陳冰兒 熊建寧

(1中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái) 南京 210008) (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) (3中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

空間碎片天基光學(xué)觀測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳冰兒1,2,3?熊建寧1,2

(1中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái) 南京 210008) (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) (3中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

介紹了空間碎片天基光學(xué)觀測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)的基本方法.分別給出了對(duì)GEO(地球同步軌道)和LEO(近地軌道)碎片進(jìn)行天基光學(xué)觀測(cè)的平臺(tái)設(shè)計(jì)方案,包括平臺(tái)軌道主要參數(shù)以及望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)指向等.該研究以國(guó)外公布的在編空間碎片為研究對(duì)象,根據(jù)空間碎片的實(shí)際軌道,模擬計(jì)算了不同平臺(tái)方案下的觀測(cè)結(jié)果.對(duì)于單個(gè)平臺(tái),給出了觀測(cè)GEO目標(biāo)的最佳高度以及觀測(cè)LEO目標(biāo)不同高度平臺(tái)的最佳望遠(yuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)角,并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了多平臺(tái)組網(wǎng)觀測(cè)方案,通過(guò)分析觀測(cè)結(jié)果比較各個(gè)方案的優(yōu)劣,可為實(shí)現(xiàn)空間碎片天基觀測(cè)應(yīng)用提供參考.

望遠(yuǎn)鏡,天體測(cè)量學(xué),天體力學(xué),方法:觀測(cè),數(shù)據(jù)分析

1 引言

航天發(fā)射活動(dòng)和空間突發(fā)事件日益頻繁,空間碎片數(shù)量急劇增加,嚴(yán)重威脅在軌航天器的安全飛行,成為了越來(lái)越嚴(yán)重的空間環(huán)境問(wèn)題.國(guó)外公布的目前在軌可跟蹤觀測(cè)的10厘米級(jí)大小以上空間碎片超過(guò)15000個(gè),據(jù)模型估計(jì)未被觀測(cè)到的厘米級(jí)空間碎片數(shù)量達(dá)數(shù)十萬(wàn).為防范空間碎片對(duì)在軌航天器的潛在威脅,必須對(duì)這些空間碎片進(jìn)行觀測(cè)并持續(xù)編目.

空間碎片的觀測(cè)手段分為地基和天基兩種,觀測(cè)設(shè)備主要有雷達(dá)和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡.天基觀測(cè)就是將觀測(cè)設(shè)備放在一個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)上,直接在空間中對(duì)空間碎片進(jìn)行觀測(cè).由于天基平臺(tái)雷達(dá)功率的限制,天基觀測(cè)作用距離有限,因此空間碎片編目觀測(cè)目前以發(fā)展天基光學(xué)觀測(cè)手段為主.又因?yàn)樘旎^測(cè)不受天氣、背景天光和地域等因素的限制,并且沒(méi)有白天黑夜的影響,可以進(jìn)行全天候的觀測(cè),所以天基觀測(cè)成為空間碎片觀測(cè)的一個(gè)重要發(fā)展方向.

本文研究了天基光學(xué)觀測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法,并據(jù)此通過(guò)編目表中的實(shí)際軌道數(shù)據(jù),分別對(duì)同步軌道碎片和低軌空間碎片觀測(cè)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出適合二者的最佳平臺(tái)設(shè)計(jì)方案,包括平臺(tái)的軌道設(shè)計(jì)、望遠(yuǎn)鏡指向以及平臺(tái)組網(wǎng)策略等.

2 空間碎片天基光學(xué)觀測(cè)

最早的天基光學(xué)觀測(cè)計(jì)劃是美國(guó)1996年發(fā)射的中段空間試驗(yàn)衛(wèi)星(MSX)上的天基可見(jiàn)光傳感器(SBV),它在同步軌道空間碎片觀測(cè)中發(fā)揮了重要作用.歐洲方面, ESA(歐洲航天局)在2003年也開(kāi)展了空間碎片天基觀測(cè)的研究,致力于跟蹤未被編目的毫米級(jí)碎片.另外加拿大于2013年發(fā)射的Sapphire太陽(yáng)同步衛(wèi)星,軌道高度約為786 km,可觀測(cè)6000至40000 km的中高軌碎片[1?4].通過(guò)空間碎片的天基觀測(cè),可以發(fā)現(xiàn)許多地基無(wú)法探測(cè)到的碎片,也對(duì)在編碎片的信息做了補(bǔ)充和完善.

本文研究的觀測(cè)方案目的主要是對(duì)在軌空間碎片編目維持,觀測(cè)方案需滿(mǎn)足編目定軌的數(shù)據(jù)采集需求,所以在選擇最佳天基觀測(cè)平臺(tái)時(shí),需考慮以下幾點(diǎn)因素:(1)觀測(cè)到的碎片足夠多;(2)觀測(cè)獲得的軌道資料較完整;(3)持續(xù)觀測(cè)性強(qiáng);(4)成本低.由于天基相對(duì)于地基造價(jià)較高,所以要盡量控制平臺(tái)數(shù)量及望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng),以最低的成本得到最優(yōu)的觀測(cè)結(jié)果.

2.1 平臺(tái)軌道

由于空間碎片大多分布在低軌及地球同步軌道帶,所以天基平臺(tái)一般置于近地軌道上2000 km高度以下的合適位置.這樣才能在較好的觀測(cè)條件下全面地監(jiān)控分散在空間中各個(gè)軌道上的碎片.

2.1.1 近圓小傾角軌道

近圓小傾角軌道是指軌道傾角和偏心率都接近于零的低軌軌道.對(duì)于GEO碎片的觀測(cè),可以將平臺(tái)置于低于GEO軌道高度、與其近似在同一平面內(nèi)的小傾角軌道上,望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)始終沿著平臺(tái)位置矢量指向GEO軌道,這樣觀測(cè)范圍幾乎可以覆蓋整個(gè)GEO帶,可觀測(cè)碎片數(shù)量多.但這種軌道方案中望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)區(qū)域不斷發(fā)生變化,觀測(cè)弧長(zhǎng)很短,另外由于望遠(yuǎn)鏡要對(duì)天安裝,也不能保證觀測(cè)位相[5].

2.1.2 近圓太陽(yáng)同步軌道

為了使望遠(yuǎn)鏡獲取更好、更穩(wěn)定的觀測(cè)條件,平臺(tái)的軌道平面與太陽(yáng)最好保持固定的取向.太陽(yáng)同步軌道則可以滿(mǎn)足這一要求.在這種軌道上運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星,從地球上看衛(wèi)星軌道平面在空間的移動(dòng)與太陽(yáng)向東運(yùn)動(dòng)同步,其軌道升交點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)速度與地球公轉(zhuǎn)的平運(yùn)動(dòng)速度始終相同.在給定軌道半長(zhǎng)徑a和軌道偏心率e的前提下,可以根據(jù)這一條件,確定軌道傾角i,使軌道平面的運(yùn)動(dòng)與太陽(yáng)保持同步.考慮主要攝動(dòng)因素J2情況下的計(jì)算公式為:

其中ns為地球公轉(zhuǎn)的平運(yùn)動(dòng)速度,J2為地球形狀力學(xué)因子,p為軌道曲線(xiàn)半通徑,p= a(1?e2)[6].軌道傾角通常是在90°到100°之間.所以要想在這種軌道上觀測(cè)分布在地球上空的碎片,最好將望遠(yuǎn)鏡大致垂直于軌道平面安裝,盡管這一方案只能觀測(cè)經(jīng)過(guò)某一固定區(qū)域的碎片,但顯然比小傾角軌道平臺(tái)的觀測(cè)弧長(zhǎng)要長(zhǎng)得多,有利于提高定軌精度.

2.2 碎片的可見(jiàn)條件

要使碎片被平臺(tái)觀測(cè)到,需滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件:

(1)碎片必須在視場(chǎng)范圍之內(nèi).也就是對(duì)于圓形視場(chǎng)需保證平臺(tái)和碎片的相對(duì)矢量與視場(chǎng)法向量的夾角小于視場(chǎng)角的一半.而對(duì)于一般的方形視場(chǎng),考慮這個(gè)夾角在兩個(gè)垂直的視場(chǎng)邊界面上的投影即可.

(2)由于碎片本身不發(fā)光,所以必須處于地影之外,被太陽(yáng)照亮,這樣望遠(yuǎn)鏡才能探測(cè)到被碎片反射的光線(xiàn).這里只需考慮柱形地影,如圖1.

圖1 地影與碎片位置關(guān)系Fig.1 Relation of earth shadow and deb ris’p osition

其中R為地球半徑,r為碎片的地心距,φ為當(dāng)碎片運(yùn)動(dòng)到地影邊界時(shí)與太陽(yáng)方向的夾角.當(dāng)碎片與太陽(yáng)方向的夾角小于φ時(shí),碎片在地影之外,具備可觀測(cè)條件[6].

(3)平臺(tái)與太陽(yáng)需處在最佳位相.望遠(yuǎn)鏡指向必須背對(duì)太陽(yáng)才能獲得更好的觀測(cè)條件,即保證視場(chǎng)方向與平臺(tái)和太陽(yáng)相對(duì)矢量的夾角大于90°.要設(shè)定合適的平臺(tái)升交點(diǎn)經(jīng)度,使得當(dāng)望遠(yuǎn)鏡垂直于軌道面安裝在軌道左側(cè)時(shí),平臺(tái)軌道的降交點(diǎn)地方時(shí)為18時(shí),安裝在右側(cè)時(shí),平臺(tái)軌道的降交點(diǎn)地方時(shí)為6時(shí),這樣可以保證穩(wěn)定的較好位相,提高望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)能力[5].

(4)空間碎片大小在望遠(yuǎn)鏡探測(cè)能力之內(nèi).模擬觀測(cè)結(jié)果時(shí)還需要考慮碎片大小與望遠(yuǎn)鏡探測(cè)星等及相對(duì)距離之間的關(guān)系.首先計(jì)算碎片到平臺(tái)的距離,利用(3)式得出望遠(yuǎn)鏡在該距離上能探測(cè)到的碎片的極限大小[5],與實(shí)際大小作比較,判斷碎片是否能被探測(cè)到.

其中D為碎片直徑(單位為m),m為望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)星等,由于天基平臺(tái)在建造上考慮到質(zhì)量等因素的影響,口徑較小,本文研究了20 cm口徑的天基望遠(yuǎn)鏡,極限探測(cè)星等在14 mag左右,ρ為碎片到平臺(tái)的距離(單位為100 km).位相和反照率對(duì)星等的影響可取固定數(shù)值進(jìn)行估算.

3 GEO碎片天基觀測(cè)方案

地球同步軌道(GEO)理論上是指與赤道面重合、軌道傾角為0°的圓形軌道,軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期同步,平均軌道高度為42164 km.但實(shí)際中由于引力場(chǎng)、太陽(yáng)光壓等攝動(dòng)的影響,GEO碎片的軌道傾角通常在±15°范圍內(nèi)波動(dòng),形成一個(gè)GEO環(huán)狀帶[7].

本文對(duì)在軌的1173個(gè)同步軌道帶的空間碎片做了研究,模擬了2015年1月8日的觀測(cè)結(jié)果,選擇觀測(cè)最佳方案.

3.1 太陽(yáng)同步軌道

對(duì)于太陽(yáng)同步軌道上的平臺(tái),將望遠(yuǎn)鏡安裝在右側(cè)時(shí),使降交點(diǎn)地方時(shí)在6時(shí)附近、升交點(diǎn)經(jīng)度在18°左右為宜.在一個(gè)定軌周期內(nèi)(一般小于7 d),由于太陽(yáng)同步軌道平臺(tái)只能觀測(cè)某一特定空域,觀測(cè)空域的限制將影響定軌的收斂性,從而影響定軌精度.為保證定軌精度,至少需要安放兩個(gè)平臺(tái),分別置于升交點(diǎn)經(jīng)度在10°和25°的位置上進(jìn)行觀測(cè).望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)取為10°×10°[8?10].

3.1.1 單個(gè)平臺(tái)觀測(cè)

太陽(yáng)同步軌道的高度通常在500–1800 km之間,對(duì)于升交點(diǎn)經(jīng)度為10°的平臺(tái),在不同高度上分別設(shè)定初始時(shí)刻的軌道根數(shù),計(jì)算出相應(yīng)的平臺(tái)軌道[11],得到觀測(cè)結(jié)果如圖2.

圖2 不同高度平臺(tái)的觀測(cè)碎片數(shù)(GEO)Fig.2 Am oun t of v isib le deb ris at d ifferen t a ltitudes(GEO)

可見(jiàn)為了使觀測(cè)碎片足夠多,選取平臺(tái)高度為900 km最為合適,此時(shí)觀測(cè)到的碎片總數(shù)為1065個(gè),如圖2所示.進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了此高度上平臺(tái)對(duì)單個(gè)碎片首次觀測(cè)開(kāi)始到末次觀測(cè)結(jié)束的時(shí)間間隔分布情況以及碎片被觀測(cè)次數(shù)的分布情況,結(jié)果見(jiàn)圖3.從圖中可以看出單個(gè)平臺(tái)首末次觀測(cè)時(shí)間間隔大多分布在1000 s以下,大部分目標(biāo)只能被觀測(cè)到一次.下文將與雙平臺(tái)觀測(cè)結(jié)果作比較.

圖3 900 km高度平臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果(GEO)Fig.3 Observational resu lts of p latform with an altitude of 900 km(GEO)

3.1.2 雙平臺(tái)組網(wǎng)觀測(cè)

在軌道高度為900 km、升交點(diǎn)經(jīng)度分別為10°和25°的位置上各安放一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行組網(wǎng)觀測(cè),獲取軌道帶兩個(gè)不同空域的資料,提高定軌精度.經(jīng)模擬得到可探測(cè)碎片數(shù)為1170個(gè),只有3個(gè)碎片無(wú)法被觀測(cè).單次觀測(cè)的平均時(shí)間約為13 m in.并且從圖4可以看出雙平臺(tái)組網(wǎng)對(duì)單個(gè)目標(biāo)首末次觀測(cè)平均時(shí)間間隔高達(dá)6 000 s,絕大多數(shù)目標(biāo)都能被觀測(cè)2–3次,與圖3比較,明顯優(yōu)于單平臺(tái)的觀測(cè)效果,可見(jiàn)平臺(tái)組網(wǎng)觀測(cè)的資料完整性明顯優(yōu)于單個(gè)平臺(tái)觀測(cè).

表1列出了3個(gè)未被觀測(cè)到的碎片的參數(shù).

經(jīng)分析,未被觀測(cè)到的可能原因有:(1)碎片的軌道傾角較大;(2)碎片的軌道面指向以及初始位置使得它無(wú)法在研究時(shí)間內(nèi)進(jìn)入平臺(tái)的視場(chǎng)范圍.

圖4 雙平臺(tái)組網(wǎng)的觀測(cè)結(jié)果(GEO)Fig.4 Observational resu lts of tw o p latform s(GEO)

表1 雙平臺(tái)組網(wǎng)未能探測(cè)的碎片(GEO)Tab le 1 Inv isib le deb ris with tw o p latfo rm s(GEO)

3.2 小傾角軌道

本文另外分析了近圓小傾角軌道上的平臺(tái)觀測(cè)情況.顯然采用此方案觀測(cè)GEO碎片,結(jié)果受軌道高度影響不大,所以只選取了平均軌道高度1200 km進(jìn)行研究.模擬得到采用這種方案可以觀測(cè)到所研究的全部GEO碎片,單次觀測(cè)的平均時(shí)間約為2–3m in.碎片觀測(cè)次數(shù)分布如圖5.

圖5 小傾角軌道平臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果(GEO)Fig.5 O bservational resu lts of p latform on sm a ll inclination orbit(GEO)

3.3 結(jié)論

比較太陽(yáng)同步軌道及小傾角軌道兩種方案得出,太陽(yáng)同步軌道在單次觀測(cè)資料完整性上優(yōu)勢(shì)較大,平均單次觀測(cè)時(shí)間遠(yuǎn)大于小傾角軌道,并且這種軌道可以保證最佳觀測(cè)位置.若觀測(cè)目的是對(duì)碎片全面監(jiān)控,獲取較多的觀測(cè)次數(shù),則選擇小傾角軌道更有利.

4 LEO碎片天基觀測(cè)方案

LEO的軌道高度通常在2000 km以下,由于離地球較近,絕大多數(shù)的人造天體都分布在這個(gè)軌道上,是空間碎片分布最密集的軌道.這一軌道上的碎片通常軌道傾角較大,運(yùn)動(dòng)速度較快,平均運(yùn)動(dòng)周期在90m in左右.

本文對(duì)編目表中的12036個(gè)LEO碎片做了研究,模擬了2015年1月8日至1月10日3 d內(nèi)的觀測(cè)結(jié)果,選擇最佳觀測(cè)方案.

為了獲得較好的觀測(cè)位相,平臺(tái)最佳軌道選用太陽(yáng)同步軌道.由于LEO碎片數(shù)量龐大,考慮到觀測(cè)效率以及成本等因素,將平臺(tái)放置在升交點(diǎn)經(jīng)度為上文所述18°的位置上以視場(chǎng)為10°×10°進(jìn)行觀測(cè).此外LEO碎片大多分布在近地區(qū)域內(nèi),將望遠(yuǎn)鏡指向略偏向地球方向安裝可以觀測(cè)到更多的碎片,且觀測(cè)的等效弧長(zhǎng)更長(zhǎng)[5].這個(gè)最佳偏轉(zhuǎn)角也是觀測(cè)平臺(tái)的重要參數(shù)之一,偏轉(zhuǎn)角的范圍要保證視場(chǎng)剛好不被地球遮擋,視場(chǎng)邊界在地球上空約200 km以上較為合適.

4.1 單個(gè)平臺(tái)觀測(cè)

本文研究了平臺(tái)軌道高度在500–1500 km范圍內(nèi)的觀測(cè)情況,模擬了望遠(yuǎn)鏡安裝在右側(cè)時(shí)不同高度、不同偏轉(zhuǎn)角上的觀測(cè)結(jié)果.對(duì)于單個(gè)平臺(tái),分別設(shè)定不同平臺(tái)初始時(shí)刻的軌道根數(shù),各自外推后觀測(cè)結(jié)果如圖6.

由于編目需要詳盡的觀測(cè)資料,所以應(yīng)盡可能多次連續(xù)觀測(cè)碎片,兼顧到可觀測(cè)碎片的總數(shù),可得到不同高度平臺(tái)的最佳望遠(yuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)角,圖6中用虛線(xiàn)標(biāo)出,歸納在表2.

圖6 不同平臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果(LEO).圓點(diǎn)表示可被觀測(cè)到的目標(biāo);方塊表示連續(xù)3 d被觀測(cè)到的目標(biāo).Fig.6 Observational resu lts of different p latform s(LEO).The filled circles ind icate ob jects w hich can be observed,and the squares ind icate ob jects w hich can be observed for 3 days.

對(duì)于觀測(cè)結(jié)果最好的1300 km高度、偏轉(zhuǎn)角為22°的平臺(tái),進(jìn)一步研究了10 d內(nèi)的觀測(cè)情況,各個(gè)碎片被觀測(cè)到的天數(shù)分布情況如圖7.可以看出對(duì)單個(gè)平臺(tái)而言,10 d內(nèi)可連續(xù)觀測(cè)到的碎片只占所有碎片的20%左右.無(wú)法連續(xù)觀測(cè)會(huì)對(duì)定軌精度產(chǎn)生較大的影響,為了獲取更完整的軌道資料需采取多平臺(tái)組網(wǎng)觀測(cè)的方式.

表2 不同高度平臺(tái)的最佳望遠(yuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)角(LEO)Tab le 2 O p tim al telescop e’s deflection ang les at d ifferen t a ltitudes(LEO)

圖7 碎片可見(jiàn)天數(shù)分布(LEO)Fig.7 V isib le tim e of deb ris(LEO)

4.2 平臺(tái)組網(wǎng)觀測(cè)

由于空間碎片數(shù)量龐大,要想進(jìn)行全面觀測(cè),需要多個(gè)平臺(tái)組網(wǎng)工作.本文對(duì)3個(gè)平臺(tái)組網(wǎng)進(jìn)行了研究,分別考慮了同高度組網(wǎng)和不同高度組網(wǎng)兩種情況.

4.2.1 同高度組網(wǎng)

分別選取500 km、900 km、1300 km這3個(gè)碎片分布比較集中的區(qū)域安放平臺(tái),望遠(yuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)角選取上文給出的最佳角度,對(duì)3個(gè)平臺(tái)軌道面內(nèi)間隔45°、90°和120°3種情況分別進(jìn)行模擬觀測(cè),結(jié)果如表3.

易見(jiàn)當(dāng)3個(gè)平臺(tái)間隔120°、均勻分布在軌道上時(shí),由于觀測(cè)范圍分布廣,觀測(cè)效果最好.其中,將3個(gè)平臺(tái)安放在1300 km處兩兩間隔120°可觀測(cè)到較多的碎片,并且觀測(cè)連續(xù)性較好,單次觀測(cè)時(shí)間也較長(zhǎng),可以獲得相對(duì)詳盡的觀測(cè)資料.進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)得到此方案下各個(gè)碎片離平臺(tái)的最近距離分布如圖8.

4.2.2 不同高度組網(wǎng)

將3個(gè)平臺(tái)分別置于500 km、900 km和1300 km處,望遠(yuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)角同樣選取上文給出的最佳角度,觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4和圖9.

表3 同高度組網(wǎng)的觀測(cè)結(jié)果(LEO)Tab le 3 Observationa l resu lts of the sam e a ltitude netw orks(LEO)

圖8 同高度組網(wǎng)碎片離平臺(tái)的最近距離分布情況(LEO)Fig.8 M in im um d istance from deb ris to p latform of netw ork with the sam e a ltitude(LEO)

Debris observed Debris observed for 3 days Average observing time/s Averagem inimum distance between p latform and debris/km 10627 6475 114.07 1435.31

圖9 不同高度組網(wǎng)碎片離平臺(tái)的最近距離分布情況(LEO)Fig.9 M inim um d istance from deb ris to p latform of netw ork with d ifferen t altitudes(LEO)

4.2.3 結(jié)論

比較1300 km同高度組網(wǎng)和不同高度組網(wǎng)兩種方案,可以看出后者由于各高度平臺(tái)可見(jiàn)區(qū)域的位置不同,增加了探測(cè)機(jī)會(huì),觀測(cè)到的碎片總數(shù)優(yōu)于前者.并且根據(jù)圖8和圖9,不同高度組網(wǎng)方案近距離觀測(cè)機(jī)會(huì)增多,可以更多地探測(cè)到比較微小的碎片.但是前者由于在相同的高度安放了多臺(tái)設(shè)備,對(duì)碎片的連續(xù)觀測(cè)性上占據(jù)優(yōu)勢(shì),定軌精度在某些情況下可能更高.

為了彌補(bǔ)不同高度組網(wǎng)在連續(xù)觀測(cè)上的不足,可將兩種方案進(jìn)行組合,采用不同高度多平臺(tái)的方式進(jìn)行觀測(cè),本文對(duì)在500 km、900 km和1300 km處均放置3個(gè)平臺(tái)的情況進(jìn)行了模擬,每個(gè)高度上的3個(gè)平臺(tái)都采用觀測(cè)效果最好的均勻分布方式,即兩兩間隔120°.觀測(cè)結(jié)果如表5.

表5 不同高度多平臺(tái)組網(wǎng)的觀測(cè)結(jié)果(LEO)Tab le 5 Observationa l resu lts of m u lti-p latform s for netw ork with d ifferen t altitudes (LEO)

采用這種在不同高度上安放多個(gè)平臺(tái)的組網(wǎng)方式,可以獲得比較完備的觀測(cè)結(jié)果,連續(xù)觀測(cè)的碎片數(shù)能達(dá)到80%以上.且能近距離觀測(cè)到更多的微小碎片.

對(duì)于剩下909個(gè)無(wú)法觀測(cè)到的碎片,進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了它們的軌道特點(diǎn).其軌道高度、軌道傾角和升交點(diǎn)經(jīng)度分布如圖10.

圖10 未被觀測(cè)碎片的軌道參數(shù)分布(LEO)Fig.10 T he d istribu tion of orb it param eters for inv isib le deb ris(LEO)

相同時(shí)段平臺(tái)的軌道高度分別為500 km、900 km、1300 km,軌道傾角在97°–100°范圍附近,升交點(diǎn)經(jīng)度為18°左右.對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)未被觀測(cè)到的絕大多數(shù)碎片的軌道參數(shù)都與平臺(tái)軌道參數(shù)接近,也就是和平臺(tái)近似在一個(gè)軌道平面內(nèi),所以無(wú)法進(jìn)入視場(chǎng).另外還有一些軌道高度高于平臺(tái)高度的碎片也難以進(jìn)入探測(cè)范圍.

5 總結(jié)與展望

本文通過(guò)數(shù)據(jù)模擬的方法得出空間碎片天基光學(xué)觀測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)的觀測(cè)方案,分別給出了LEO碎片和GEO碎片的平臺(tái)設(shè)計(jì)的觀測(cè)結(jié)果.下一步可以從數(shù)據(jù)分布的角度分析定軌精度、GEO目標(biāo)軌道的演化特征[12],以及平臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)空間碎片編目維持的穩(wěn)定性進(jìn)一步優(yōu)化平臺(tái)設(shè)計(jì)方案.

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表4不同高度組網(wǎng)的觀測(cè)結(jié)果(LEO)
Tab le 4 Observationa l resu lts of netw ork with d ifferen t altitudes(LEO)

The P latform Design of Space-based Op tical Observations of Space Deb ris

CHEN Bing-er1,2,3XIONG Jian-ning1,2

(1 Pu rp le M oun tain O bserva to ry,Chinese A cadem y of Scien ces,Nan jing 210008) (2 K ey Laboratory of Space Object and Debris Observation,Chinese Academ y of Scien ces,N an jing 210008) (3 Un iversity of Chinese Academ y of Scien ces,Beijing 100049)

The basic designmethod of the p latform for the space-based opticalobservationsofspace debris is introduced.Theobservation schemesofGEO(geosynchronous equatorialorbit)and LEO(low Earth orbit)debris are given respectively,including orbital parameters of platform s and pointing of telescopes,etc.Debris studied here is all from foreign catalog.According to the real orbit of space debris,the observational results of different schemes are simulated.By studying single p latform,the optimal observing altitude for GEO debrisand theoptimal telescope’sdeflection anglesat different altitudes for LEO debrisare given.According to these,multi-platforms observation networks are designed.By analyzing the advantages and disadvantages of each scheme, it can provide reference for the application of space-based optical debris observation.

telescopes,astrometry,celestialmechanics,methods:observational,data analysis

P171;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.02.010

2015-09-11收到原稿,2015-11-06收到修改稿

?chenbe@pmo.ac.cn