張海峰, 鄧華榮, 吳志波, 湯 凱, 張忠萍

（1.中國(guó)科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200030；2.中國(guó)科學(xué)院 空間目標(biāo)與碎片觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210008）

地基激光測(cè)距系統(tǒng)觀測(cè)空間碎片進(jìn)展

張海峰1,2, 鄧華榮1, 吳志波1,2, 湯 凱1, 張忠萍1,2

（1.中國(guó)科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200030；2.中國(guó)科學(xué)院 空間目標(biāo)與碎片觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210008）

衛(wèi)星激光測(cè)距作為地基光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)重要技術(shù)應(yīng)用，可直接精確測(cè)量空間碎片距離，提升碎片目標(biāo)軌道監(jiān)測(cè)精度。基于上海天文臺(tái)60 cm口徑激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡，應(yīng)用百赫茲重復(fù)率高功率激光器、高效率激光信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)等，建立了空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)距離500～2600 km、截面積0.3～20 m2的碎片目標(biāo)觀測(cè)，測(cè)距精度優(yōu)于1 m，具備了碎片目標(biāo)常規(guī)測(cè)量與應(yīng)用能力。此外，開展了空間目標(biāo)白天監(jiān)視技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了亮于6星等恒星的白天觀測(cè)，并進(jìn)行了望遠(yuǎn)鏡局部指向誤差模型分析，分析結(jié)果可應(yīng)用于空間碎片白天激光觀測(cè)的目標(biāo)監(jiān)視與引導(dǎo)。

空間碎片; 激光測(cè)距; 觀測(cè)系統(tǒng); 白天恒星監(jiān)視

0 引言

空間碎片因威脅到在軌工作航天器的安全，已成為國(guó)際關(guān)注的問題。實(shí)現(xiàn)對(duì)空間碎片碰撞的高精度預(yù)警的前提是碎片軌道的精確測(cè)定。世界各航天大國(guó)均在大力發(fā)展多種高精度空間碎片測(cè)定軌技術(shù)，并通過國(guó)際合作實(shí)現(xiàn)可靠的、高精度空間碎片碰撞規(guī)避預(yù)警技術(shù)[1-4]。

空間碎片測(cè)量技術(shù)中，激光測(cè)距是一種精度達(dá)分米級(jí)的實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)，其精度高于微波雷達(dá)、光電望遠(yuǎn)鏡1～2數(shù)量級(jí)，對(duì)提高碎片目標(biāo)軌道測(cè)定精度、預(yù)報(bào)能力、編目精度、預(yù)警能力等具有重要作用[5-7]。美國(guó)、澳大利亞、奧地利和中國(guó)等均發(fā)展了非合作空間目標(biāo)（包含空間碎片）高精度激光測(cè)距技術(shù)[8-10]，并加強(qiáng)多方技術(shù)交流協(xié)作，服務(wù)于航天活動(dòng)中的空間碎片高精度監(jiān)測(cè)、預(yù)警等，以增強(qiáng)空間目標(biāo)的預(yù)警能力及空間態(tài)勢(shì)感知能力。

對(duì)于空間碎片目標(biāo)，由于被測(cè)表面對(duì)入射激光束的漫反射，使得返回激光信號(hào)弱，導(dǎo)致測(cè)量難度大[11]。為此，提升地面站激光發(fā)射功率和弱信號(hào)激光探測(cè)能力是空間碎片激光測(cè)距技術(shù)的關(guān)鍵。近些年，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)在高性能高功率激光器、弱回波信號(hào)探測(cè)技術(shù)等方面取得了突破，通過對(duì)空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)升級(jí)改造[10,12]，引進(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，使得碎片測(cè)量能力得到了提升。在此基礎(chǔ)上，開展了白天激光觀測(cè)技術(shù)研究，以期推動(dòng)我國(guó)高精度激光測(cè)距技術(shù)在空間碎片觀測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)

空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)主要包括高功率激光器，激光發(fā)射/接收子系統(tǒng)，望遠(yuǎn)鏡跟蹤子系統(tǒng)，激光探測(cè)器，精密計(jì)時(shí)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)[13]。對(duì)于空間碎片，由于其距離遠(yuǎn)、尺寸小，對(duì)激光器和激光探測(cè)器性能要求較高，是空間碎片激光觀測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)重部件。下面重點(diǎn)介紹激光器和激光探測(cè)器。

1.1 高功率激光器

提高激光器發(fā)射功率和激光信號(hào)準(zhǔn)直性，可有效提升激光回波信號(hào)強(qiáng)度。在空間碎片激光測(cè)距技術(shù)研究初期，上海天文臺(tái)采用了低重復(fù)頻率（20 Hz及以下）、泵浦式高能激光器[12]。在高功率輸出狀態(tài)下，激光器內(nèi)部光學(xué)器件易受損，不僅輸出功率難以有較大提升，而且光束質(zhì)量難以保證。根據(jù)國(guó)外空間碎片激光測(cè)距技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[8-9]，為了提高功率和性能，可通過提高激光器工作頻率和降低單脈沖能量來改善光學(xué)器件工作性能。但激光器工作頻率增加，又會(huì)使得光子探測(cè)器暗噪聲數(shù)隨之增大[13]，不利于對(duì)激光回波光子的探測(cè)。

為了滿足空間碎片激光測(cè)距的指標(biāo)要求，本文采用了主振蕩功率放大（Major Oscillation Power Amplification, MOPA）技術(shù)以實(shí)現(xiàn)短脈沖高光束質(zhì)量的激光方案，研制了可應(yīng)用于空間碎片激光測(cè)量的百赫茲重復(fù)頻率、高光束質(zhì)量、高功率、半導(dǎo)體泵浦式激光器系統(tǒng)（如圖1所示）。該激光器系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如下：

1）輸出功率：60 W；

2）激光波長(zhǎng)：532 nm；

3）激光脈寬：≤8 ns；

4）光束質(zhì)量（M2）：≤3。

圖1 200 Hz重復(fù)頻率高功率激光器光學(xué)系統(tǒng)原理Fig.1 The optical principle of high power laser system of 200 Hz

1.2 激光探測(cè)器

空間碎片激光測(cè)距中仍存在2個(gè)關(guān)鍵問題：碎片軌道預(yù)報(bào)精度低和高信噪比激光回波探測(cè)。

合作空間目標(biāo)激光測(cè)距中，采用了高精度單光子雪崩二極管（SPAD），探測(cè)芯片尺寸 200 μm，探測(cè)效率約 20%[13]，但在高重復(fù)率工作模式下，其暗噪聲數(shù)在MHz水平，不利于像碎片這樣的非合作目標(biāo)激光回波信號(hào)的高效探測(cè)。

采用如圖2所示的技術(shù)原理，國(guó)內(nèi)首先研制了應(yīng)用于漫反射激光信號(hào)高性能探測(cè)的低噪聲、高效率APD激光探測(cè)器，采用了時(shí)間濾波降噪技術(shù)，并設(shè)置了高速甄別比較電路，以加快響應(yīng)速度和縮短探測(cè)盲區(qū)時(shí)間；選用了蓋格（Gaige）模式探測(cè)芯片，實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)的靈敏度；使用了恒溫制冷技術(shù),最大程度降低探測(cè)暗噪聲數(shù)。

激光探測(cè)器的主要性能參數(shù)如下：

1）探測(cè)芯片尺寸：500 μm；

2）暗噪聲數(shù)：18 kHz@200Hz（“@”表示在200 Hz條件下，文章其他@表示意義皆同此）；

3）探測(cè)效率：＞40%@532 nm。

圖2 APD激光探測(cè)器工作原理Fig.2 The working principle of APD detector

對(duì)于來自空間背景和目標(biāo)亮度的噪聲，尤其是亮度高于6星等的大尺寸目標(biāo)，這將對(duì)激光回波信號(hào)探測(cè)產(chǎn)生很大干擾。APD探測(cè)器盡管實(shí)現(xiàn)了在高重復(fù)率工作模式下的低暗噪聲數(shù)和對(duì)回波信號(hào)高探測(cè)能力，但又面臨如何降低背景噪聲數(shù)的問題。

考慮激光接收子系統(tǒng)探測(cè)到的噪聲水平與濾波器帶寬成正比，激光探測(cè)器采用了窄帶光譜濾波技術(shù)（中心波長(zhǎng)532 nm、帶寬2 nm、透過率大于90%），以降低背景噪聲數(shù)。

2 空間碎片高重復(fù)率激光觀測(cè)與分析

2.1 觀測(cè)結(jié)果

基于上海天文臺(tái)60 cm口徑激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡，利用建立的空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)對(duì)碎片目標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量，以驗(yàn)證上述激光器、激光探測(cè)器、窄帶光譜濾波器等的應(yīng)用效果。

所跟蹤和測(cè)量的碎片目標(biāo)軌道高度范圍從500～2000 km，獲得了超過200個(gè)碎片目標(biāo)、400圈次的激光觀測(cè)數(shù)據(jù)。圖3給出了2016年5月16日對(duì)美國(guó) SCOUT A火箭體碎片目標(biāo)（NORAD 02180, RCS 0.6 m2）實(shí)時(shí)測(cè)量距離殘差圖，其中有規(guī)律點(diǎn)為激光回波數(shù)據(jù)，彌散點(diǎn)為噪聲數(shù)據(jù)，測(cè)量距離1050～1230 km，測(cè)距精度約45 cm。

圖3 SCOUT A火箭體碎片激光測(cè)量距離殘差圖Fig.3 The residual data of laser-detected range for the debris separated from SCOUT A rocket

圖4給出了上海天文臺(tái)60 cm口徑望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)碎片觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，其中橫坐標(biāo)為測(cè)量距離，縱坐標(biāo)為觀測(cè)仰角，不同斜線代表不同目標(biāo)截面積。所觀測(cè)的空間碎片，其測(cè)量距離 500～2600 km，截面積0.3～20 m2。測(cè)量結(jié)果表明，上海天文臺(tái)空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)在天氣條件良好情況下，可對(duì)碎片目標(biāo)進(jìn)行常規(guī)觀測(cè)，提供高精測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用于空間碎片監(jiān)測(cè)。

圖4 60 cm口徑望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)空間碎片觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.4 The range statistics of space debris observed by the 60 cm telescope system

2.2 觀測(cè)精度分析

空間碎片激光觀測(cè)存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。其中系統(tǒng)誤差（包括系統(tǒng)時(shí)延標(biāo)定、大氣傳輸?shù)龋┛赏ㄟ^模型修正得到一定補(bǔ)償，而影響測(cè)距精度的主要為隨機(jī)誤差，包括激光信號(hào)脈寬、激光發(fā)射信號(hào)探測(cè)、激光回波信號(hào)探測(cè)、系統(tǒng)時(shí)間頻率基準(zhǔn)以及探測(cè)目標(biāo)形狀引起激光脈沖展寬和畸變等因素帶來的誤差。表1給出了上海天文臺(tái)空間碎片激光測(cè)距誤差分析。由表中的數(shù)據(jù)可知，激光器脈寬、探測(cè)器精度以及碎片尺寸對(duì)回波信號(hào)展寬等是影響空間碎片激光測(cè)距精度的主要因素。圖5給出了上海天文臺(tái)空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)所獲得目標(biāo)測(cè)量精度與其截面積的關(guān)系。

表1 空間碎片激光測(cè)距數(shù)據(jù)誤差分析Table 1 The error analysis of laser ranging data for space debris

由圖5中的結(jié)果可以看出，隨著截面積增加，即目標(biāo)尺寸變大，測(cè)距精度也趨于變差。當(dāng)截面積小于5 m2時(shí)，測(cè)量精度約30～80 cm，平均值為50 cm左右；對(duì)于截面積5～10 m2，測(cè)量精度達(dá)到100～120 cm；對(duì)于更大截面碎片目標(biāo)，測(cè)距精度超過1.5 m，甚至到2 m。通過將窄脈沖激光信號(hào)（百ps）、高精度探測(cè)器（ps）應(yīng)用于漫反射激光測(cè)量，可進(jìn)一步提升目標(biāo)測(cè)距精度，對(duì)于小尺寸目標(biāo)，預(yù)期精度可達(dá)10～30 cm。

圖5 空間碎片測(cè)量精度與其雷達(dá)截面積關(guān)系Fig.5 The relationship between laser measurement precision and the cross section of space debris

3 空間碎片白天觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡指向誤差修正方法

開展空間碎片白天觀測(cè)，是激光觀測(cè)區(qū)別于光電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)技術(shù)的重要特征。實(shí)現(xiàn)空間碎片全天時(shí)激光探測(cè)能力，對(duì)增加觀測(cè)弧段，提升碎片目標(biāo)測(cè)定軌精度有重要作用，是激光測(cè)距系統(tǒng)開展碎片觀測(cè)的研究方向。

空間碎片的白天激光觀測(cè)受限因素較多[14]，其中目標(biāo)精確指向和引導(dǎo)是關(guān)鍵。白天激光觀測(cè)時(shí)，由于受外界環(huán)境溫度變化影響，望遠(yuǎn)鏡機(jī)架指向誤差時(shí)變形較大，影響了對(duì)目標(biāo)的跟蹤和精確指向。

針對(duì)上述問題，考慮指向修正的快速性、實(shí)時(shí)性要求，滿足目標(biāo)精確指向要求，提出通過在白天對(duì)過境天區(qū)內(nèi)觀測(cè)適當(dāng)數(shù)量恒星方式，建立局部指向模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)望遠(yuǎn)鏡指向誤差的快速修正。利用恒星與背景光譜差異，采用光譜濾波方法實(shí)現(xiàn)白天恒星觀測(cè)；選取目標(biāo)過境天區(qū)附近恒星建立局部指向模型，進(jìn)行白天指向偏差修正。

3.1 白天恒星監(jiān)視的濾波技術(shù)

白天背景光來源于太陽，光譜峰值在 0.45～0.55 μm之間，長(zhǎng)波段光譜的峰值迅速下降。對(duì)于恒星來說，以M、K、G三種恒星為主，其光譜分布的共同特點(diǎn)是峰值在0.8 μm左右，基本呈對(duì)稱分布。為了實(shí)現(xiàn)白天恒星觀測(cè)，需濾除短波天空背景光，保留長(zhǎng)波部分。根據(jù)白天天空背景光與恒星光譜曲線對(duì)比分析結(jié)果[15]，選擇波段為600～700 nm的截止濾光器進(jìn)行背景光濾波，以實(shí)現(xiàn)恒星監(jiān)視。

3.2 白天恒星監(jiān)視與局部指向模型

利用上海天文臺(tái)60 cm口徑望遠(yuǎn)鏡激光測(cè)距系統(tǒng)開展了白天恒星監(jiān)視試驗(yàn)，采用了截止波長(zhǎng)為700 nm的濾波器，即短于700 nm波長(zhǎng)的光全部截止，以提高星光信號(hào)的信噪比。所采用的恒星監(jiān)視CCD主要參數(shù)如表2所示。

表2 LucaS型EMCCD主要參數(shù)Table 2 Specifications of LucaS EMCCD

圖6給出了上海天文臺(tái)白天監(jiān)視恒星（5.5～6.0星等）分布及所拍攝到的恒星圖像，圖中恒星亮度為5.7星等，觀測(cè)時(shí)間為下午4:00，恒星與太陽角約50°。

圖6 上海站5.5～6.0星等恒星分布及白天監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6 Distribution of 5.5～6.0 magnitude and the star image taken by CCD in the daytime

3.3 局部指向模型的誤差修正方法

在此基礎(chǔ)上，提出望遠(yuǎn)鏡局部指向誤差快速修正方法，即對(duì)目標(biāo)過境天區(qū)內(nèi)指向偏差修正。由于區(qū)域范圍縮小，指向誤差模型所需要的恒星數(shù)也相應(yīng)減少，這有利于提高指向模型計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)白天目標(biāo)觀測(cè)指向快速修正?？紤]到所選擇的恒星數(shù)不必過多，過境天區(qū)內(nèi)選取 6～7顆恒星（如圖7所示），采用了經(jīng)典的具有物理含義的七參數(shù)指向模型作為白天望遠(yuǎn)鏡局部指向誤差模型，如下式所示：

式中：?A、?E為恒星方位和高度指向偏差值；A、E為恒星方位和高度值。通過對(duì)所選擇的恒星進(jìn)行跟蹤獲取望遠(yuǎn)鏡指向偏差和位置量，利用最小二乘法計(jì)算得到上述七參數(shù)指向模型系數(shù)。

通過將建立的望遠(yuǎn)鏡局部指向模型應(yīng)用于所跟蹤區(qū)域其他恒星，評(píng)估局部指向模型的修正誤差精度。圖8給出了過境天區(qū)內(nèi)其他恒星的方位和高度偏差情況，方位和高度偏差量方均根（RMS）分別為5.87″和8.43″。所建立的望遠(yuǎn)鏡局部指向模型的指向修正誤差精度在10″以內(nèi)，可滿足空間碎片白天激光觀測(cè)中望遠(yuǎn)鏡指向偏差修正要求。

圖7 目標(biāo)過境天區(qū)的望遠(yuǎn)鏡指向誤差修正Fig.7 Telescope pointing error correction based on satellite passing region

圖8 過境天區(qū)望遠(yuǎn)鏡局部指向誤差模型修正Fig.8 Verification of the pointing error model for telescope passing region

3.4 小結(jié)

提升低亮度恒星目標(biāo)的監(jiān)視能力，可增加參與望遠(yuǎn)鏡指向模型計(jì)算的恒星觀測(cè)數(shù)，有利于提高望遠(yuǎn)鏡指向修正精度。另外，通過采用實(shí)時(shí)背景噪聲剔除及圖像疊加方法，還可進(jìn)一步提升較暗恒星目標(biāo)監(jiān)視能力。后續(xù)將開展實(shí)時(shí)背景噪聲剔除和圖像實(shí)時(shí)疊加處理方法的研究，以期在白天情況下可實(shí)現(xiàn)7～8星等的目標(biāo)監(jiān)視，將為空間碎片白天激光測(cè)距、目標(biāo)精確跟蹤和引導(dǎo)打下良好技術(shù)基礎(chǔ)。

4 總結(jié)與展望

基于上海天文臺(tái)60 cm口徑空間碎片激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，瞄準(zhǔn)國(guó)際相關(guān)技術(shù)發(fā)展，通過解決高性能激光器和激光回波探測(cè)的關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)了碎片目標(biāo)測(cè)量距離500～2600 km，截面積0.3～20 m2，具備了空間碎片夜間光學(xué)常規(guī)測(cè)量能力，可應(yīng)用于空間碎片高精度激光監(jiān)測(cè)。

上海天文臺(tái)空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)由于在激光功率、探測(cè)效率、望遠(yuǎn)鏡接收口徑等方面的限制，對(duì)遠(yuǎn)距離（中高軌）、小尺寸（10 cm以下）目標(biāo)探測(cè)能力不足。為了滿足碎片目標(biāo)的精密測(cè)軌需求，需發(fā)展具備對(duì)小尺寸目標(biāo)微弱信號(hào)探測(cè)能力的激光測(cè)距系統(tǒng)，開展激光脈沖群高功率皮秒激光模式的研究，以統(tǒng)籌解決激光功率、重復(fù)頻率和脈沖寬度問題；發(fā)展空間碎片近紅外波長(zhǎng)激光觀測(cè)技術(shù)研究，提高激光輸出功率和大氣傳輸效率；發(fā)展超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器在空間碎片激光探測(cè)的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)極低暗噪聲、高效率激光信號(hào)探測(cè)；開展多望遠(yuǎn)鏡的激光接收測(cè)量技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)大口徑望遠(yuǎn)鏡接收能力，并兼顧系統(tǒng)測(cè)量能力和效率。以此構(gòu)建空間碎片全天時(shí)激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用于我國(guó)未來航天空間探測(cè)。

（References）

[1] 姜會(huì)林, 付強(qiáng), 張雅琳, 等.空間碎片激光探測(cè)成像通信一體化技術(shù)探討[J].紅外與激光工程, 2016, 45(4): 0401001 JIANG H L, FU Q, ZHANG Y L, et al.Discussion of the laser ranging with polarization spectral imaging observations and communication technology for space debris[J].Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(4): 0401001

[2] 高文, 朱明, 賀柏根, 等.目標(biāo)跟蹤技術(shù)綜述[J].中國(guó)光學(xué), 2014, 7(3): 365-374 GAO W, ZHU M, HE B G, et al.Overview of target tracking technology[J].Chinese Optics, 2014, 7(3): 365-374

[3] 祁先鋒.空間碎片觀測(cè)綜述[J].中國(guó)航天, 2005, 22(7): 24-26 QI X F.Review of space debris observation[J].Aerospace China, 2005, 22(7): 24-26

[4] 李振偉, 張濤, 孫明國(guó).星空背景下空間目標(biāo)的快速識(shí)別與精密定位[J].光學(xué)精密工程, 2015, 23(2): 589-599 LI Z W, ZHANG T, SUN M G.Fast recognition and precise orientation of space objects in star background[J].Optics and Precision Engineering, 2015, 23(2): 589-599

[5] 朱飛虎, 王立, 郭紹剛, 等.面向非合作目標(biāo)的大動(dòng)態(tài)范圍激光測(cè)距系統(tǒng)[J].紅外與激光工程, 2014, 43(增刊1): 8-12 ZHU F H, WANG L, GUO S G, et al.Large dynamic range laser ranging system for non-cooperative target[J].Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(sup1): 8-12

[6] 陶會(huì)榮, 張福民, 曲興華.無合作目標(biāo)測(cè)量中目標(biāo)表面后向散射特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].紅外與激光工程, 2014, 43(增刊1): 95-100 TAO H R, ZHANG F M, QU X H.Experimental study of backscattering signals from rough targets in non-cooperative laser measurement system[J].Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(sup1): 95-100

[7] 沈姍姍, 陳錢, 何偉基, 等.單光子測(cè)距系統(tǒng)性能優(yōu)化研究和實(shí)現(xiàn)[J].紅外與激光工程, 2016, 45(2): 166-171 SHEN S S, CHEN Q, HE W J, et al.Research and realization on performance of single photon counting ranging system optimizing[J].Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(2): 166-171

[8] GREENE B, GAO Y, MOORE C, et al.Laser tracking of space debris[C]//Proceedings of 13rdLaser Ranging Workshop.Washington, 2002

[9] KIRCHNER G, KOIDL F, FRIEDERICH F, et al.Laser measurements to space debris from Graz station[J].Advances in Space Research, 2013, 51(1): 21-24

[10] ZHANG Z P, YANG F M, ZHANG H F, et al.The use of laser ranging to measure space debris[J].Research in Astron Astrophys, 2012, 12(2): 212-218

[11] CRAIG H S, GREENE B.The EOS space debristracking system[C]//The Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference.Wailea, Maui, Hawaii, 2006

[12] 張忠萍, 張海峰, 吳志波, 等.基于200 Hz重復(fù)率高功率全固態(tài)激光器空間碎片激光測(cè)距試驗(yàn)[J].中國(guó)激光, 2014, 41(增刊1): 1-7 ZHANG Z P, ZHANG H F, WU Z B, et al.Experiment of laser ranging to space debris based on high power solid-state laser system at 200 Hz repetition rate[J].Chinese Journal of Laser, 2014, 41(sup1): 1-7

[13] 張忠萍, 張海峰, 吳志波, 等.高精度千赫茲重復(fù)頻率衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)及實(shí)測(cè)結(jié)果[J].科學(xué)通報(bào), 2011, 56(15): 1177-1183 ZHANG Z P, ZHANG H F, WU Z B, et al.kHz repetition satellite laser ranging system with high precision and measuring results[J].Chinese Sci Bull, 2011, 56(15): 1177-1183

[14] 楊福民, 肖熾坤, 陳婉珍, 等.白天衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)結(jié)果[J].中國(guó)科學(xué), 1998, 28(11): 1048-1056 YANG F M, XIAO C K, CHEN W Z, et al.Design of daylight satellite laser ranging system and measuring results[J].Science in China, 1998, 28(11): 1048-1056

[15] 徐維安.光譜濾波裝置在白天測(cè)星中的應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程, 1996, 4(4): 84-88 XU W A.Application of spectral filter device in measuring stellar in daytime[J].Optics and Precision Engineering, 1996, 4(4): 84-88

（編輯：肖福根）

Observations of space debris by ground-based laser ranging system

ZHANG Haifeng1,2, DENG Huarong1, WU Zhibo1,2, TANG Kai1, ZHANG Zhongping1,2
(1.Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China; 2.Key Laboratory of Space Object and Debris Observation, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

The satellite laser ranging is one of the important application technologies for the ground-based optical-electronic telescope system, and the distance of the space debris is directly measured to improve the orbit accuracy.Based on the laser ranging telescope with the aperture of 60cm at the Shanghai Astronomical Observatory, the space debris laser ranging system is set up with the development of a high power laser system of hundreds hertz repetition rate and a laser signal detection system of high efficiency.The routine laser observation of space debris may be realized with the measured distance from 500 km to 2600 km, the cross section from 0.3 m2to 20 m2, the ranging precision of better than 1 m, for accurately measuring the space debris.In addition, the method of monitoring the space targets in the daytime is also studied preliminarily, and the stars brighter than six magnitude of brightness are observed to make the regional pointing error correction model.The method can be applied in the monitoring and guiding for the daylight space debris laser ranging.

space debris; laser ranging; observing system; daylight star guiding

TN216

：A

：1673-1379(2016)05-0457-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.001

張海峰（1981—），男，高級(jí)工程師，主要從事空間目標(biāo)激光測(cè)距技術(shù)及應(yīng)用研究；E-mail: hfzhang@shao.ac.cn。通信作者：張忠萍（1960—），男，研究員，從事空間目標(biāo)激光測(cè)距技術(shù)及應(yīng)用研究；E-mail: zzp@shao.ac.cn。

2016-07-29；

：2016-08-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：11303074, 11503068）；中國(guó)科學(xué)院國(guó)防創(chuàng)新基金項(xiàng)目（編號(hào)：CXJJ-14-S108）；中國(guó)科學(xué)院重大裝備項(xiàng)目（編號(hào)：2920100701）；國(guó)家國(guó)防科工局空間碎片“十二五”預(yù)先研究項(xiàng)目（編號(hào)：K0103110）