一种低轨多观测平台对GEO空间碎片的泛在感知观测方法技术

本发明专利技术公开了一种低轨多观测平台对GEO空间碎片的泛在感知观测方法，包括：在晨昏太阳同步轨道高度区间内，由相同轨道高度上运行的不同数量均匀分布的航天器作为观测平台，将观测平台上的星敏感器的光轴指向设置为一致，使其在GEO带上形成以90

【技术实现步骤摘要】
一种低轨多观测平台对GEO空间碎片的泛在感知观测方法


[0001]本专利技术属于空间态势感知
，涉及一种低轨多观测平台对GEO空间碎片的泛在感知观测方法。

技术介绍

[0002]地球同步轨道(Geosynchronous Orbit,GEO)空间碎片简称GEO空间碎片，本身并不发光，空间碎片的亮度主要依靠对太阳光的反射，从而能够被观测平台的星敏感器捕获，如图1所示。但由于空间碎片与观测平台在空间中的高速相对位置关系变化，使得空间碎片的光线入射角与出射角也呈现动态变化，星敏感器与航天器本体固连不能随动跟踪引起观测效能低，使得观测平台星敏感器的探测能力有限，无法实现对暗弱空间碎片的成像，也无法实现有强太阳光干扰情况下的成像，即无法实现对空间碎片的全时、全向观测。需要对观测位置作一定设计。
[0003]据忧思科学家联盟统计，截至2019年6月20日，我国现役LEO航天器179个，其中太阳同步轨道航天器132个，占比达到了74.3％。大量的太阳同步轨道航天器为基于星敏感器的空间碎片泛在感知构想的实现提供了可能。由于太阳同步轨道具有进动角速度与平太阳的周年视运动相等这一特性，使得太阳同步轨道始终保持在对空间碎片观测的有利位置上。相较而言，因星敏感器固定安装在卫星本体无法转动的特点，随着太阳的周年视运动，使得运行在其它轨道的航天器每年可开展观测活动的时段相对有限。空间碎片本身并不发光，依靠对太阳光的反射，在传感器中形成点像。泛在感知观测构型与空间碎片光度计算过程密切相关，计算过程如下：
[0004]双向反射分布函数BRDF是描述材质表面入射光和反射光关系的函数。常用于构建不同材料的散射特性模型，比漫反射拥有更高的准确度。BRDF表达式如下：
[0005][0006]其中，l为入射方向，v为出射方向，β
l
为入射角，β
v
为出射角，dL
v
为反射光在出射方向上的微分辐射率，dE
l
为入射方向上的微分辐照度。
[0007]太阳的光谱相当于温度为5900k的黑体辐射，深空中，可视太阳光为平行光源。因航天器在半影区的亮度可忽略不计，故以下分析只考虑地球本影的遮挡，而不考虑半影。对于太阳同步轨道而言，从地球北极俯视，观测平台、目标、太阳的空间关系如图2所示。太阳—空间碎片—观测平台之间的夹角称为相位角。
[0008]空间碎片的亮度计算分两步进行，首先以太阳为辐射源，计算空间碎片受到的辐照度以及反射的辐射出射度；而后以目标为辐射源，计算星敏感器接收到的目标辐照度。根据太阳的辐照度、目标的BRDF可做如下推导：
[0009]辐射通量密度与光的波长相关，太阳的辐射通量密度M可表示为：
[0010][0011]其中，c1＝3.741844
×
104(W
·
cm2·
μm4)为第一黑体辐射常量；c2＝1.438769(cm
·
K)为第二黑体辐射常量，λ为波长(μm)，T为热力学温度(K)。设太阳平均半径为R
sun
＝6.9599
×
105km，日地平均距离R
SE
＝1.4959787
×
108km，则日光到达地球大气层外边缘时的辐照度E
sun
可表示为：
[0012][0013]可见，辐照度和距离的平方成反比，距离辐射源越远，辐照度的衰减越大。由于GEO半径远小于日地距离，故该辐照度可近似等同于日光到达空间碎片时的辐照度。由于可见光波长大约在0.38μm到0.76μm之间，故在可见光波段内太阳的辐照度E
Vsun
为：
[0014][0015]设dA为空间碎片表面的单位面元，则目标的辐射强度可表示为：
[0016]I
v
＝dL
v
dAcosβ
v
＝E
Vsun
f
v
(l,v)cosβ
l
cosβ
v
dA
[0017]设R
TO
为目标到观测平台的距离，S
o
为星敏感器光学孔径面积，将目标视为辐射源，则进入星敏感器的全部辐射通量为：
[0018][0019]由辐照度的定义，可得空间碎片被星敏感器接收到的辐照度为：
[0020][0021]已知太阳的视星等为m
sun
＝
‑
26.74，空间碎片的视星等m
T
相对于太阳而言，与二者的辐照度的对数相关，可进一步得到目标的视星等具有如下表达式：
[0022][0023]其中，星等用于描述天体的明暗程度，星等值越小天体越明亮。本专利技术所指星等皆为视星等。
[0024]式中，∫
A
f
v
(l,v)cosθ
l
cosθ
v
dA即为空间碎片的光学横截面积(Optical Cross Section,OCS)，只与空间碎片本身的材质、形状、大小、光线的出射与入射角相关，而与太阳和星敏感器的具体参数无关。
[0025]OCS＝∫
A
f
v
(l,v)cosθ
l
cosθ
v
dA
[0026]基于上述计算模型做如下仿真：
[0027]从地球北极俯视，如图3所示，β为相位角，目标由西侧起始点运行12h至东侧终点，保证太阳和空间碎片分别位于平台轨道面的两侧，使观测平台始终处于对目标的有利观测位置上。
[0028]随着目标自西向东运动，目标星等仿真结果如图4a和图4b所示。图4a为夏至日GEO目标由西向东运动时，在星敏感器视场内星等的变化趋势，图4b为春分日对应的结果。首先，在OCS的计算时考虑太阳、空间碎片、观测平台三者在空间中的相对位置关系，但不考虑
地球本体遮挡，绘制了如图4a和图4b所示星等随时间的变化关系，而后考虑地球的遮挡，将地球遮挡了观测平台至目标之间视线的区间用虚线标注，将地球遮挡了目标的太阳光照的区间用点线标注，即目标进入地球本影区。
[0029]可以看到，当目标位于相位角接近90度的位置时(起始和终止位置附近)，目标亮度极低，但随着相位角减小，亮度很快提升，而后缓慢波动。若以12星等作为星敏感器可探测的星等门限值，则可探测弧段将覆盖仿真时段的近80％。
[0030]在上述空间碎片星等计算基础上，专利技术人提出了一种低轨多观测平台对GEO空间碎片的泛在感知观测方法。
[0031]本立体感知方法突出“泛在”性，所谓泛在即无所不在的，为扩展应用范围，降低门槛。泛在感知观测构型不局限于某种观测平台轨道，而是将不同轨道的航天器纳入可用的观测平台范畴。例如，一个运行在400km高度、倾角45
°
近圆轨道的航天器，在J2项摄动影响下，轨道面进动角速度为
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低轨多观测平台对GEO空间碎片的泛在感知观测方法，其中，低轨包括晨昏太阳同步轨道、非晨昏太阳同步轨道和倾斜轨道；其特征在于，该方法包括：步骤一、在晨昏太阳同步轨道高度区间内，由相同轨道高度上运行的不同数量均匀分布的航天器作为观测平台，将观测平台上的星敏感器的光轴指向设置为一致，使其在GEO带上形成以90
°‑
i赤纬上任意点为圆心，基于星敏感器的光轴指向构建的以能够覆盖到GEO带边界为半径的扫描圆；多个航天器在GEO带上的扫描轨迹叠加，实现对GEO空间碎片的泛在感知观测基础覆盖；其中，i为观测平台所在晨昏太阳同步轨道的轨道倾角；步骤二、非晨昏太阳同步轨道高度区间内的观测平台采用交叉观测模式，使非晨昏太阳同步轨道上的观测平台上的星敏感器指向所述观测平台所在轨道位置反向的扫描圆边界处，非晨昏太阳同步轨道星敏感器视场与晨昏太阳同步轨道星敏感器视场在扫描圆边界处相交的弧段内，形成对GEO空间碎片的泛在感知立体观测和基础覆盖补充；步骤三、设置倾斜轨道观测平台上的星敏感器光轴指向与地心到观测平台连线矢量不共线；倾斜轨道星敏感器视场与非晨昏太阳同步轨道星敏感器视场在扫描圆边界处相交的弧段内以及倾斜轨道星敏感器视场、非晨昏太阳同步轨道星敏感器视场与晨昏太阳同步轨道星敏感器视场在扫描圆边界处相交的弧段内，形成对GEO空间碎片的泛在感知观测基础覆盖的另一补充，与步骤一中晨昏太阳同步轨道观测平台和步骤二中非晨昏太阳同步轨道观测平台共同实现一天内对GEO空间碎片的泛在感知全覆盖和多重覆盖。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，相邻星敏感器所在的观测平台的距离差小于等于距离阈值。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，晨昏太阳同步轨道在300km～2000km高度区间内，轨道倾角i的变化范围在96.67
°
～104.89
°
之间，GEO带扫描圆圆心赤纬的值在
‑
14.89
°
～
‑
6.67
°
之间；GEO带，为以地球中心为球心，轨道高度36000km，赤纬由
‑
15
°
到+15
°
所涵盖的球面环状切面。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，观测平台上的星敏感器光轴指向包括仰角和方位角：在观测平台轨道坐标系O
s
X
o
Y
o
Z
o
中，星敏感器的光轴L
obs
与观测平台轨道子坐标系Z
o
O
s
Y
o
平面的夹角为方位角A
z
，在观测平台轨道子坐标系Z
o
O
s
Y
o
平面的投影与Y
o
轴负方向的夹角为仰角E
l
，靠近Z
o
轴正向为负，反之为正；其中，所述观测平台的星敏感器光轴指向最佳仰角为星敏感器对GEO带的全覆盖时长最短的临界值的仰角；最佳方位角为星敏感器对GEO带的全覆盖时长最短的临界值的方位角。5.如权利要求1
‑
4之一所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，星敏感器光轴指向中的仰角E
l
和方位角A
z
均不为0
°
时，由仰角E
l
和方位角A
z
计算的扫描圆半径R
s
为：其中，为星敏感器光轴指向中的仰角E
l
和方位角A
z
均不为0
°
时，由仰角E
l
和方位角
A
z
计算的扫描圆的半径；表示GEO带上E2点到D2点的距离；其中，D2为天球坐标系中X轴与天赤道的交点，E2为星敏感器光轴在XO
E
Y平面上的投影与天赤道的交点；O
E
为地球质心；R
s1
为星敏感器光轴指向中的方位角A
z
＝0
°
时，由仰角E
l

【专利技术属性】
技术研发人员：冯飞，李智，邢飞，薛莉，宋翊宁，陶雪峰，赵迪，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三九二一部队，
类型：发明
国别省市：