当前位置:首页 > 业界动态 > 空间激光 > 正文

格拉茨卫星激光测距站关于空间碎片的研究

发布时间: 2017-09-10 10:17:25   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  太空近地轨道上大量的空间碎片对卫星带来严重的安全威胁,其速度可高达约7 km/s。为消灭这些空间碎片,首先需要对其运行轨道及其进入大气层后的特征规律有充分的认知。卫星激光测距(SLR)有助于提高轨道预测精度(高达米级)。 

  本文主要内容包括: 

  1、欧洲多个卫星激光测距站联合开展了多基站测距试验; 

  2、 “凝视探测-发现跟踪(S-C)”试验介绍; 

  3、空间碎片旋转周期和姿态的测试结果。 

  1、多基站试验

  

  多基站激光测距原理示意图

   

  

  多基站试验结果:维茨尔基站检测到格拉茨基站发出的绿光;

  纵轴为O-C残差(纳秒),横轴为纪元时间(秒)。

  多基站测距试验原理:当高功率激光脉冲照射到空间碎片目标上时,其漫反射回波(无需反射装置)广泛传播(图1所示),并可被其他卫星激光测距基站利用单光子雪崩探测器探测接收。从2013年起,格拉茨基站联合开展多次 “多基站”试验。 

  2013年9月,格拉茨基站对选定的非合作目标发射激光,经目标漫反射后被维茨尔基站、齐美尔瓦尔德基站和赫斯特蒙苏基站所接收,激光参数为100Hz/20W。实测值-计算值残差(O-C残差)为光子飞行时间(纳秒级),与SL-16卫星的测距结果比对后,得到如图2所示的有效数据曲线,对应距离残差约为100米。 

  2016年进行的一次专项试验中,格拉茨基站和维茨尔基站向空间碎片目标发射了两束不同波长的脉冲激光,漫反射回波信号被三个基站分别接收。表1和表2分别为激光器和探测器的主要参数。 

  各基站所用激光器参数,λ为波长,E为单脉冲能量, ν为重频。

激光器参数 

基站 

格拉茨 

维茨尔 

型号 

Coherent Infinity 

Coherent Infinity 

λ(nm) 

532 

532 

E(mJ) 

200 

200 

ν(Hz) 

20 

20 

  各基站所用探测器参数

  λ为波长,D为探测器直径,DE为预计探测效率,DCR为暗计数率。

探测器参数 

基站 

格拉茨532 

维茨尔1064 

维茨尔 

斯图加特 

型号 

C-SPAD 

Princeton Lightwave 

Princeton Lightwave 

ID Quantique 

λ(nm) 

532 

1064 

1064 

1064 

D(μm) 

200 

80 

80 

80 

DE(%) 

25 

25 

25 

30 

DCR(kHz) 

100 

60 

180 

  对超过60个目标进行了200次以上的试验,其配置方案如表3所示,目标最小反射截面积为1.3m2。X的绿色和红色分别代表532nm和1064nm激光。例如,在C6中,格拉茨基站设计了一种可与发射天线连接的便携式卫星激光测距装置(SP-DART),与一台SAP500探测器结合使用,探测维茨尔基站发射的1064nm激光,同时利用常规设备探测532nm激光。 

  多基站共同测量的不同探测方案概述

方案 

格拉茨 

维茨尔 

斯图加特 

发射 

接收 

发射 

接收 

发射 

接收 

C1 

  

  

  

  

C2 

  

  

  

C3 

  

  

  

C4 

  

  

C5 

  

  

C6 

X/X 

  

  

  3、凝视探测-发现跟踪 

  2016年格拉茨卫星激光测距基站成功实施了无轨道信息下对空间碎片目标的凝视探测-发现跟踪(S-C)”:相机视场角约为10°,“凝视”空间任意位置,并记录9级星等级的星空背景信息;相机指向方向由星体位置计算得出,精度可达15-20″量级;当空间碎片进入到视场内,即可得出其相对于背景星体的天球参考坐标;由此可计算出CPF轨道,并立刻实现目标跟踪,同时进行激光测距;以上总时长约几分钟。 

  

  3  Iridium-61卫星实测值-计算值差值;上图为标准TLE-CPF法,下图为 S-C法。

  基于TLE的测距可给出时间和距离的偏差量,故测距结果首先与标准TLE-CPF数据比对。在TLE法测距成功后,发射系统向当前目标前方移动几度直到目标消失,当目标重新时,即可确定指向方向。S-C完成后,系统立即开始计算CPF轨道预测数据,并将目标位置调整到视场中心,完成激光测距。 

  对于Iridium-61卫星,采用以上两种方法得出的O-C残差对比如图3所示。图中X轴表示2017年6月29日时间,单位为秒,Y轴表示对应的距离残差,单位为千米。基于TLE跟踪算法的差值约为400米,而基于S-C算法的差值大于900米。经过数据处理,TLE法的时间偏差为-73毫秒,距离偏差为2米; S-C法的时间偏差为108毫秒,距离偏差为764米。进一步的偏差分析给出了对应大地中心坐标和大地修正坐标的X、Y、Z坐标值的偏差量。可见,在最初十分钟,偏差量小于10千米,此后迅速增大。 

  4、旋转周期和旋转姿态测量

  根据卫星激光测距数据可计算出空间碎片的旋转周期和旋转姿态。以2013年Envisat卫星的O-C残差为例,可很容易计算出该卫星的旋转周期,如图4。 

  

  Envisat卫星激光测距的距离残差。8个反射装置对应8个峰值,容易估算出该卫星旋转周期约为120秒。

  利用单光子探测器接收空间碎片的太阳反射光,用以获取光变曲线。光变曲线的含义是卫星太阳反射光在一个旋转周期内(对应相位从0变到1)的平均强度。北斗(Compass G2)卫星的4幅连续平均光变曲线,单幅时长为100秒。可见,在400秒时长内,装有太阳能电池板的左右两侧翼面的反射信号加强,上下两面的反射信号保持不变。因此,通过测量卫星不同位置的反射信号(如卫星太阳能电池板和卫星主体),能够确定其旋转周期,并绘出其旋转姿态。 

  由Topex卫星和 Glonass导航系统COSMOS 2275卫星旋转周期的变化,可见在过去数年间,Topex卫星的旋转周期持续减少了约10.6秒,而COSMOS 2275表现出一种周期性变化。 

  通过卫星激光测距、光变曲线或二者结合的方法总共获得了超过40颗废弃Glonass卫星的旋转周期数据,如图5所示。旋转周期的变化范围从小于10秒到大于400秒不等。 

   

  

  超过40 Glonass卫星旋转周期图(单位:秒)。

  若凡编译自: Space debris science at the Satellite Laser Ranging Station Graz 

我来说两句
您尚未登录,请登录后发布评论! 【马上登录
评论列表
已有 0 条评论(查看更多评论)
友情链接
 
电话:021-69918000 传真:021-69918800 Processed in 0.861 second(s)
360网站安全检测平台 Powered by SIOM Copyright © 2014 www.siom.ac.cn, All Rights Reserved pv总量 访客数总量