近地目标探测的天基篱笆

第1章引言 1.1在轨空间目标的现状 60多年来，世界各国进行的空间发射已经超过5000次，空间目标的数量超过47000个，美国CelesTmk网站给出了目标增长情况（图1.1)，其中，接近一半的目标已经陨落。美国国家航空航天局（NASA)给出了截至2021年1月5日的空间目标数量:在轨的空间目标有22036个，其中，近地空间目标有15724个，只有6539个是工作航天器，其余15497个均为空间碎片，现在能跟踪的碎片大小可达5cm，但是，在编目库中的碎片，仍然是近地空间碎片大小为10cm，同步碎片大小为1m。尺度小的空间碎片数量则要多得多，直径大于1cm的空间碎片数量超过了11万个，有人甚至说有40万个。 图1.1空间目标年增长情况 近年来，各国为了建设天基互联网通信系统，又发射了许多大型卫星星座，平均每个星座有几百个卫星，这也大大增加了在轨空间目标的数量，表1.1给出了这类空间目标的情况。需要特别说明的是，这些卫星星座大多选择了太阳同步轨道，这又增加了空间目标轨道关联的难度。如图1.2所示，轨道倾角在90°～100°的范围内，就集中了45%的近地空间目标。 表1.1国外大型空间目标星座简况 图1.3给出了近地空间目标的咼度分布。由图1.3可见，在800km和1400km附近有两个高峰，空间目标数量比较多。 图1.3近地空间目标的高度分布 1.2空间目标观测的需求 为了空间安全和航天器的安全，世界上主要的空间大国都建设了空间目标监视系统，进行空间目标编目。现在空间目标观测的要求大致如下。 1.2.1空间目标探测全覆盖 这里的“全覆盖”有两层含义：**是对空间目标的覆盖率，*好做到所有目标都能被望远镜视场覆盖到，只要望远镜探测能力足够强大，目标就能被观测到；第二是对空间目标运行每一圈的覆盖率，这样观测数据就比较均匀，有利于提高轨道计算的精度。 1.2.2新目标的及时发现 这里的“新目标”指的是新发射的目标和碰撞解体的目标，也包括目标变轨后，需要及时发现并重新测定轨道的目标。*好1～2h就能发现，并测定其轨道。 1.2.3小目标的探测 考虑到航天器的安全，我们希望监测到尽量小的空间碎片，当然越小越好，*好能观测到直径1～2cm的空间碎片。 1.3空间目标天基探测的现状 地面观测系统当然不能满足1.2节所提及的观测要求，因此，现在世界各国均将研究重点放在空间目标的天基探测上面。 空间目标的天基探测，是指将观测设备安装在天基平台上，对空间目标进行的探测。由于雷达设备需要很大的功率，一时无法进行雷达的天基探测，因此，在现阶段，空间目标的天基探测是指空间目标的光学探测，也就是将光学望远镜安装在卫星平台上对空间目标进行探测的方式（图1.4)。 图1.4天基探测示意图 1996年美国成功发射了MSX(Midcourse　Space　Experiment)卫星，它利用携带的天基可见光（SBV)探测器，开始了空间目标的天基探测。 SBV探测器的基本指标如下：平台地面高度为898km，15cm离轴三反式望远镜，焦距为45cm，设计光谱范围为300～900nm，用4个420x422、27的电荷親合器件（charge-coupleddevice，CCD)，视场为6.6°x1.4°，探测星等为14.5等，探测精度约为4〃。2000年，SBV探测器的观测结果正式纳入美国空间监视网（SSN)工作，对地球同步轨道（GEO)目标的编目做出了很大的贡献。 加拿大利用MOST(Microvariability　and　Oscillations　of　Stars)卫星[5]进行对全球定位系统（GPS)卫星的观测之后，掌握了一些天基探测技术，提出了Sapphire“蓝宝石”）卫星计划和NEOSSat(近地轨道监视卫星）计划。2013年，加拿大发射了这两个卫星，其平台仍采用明暗界线太阳同步轨道，轨道高度为786km。 Sapphire卫星的探测器也是15cm离轴三反式望远镜，1.4°x1.4°的视场，探测星等为15等，相当于0.9m的GEO目标。 NEOSSat探测器的视场要小一些，为0.85°x0.85°，如果曝光时间为100s，可以探测19.5等的近地天体，探测的GEO目标约为13.5等。 2010年，美国提出了雄心勃勃的SBSS(Space-Based　Surveillance　System)计划，平台高度降为630km，每天工作24小时，探测目标包括近地轨道（LEO)目标、GEO目标和近地小行星；采用30cm离轴三反式望远镜，CCD像元数为，望远镜有二维转台，其他指标不详。2010年首颗卫星发射后，计划可能停了下来，估计是探测器还需进一步改进。 欧洲空间局（ESA)从2007年开始了SBO(天基光学）卫星的研究，计划中的卫星指标为：20cm折轴施密特望远镜，F/2.05，视场为6°，2kx2k、18的CCD，可探测16等GEO目标，探测精度估计为3.5"。 以上这些卫星计划的平台均采用明暗界线太阳同步轨道。 除此以外，2013年，美国还提出了CubeSat(立方体卫星）计划，计划利用27个卫星，安置在GEO目标轨道上方500km的轨道上，组网对GEO目标进行观测，望远镜口径为5cm，视场为30°，由于要避开太阳，平台需要通过调姿观测。 从以上国外的研究情况看，天基探测平台均采用了明暗界线太阳同步轨道。探测对象基本上均是GEO目标，探测系统也只包括一个探测平台。 文献[6]也对空间目标的天基探测进行了研究，其中，针对GEO目标轨道倾角可能有20°，探测区域跨越-20°～+20°的纬度范围，以及有短期地影的问题，给出了解决方法；对于近地空间目标，探讨了近地目标探测全覆盖的问题。但是，只研究单平台的天基探测不能满足上述的观测要求，因此，我们必须研究多平台联网的空间目标的天基探测。 1.4本书的研究内容 本书集中研究近地空间目标的天基探测，因此，本书中所说的空间目标均是近地空间目标。 本书主要研究近地空间目标的天基多平台的联网探测，重点研究一种近地空间目标的天基探测系统一一天基篱笆：在一个轨道上安置若干个探测平台，它们的望远镜视场组成一个观测篱笆，由于该篱笆在天球上是一个大圆，每一个近地空间目标的轨道（也是大圆）与该篱笆均有两个交点，因此，所有近地目标每一圈都能进入这个篱笆区域两次。可以证明，其中至少有一次没有地影，因此，所有目标每一圈均能观测到1～2次，实现了近地空间目标天基探测的全覆盖，该系统有利于对空间态势的及时掌握。 本书共分为6章和4个附录，第1章为引言，主要讨论在轨空间目标的现状、空间目标观测的需求、空间目标天基探测的现状并介绍本书的研究内容；第2章为天基探测的基础，主要研究一种探测能力较强的顺光探测方式，并对顺光探测方式的探测能力和优缺点做了讨论；第3章为几种天基篱笆，这是本书的重点，主要提出沿轨篱笆的概念，它是一种形状为大圆的天基篱笆，又对沿轨篱笆的组成、望远镜指向、平台个数、平台高度等做了研究，理论和算例均说明，沿轨篱笆能实现空间目标探测全覆盖，每个目标运行一圈，均可以观测到1～2次，提高了新目标发现的及时性，此外，与顺光篱笆做了比较，还对1～2cm的小空间碎片的探测可能性做了研究；第4章为轨道关联，这是天基空间目标编目的重点，研究一种针对沿轨篱笆的关联方法，该方法可以对各平台做观测预报，给出空间目标的观测时间、位置和观测平台的序号，减少了候选目标集合的目标数，从而提高了关联的效率；第5章为天基轨道改进，讨论天基探测的定轨方法和定轨精度问题；第6章为天基篱笆近期改进，针对天基探测的现实困难，讨论解决途径，对空间目标天基篱笆的近期发展做了展望；附录研究了在天文历书改进后的坐标变换的复杂概念，给出了一种适合天基探测的坐标变换方法和一些Fortran程序。 希望本书能对有志于空间目标天基探测的年轻人有所帮助，促进我国空间目标探测事业的发展。