CN111366986B

CN111366986B - 一种空间碎片观测系统及方法

Info

Publication number: CN111366986B
Application number: CN202010212743.0A
Authority: CN
Inventors: 郑珍珍; 朱永生; 胡海鹰; 董磊; 陈起行
Original assignee: Shanghai Engineering Center for Microsatellites; Innovation Academy for Microsatellites of CAS
Current assignee: Shanghai Engineering Center for Microsatellites; Innovation Academy for Microsatellites of CAS
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: CN111366986A

Abstract

本发明公开一种空间碎片观察系统及方法，在卫星上安装广域观测相机，并将卫星布置于太阳同步或小倾角轨道上。该系统及方法通过机动调整卫星姿态，实现观测相机的视场的周期性调整，实现了对地球同步带目标的观测。

Description

一种空间碎片观测系统及方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种空间碎片观测系统及方法。

背景技术

随着空间技术快速发展，空间日益成为国际战略竞争新的制高点。世界主要国家纷纷加快空间装备技术发展步伐，不断加大航天力量建设力度。当前各类空间飞行器及及碎片数量大量增加，空间活动日益频繁，对卫星安全构成严峻威胁。尤其地球同步带是很多通信、广播、气象、预警和军事侦察卫星的集结地,因此，同步带空间碎片观测日趋重要。

空间碎片观测可采用地基和天基两种方式，其中，天基观测不受地球大气和固定布站的限制，相较于地基观测而言具有更高额度空余覆盖性及观测时效性，因此逐渐成为主流的空间观测方法。天基光学同步带碎片编目观测需满足“三高一低”要求：高覆盖、高时效、高重访、低亮度，这就使得天基观测平台需要符合视场大、探测能力高以及扫描速率快的条件。

然而，传统光学传感器的视场及扫描速率与其探测能力互为矛盾。目前国内外在轨型号以及学者提出的传统光学观测方法均无法解决上述矛盾：

美国空间目标观测卫星MSX-SBV可对17.8％的目标观测，不满足上述任一要求；

美国的SBSS系统编目更新周期1天，难以达到高时效要求；以及

美国的ORS-5系统采用TDI推扫模式，每100分钟可对整个GEO带完成一次扫描，基本上满足上述“三高一低”的目标，但该系统要求运行在零倾角轨道，发射难度大，并且由于TDI推扫模式对目标运动特性匹配要求也极高。

发明内容

针对传统方法无法兼顾传感器视场、扫描速率与探测能力的问题，本发明一方面提供一种空间碎片观测方法，其采用“盖章”模式进行目标观测，包括：

控制卫星绕卫星本体X轴转动，使得观测相机的视轴垂直于纬度为零的地球同步带；

控制卫星绕卫星本体Z轴转动，使得观测相机的凝视点的赤经等于卫星当前轨升交点赤经；

打开观测相机，进行目标探测，并持续时间Δs；

控制卫星绕卫星本体Z轴转动，使得观测相机的视轴在赤经方向移动指定角度；

打开观测相机，进行目标探测，并持续时间Δs；以及

重复上述步骤，直至完全扫描180°所述地球同步带的经度覆盖范围。

进一步地，所述观测相机进行目标探测时，采用5s长曝光模式。

进一步地，所述观测相机进行目标探测时，所述观测系统在经度方向移动。

进一步地，所述观测相机进行目标探测时，所述观测系统在经度方向的移动角速度等于所述地球同步带的运动角速度。

进一步地，卫星绕X轴及Z轴转动的角度根据所述观测相机到凝视点的单位向量的坐标计算得到。

本发明另一方面提供一种空间碎片观测系统，包括观测相机及控制器，其中，所述观测相机沿卫星Y轴方向安装于卫星上，所述控制器用于执行上述观测方法。

进一步地，所述卫星布置于晨昏太阳同步或小倾角轨道上。

进一步地，所述观测相机为广域观测相机，所述广域观测相机的视场不小于20°×20°，探测能力12Mv(300ms)。

本发明提供的一种空间碎片的观测系统及方法，针对空间碎片及暗弱小目标，通过优化卫星姿态指向模式，配合传感器视场设计，实现了天基对空间碎片及目标的高效观测，其视场大、扫描速度快、探测能力高，在保障获取暗弱小目标的信息之外，还能兼顾覆盖效率。该系统及方法可以应用于太阳同步轨道、零倾角、小倾角等多种轨道。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种空间碎片的观测方法的流程示意图；以及

图2示出本发明一个实施例的一种空间碎片的观测方法的示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

针对传统方法无法兼顾传感器视场、扫描速率与探测能力的问题，本发明提供一种空间碎片观测系统及方法，下面结合实施例附图进一步描述该系统及方法。

图1示出本发明一个实施例的一种空间碎片的观测方法的流程示意图。如图1所示，一种空间碎片观测方法，采用“盖章”模式进行地球同步带的目标观测，包括：

步骤101，调整卫星初始姿态，包括：

控制卫星绕卫星本体X轴转动，使得观测相机的视轴垂直于纬度

为零的地球同步带；以及

控制卫星绕卫星本体Z轴转动，使得观测相机的凝视点的赤经α₀等于卫星当前轨升交点赤经R_aan；

步骤102，目标观测。打开观测相机，进行目标探测，并持续时间Δs；在本发明的一个实施例中，所述观测相机采用5s长曝光模式进行目标探测，可实现16Mv暗弱目标的探测。在本发明的又一个实施例中，目标探测时，控制卫星姿态机动，使得所述探测相机的视场在经度方向的运动速度等于所述地球同步带的运动角速度ω_geo＝0.0042°/s，以补偿观测目标经度向运动速率；在本发明的再一个实施例中，所述持续时间Δs为2分钟；

步骤103，调整观测角度。观测相机工作Δs时间后，控制卫星绕卫星本体Z轴转动，使得观测相机的视轴在赤经方向移动指定角度Δα，此过程的耗时记为Δt，此时，所述观测相机的凝视点赤经α_n＝α_n-1+Δα，若目标观测时卫星按照ω_geo移动，则此时所述观测相机的凝视点赤经α_n＝α_n-1+Δα+ω_geo×Δs；在本发明的一个实施例中，所述指定角度Δα为18°，所述耗时Δt为2.5分钟；以及

步骤104，判断是否扫描完成。重复步骤102及步骤103，直至完全扫描180°所述地球同步带的经度覆盖范围，即n×Δα＝180°，其中n为观测角度调整次数。

对起始时间为t₀的目标观测过程，其任意时间t时的凝视点赤经计算如下：

α_t＝α_n+ω_geo×(t-t₀)，

则可根据所述凝视点的赤经进一步计算得到卫星绕X轴转动的角度θ及Z轴转动的角度γ。

在本发明的一个实施例中，卫星绕X轴转动的角度θ及Z轴转动的角度γ根据所述观测相机到凝视点的单位向量在卫星惯性坐标系下的坐标[x_I；y_I；z_I]计算得到：

θ＝arctan(z_I/sqrt(x_I ²+y_I ²)),

γ＝arctan(y_I/x_I),

而所述单位向量在卫星惯性坐标系下的坐标根据J2000坐标系下的坐标SP＝[(x_p-x_s)；(y_p-y_s)；(z_p-z_s)]进行坐标变换得到：

[x_I；y_I；z_I]＝M×SP＝M×[(x_p-x_s)；(y_p-y_s)；(z_p-z_s)]，

其中：

M是J2000坐标系到卫星惯性坐标系的转换矩阵，根据卫星轨道信息可以实时确定；

[x_p；y_p；z_p]为凝视点在J2000坐标系下的坐标：

以及

以及

[x_s；y_s；z_s]为观测相机在J2000坐标系下的坐标。

在本发明的一个实施例中，观测弧段选为过北极点前后22.5分钟，每轨观测时间为45分钟，其中，每次目标观测时间Δs为2分钟，其目标观测期间，卫星姿态机动使得视场在经度向按照同步带运动角速度ω_geo＝0.0042°/s移动，每次观测角度的调整耗时Δt为2.5分钟，每次观测角度的调整移动18°，则所述卫星每轨通过10次调整就可完成180°所述地球同步带的经度覆盖范围扫描。

为实现上述实施例中的观测方法，本发明提供一种空间碎片观测系统，包括观测相机及控制器，所述观测相机沿卫星Y轴方向安装于卫星上，所述控制器控制所述系统执行本发明实施例中的观测方法。所述卫星布置于晨昏太阳同步或小倾角轨道上。在本发明的一个实施例中，所述观测相机为广域观测相机，基于视场拼接方法研制而成，所述广域观测相机的视场不小于20°×20°，探测能力12Mv(300ms)。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims

1.一种空间碎片观测方法，其特征在于，包括：

控制卫星绕卫星本体X轴转动θ角度，使得观测相机的视轴垂直于纬度

为零的地球同步带；

控制卫星绕卫星本体Z轴转动γ角度，使得观测相机的凝视点的赤经等于卫星当前轨升交点赤经；以及

重复下述步骤n次：

打开观测相机，进行目标探测；以及

相机工作△s时间后，控制卫星绕卫星本体Z轴转动γ角度，使得观测相机的视轴在赤经方向移动指定角度Δα，其中n×Δα＝180°。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述观测相机进行目标探测时，采用5s长曝光模式。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述观测相机进行目标探测时，控制卫星姿态机动，使得所述探测相机的视场在经度方向移动。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述观测相机进行目标探测时，所述探测相机的视场在经度方向的移动角速度等于所述地球同步带的运动角速度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，卫星绕X轴转动的角度θ及Z轴转动的角度γ计算如下：

θ＝arctan(z_I/sqrt(x_I ²+y_I ²)),

γ＝arctan(y_I/x_I),

其中，[x_I；y_I；z_I]为所述观测相机到凝视点的单位向量在卫星惯性坐标系下的坐标：

[x_I；y_I；z_I]＝M×SP＝M×[(x_p-x_s)；(y_p-y_s)；(z_p-z_s)]，

其中：

M为J2000坐标系到卫星惯性坐标系的转换矩阵，根据卫星轨道信息实时确定；

SP＝[(x_p-x_s)；(y_p-y_s)；(z_p-z_s)]为所述观测相机到凝视点的单位向量在J2000坐标系下的坐标，其中：

[x_s；y_s；z_s]为观测相机在J2000坐标系下的坐标；以及

[x_p；y_p；z_p]为凝视点在J2000坐标系下的坐标：

以及

其中，α_t为凝视点赤经。

6.一种空间碎片观测系统，其特征在于，包括：

观测相机，所述观测相机沿卫星Y轴方向安装于卫星上；以及

控制器，其被配置为执行根据权利要求1至5之一所述的方法。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述卫星布置于晨昏太阳同步或小倾角轨道上。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述观测相机为广域观测相机，所述广域观测相机根据视场拼接方法制作，其视场不小于20°×20°，探测能力12Mv。