按照巡天模式进行观测，对包含低轨观测卫星60度逆光盲区观测，最终双星***实现对同步带碎片快速遍历观测。
在本发明提供的空间碎片观测***中，通过低轨观测卫星在近地轨道对0度纬度的地球同步带进行观测，以协同配合对与逆光盲区相背的第一经度范围的地球同步带进行观测，倾斜地球同步轨道观测卫星在倾斜地球同步轨道上对0度纬度、包括逆光盲区的第二经度范围的地球同步带进行观测，解决了观测过程中的逆光问题。
附图说明
图1是本发明一实施例中的空间碎片观测***示意图；
图2是本发明一实施例中的空间碎片观测***进行步进巡天观测示意图；
图3是本发明一实施例中的单颗IGSO+单颗LEO初轨位置误差示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的空间碎片观测***作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
目前，通过地基地球同步轨道带碎片观测***对空间碎片进行观测，该地基地球同步轨道带碎片观测***的观测距离较远，至少需35785km，且其易受气象环境、站址覆盖、光照干扰等因素影响，使得其覆盖范围、观测时效、编目数量、探测尺寸等能力受限，不能达到观测要求。低地球轨道上的观测平台对地球同步轨道带碎片的观测***同样难以克服距离远、观测能力受限等问题。
尤其是目前的空间目标观测***，因为逆光和探测灵敏度等问题，均无法实现对高轨空间碎片快速的遍历观测。具体而言，现有天基光学观测技术存在如下问题：无法解决观测过程中的逆光问题；高轨碎片的观测时效性无法达到快速；大视场广域观测探测能力不足。
本发明的目的在于提供一种空间碎片观测***，以解决现有的空间目标观测***无法实现对高轨空间碎片快速的遍历观测。
为实现上述目的，本发明提供了一种空间碎片观测***，包括：低轨观测卫星，被配置为在近地轨道对0度纬度的地球同步带进行观测，以协同配合对第一经度范围的地球同步带进行观测；倾斜地球同步轨道观测卫星，被配置为在倾斜地球同步轨道上对0度纬度第二经度范围的地球同步带进行观测；其中，第一经度范围的中心点与逆光盲区相背，第二经度范围包括逆光盲区。
本发明的实施例提供一种空间碎片观测***，如图1所示，包括：低轨观测卫星，被配置为在近地轨道对0度纬度的地球同步带进行观测，以协同配合对第一经度范围的地球同步带进行观测(低轨广域普查)；倾斜地球同步轨道观测卫星，被配置为在倾斜地球同步轨道上对0度纬度第二经度范围的地球同步带进行观测(高轨广域补盲)；其中，第一经度范围的中心点与逆光盲区相背，第二经度范围包括逆光盲区。
在本发明的一个实施例中，在所述的空间碎片观测***中，所述低轨观测卫星的轨道为零倾角轨道、姿态机动为[-150°，150°]，以实现通过协同配合对第一经度范围的地球同步带进行观测，能够实现一轨对300°经度的地球同步带进行观测。
在本发明的一个实施例中，在所述的空间碎片观测***中，所述低轨观测卫星包括低轨广域观测相机，低轨广域观测相机的相机视场不小于20°×40°，探测能力为300ms内13Mv；其中低轨广域观测相机基于低轨视场拼接方法形成，该低轨视场拼接方法包括：根据高轨碎片分布，设置相机纬度向视场为40°，保障对最大纬度带覆盖；设置经度向视场为20°，这样利用低轨和高轨轨道运动差，形成大范围扫描带，最终达到对经度带的大范围覆盖。
在本发明的一个实施例中，在所述的空间碎片观测***中，所述倾斜地球同步轨道观测卫星包括高轨广域观测相机，高轨广域观测相机的相机视场不小于10°×10°，探测能力为300ms内15Mv；其中高轨广域观测相机基于高轨视场拼接方法形成，该高轨视场拼接方法包括：IGSO卫星可以采用10°×10°的相机，对准低轨星看不到的区域纬度中心在东西向来回拼接观测。
在本发明的一个实施例中，在所述的空间碎片观测***中，如图2所示，低轨观测卫星通过姿态机动，使得低轨广域观测相机按照步进巡天观测模式，对0度纬度地球同步带观测，一轨观测300°经度带。
在本发明的一个实施例中，在所述的空间碎片观测***中，如图2所示，低轨观测卫星观测过程中卫星姿态机动在保障视轴始终凝视0°纬度同步带的同时，通过经度向机动弥补碎片的相对运动速度，使得低轨广域观测相机采用长曝光方法，提高探测能力，曝光时间为5s～7s。
在本发明的一个实施例中，在所述的空间碎片观测***中，倾斜地球同步轨道观测卫星通过姿态机动，按照巡天模式进行观测，在观测过程中，通过经度向机动弥补碎片的相对运动速度，高轨广域观测相机采用长曝光方法，提高观测能力；倾斜地球同步轨道观测卫星对包含60度逆光盲区的第二经度范围进行观测；第二经度范围包括定位点±90°区域，最终三星***实现对同步带碎片快速遍历观测。
在本发明的一个实施例中，在所述的空间碎片观测***中，通过经度向机动弥补碎片的相对运动速度，使得低轨广域观测相机采用长曝光方法。
本发明还提供一种高轨空间碎片快速遍历天基光学观测方法，包括：第一步，基于视场拼接方法，研制广域观测相机；第二步，在近地轨道部署一颗低轨观测卫星，在倾斜地球同步轨道部署一颗倾斜地球同步轨道观测卫星，每颗观测卫星均搭载一台广域观测相机；第三步，低轨观测卫星通过姿态机动，使得低轨广域观测相机按照步进巡天观测模式，对0度纬度地球同步带观测，一轨观测300°经度带，一颗低轨观测卫星协同配合实现一小时对300°经度带观测能力；第四步，倾斜地球同步轨道观测卫星通过姿态机动，按照巡天模式进行观测，对包含低轨观测卫星60度逆光盲区在内的定位点±90°区域观测，最终三星***实现对同步带碎片快速遍历观测；第五步，地面对低轨观测卫星和倾斜地球同步轨道观测卫星获取的碎片观测数据进行多平台高精度定初轨和轨道改进。
在本发明的一个实施例中，在所述的高轨空间碎片快速遍历天基光学观测方法中，还包括：低轨观测卫星在观测过程中的卫星姿态机动一方面保障视轴始终凝视0°纬度同步带，另一方面通过经度向机动弥补碎片的相对运动速度，使得低轨广域观测相机能够采用长曝光方法，提高探测能力；倾斜地球同步轨道观测卫星在观测过程中弥补碎片的相对运动速度，使得高轨广域观测相机采用长曝光方法，提高观测能力。
在本发明提供的空间碎片观测***中，如图3所示，单颗IGSO+单颗LEO初轨位置误差可见，通过低轨观测卫星在近地轨道对0度纬度的地球同步带进行观测，以协同配合对与逆光盲区相背的第一经度范围的地球同步带进行观测，解决了高轨碎片的观测时效性无法达到快速的问题；倾斜地球同步轨道观测卫星在倾斜地球同步轨道上对0度纬度、包括逆光盲区的第二经度范围的地球同步带进行观测，解决了观测过程中的逆光问题。
本发明实现了基于现有天基光学传感器的探测能力、探测视场和太阳光抑制能力，通过不同轨道多星协同观测，解决了现有技术存在的因为逆光和探测灵敏度，无法实现对高轨空间碎片快速的遍历观测的问题。
本发明通过三星***实现对同步带碎片快速遍历观测，以及经度向机动弥补碎片的相对运动速度，使得低轨广域观测相机采用长曝光方法，提高探测能力，解决了大视场广域观测探测能力不足的问题。
本发明通过高低轨卫星分区观测，实现对GEO带目标全天时观测，克服传统逆光盲区观测难题；通过高低轨组网，配合快速遍历观测模式，实现对高轨碎片快速遍历；通过创新性的工作模式设计(基于卫星姿态机动进行相机像移补偿和观测区域拼接，克服探测能力和大范围观测的矛盾)，实现大视场高探测能力；通过高低轨长基线定轨，实现公里级定初轨和百米级编目定轨。
本发明的优点有：探测视场大、探测能力高，能够实现对碎片高覆盖率；扫描速度快，多星协同弥补逆光盲区，能够实现对碎片快速遍历；本发明可应用于太阳同步轨道、零倾角、小倾角等多种轨道，部署灵活；本发明采用多平台联合定轨方式，实现高精度快速定轨。
可选的，在所述的空间碎片观测***中，所述低轨观测卫星对第一经度范围的地球同步带进行观测，能够实现一轨对300°经度的地球同步带进行观测。
可选的，在所述的空间碎片观测***中，所述低轨观测卫星包括低轨广域观测相机，低轨广域观测相机的相机视场不小于20°×40°，探测能力为300ms内13Mv；
其中低轨广域观测相机基于低轨视场拼接方法形成，该低轨视场拼接方法包括：根据高轨碎片分布，设置相机纬度向视场为40°，保障对最大纬度带覆盖；设置经度向视场为20°，这样利用低轨和高轨轨道运动差，形成大范围扫描带，最终达到对经度带的大范围覆盖。
根据以上低轨视场拼接方法的具体内容，和低轨观测与IGSO卫星上的相机具有不同的特点，可以实现成本低、观测精度高的技术效果。
可选的，在所述的空间碎片观测***中，所述倾斜地球同步轨道观测卫星包括高轨广域观测相机，高轨广域观测相机的相机视场不小于10°×10°，探测能力为300ms内15Mv；
其中高轨广域观测相机基于高轨视场拼接方法形成，该高轨视场拼接方法包括：IGSO卫星可以采用10°×10°的相机，对准低轨星看不到的区域纬度中心在东西向来回拼接观测。
根据高轨视场拼接方法的具体内容、倾斜地球同步轨道观测和低轨卫星上的相机具有不同的特点，可以实现成本低、观测精度高的技术效果。
在所述的空间碎片观测***中，倾斜地球同步轨道观测卫星通过姿态机动，按照巡天模式进行观测，在观测过程中，通过经度向机动弥补碎片的相对运动速度，高轨广域观测相机采用长曝光方法，提高观测能力；倾斜地球同步轨道观测卫星对包含60度逆光盲区的第二经度范围进行观测；最终双星***实现对同步带碎片快速遍历观测。
在本发明提供的空间碎片观测***中，通过低轨观测卫星在近地轨道对0度纬度的地球同步带进行观测，以协同配合对与逆光盲区相背的第一经度范围的地球同步带进行观测，解决了高轨碎片的观测时效性性的问题；倾斜地球同步轨道观测卫星在倾斜地球同步轨道上对0度纬度、包括逆光盲区的第二经度范围的地球同步带进行观测，解决了观测过程中的逆光问题。
综上，上述实施例对空间碎片观测***的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (3)

1.一种空间碎片观测***，其特征在于，包括：
低轨观测卫星，被配置为在近地轨道对0度纬度的地球同步带进行观测，以协同配合对第一经度范围的地球同步带进行观测；
倾斜地球同步轨道观测卫星，被配置为在倾斜地球同步轨道上对0度纬度第二经度范围的地球同步带进行观测；
其中，第一经度范围的中心点与逆光盲区相背，第二经度范围包括逆光盲区。
2.如权利要求1所述的空间碎片观测***，其特征在于，
低轨观测卫星通过姿态机动，使得低轨广域观测相机按照步进巡天观测模式，对0度纬度地球同步带观测，一轨观测300°经度带，一颗低轨观测卫星协同配合实现一轨对300°经度带观测能力。
3.如权利要求1所述的空间碎片观测***，其特征在于，倾斜地球同步轨道观测卫星通过姿态机动，按照巡天模式进行观测，对包含低轨观测卫星60度逆光盲区观测，最终双星***实现对同步带碎片快速遍历观测。
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