國外地球同步軌道目標(biāo)天基光學(xué)監(jiān)視策略

2017-06-07 08:24:31牛照東潘嘉蒙陳曾平

中國光學(xué) 2017年3期

牛照東，汪琳，段宇，潘嘉蒙，陳曾平

(1.國防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410073; 2.裝甲兵工程學(xué)院技術(shù)保障工程系，北京 100072)

牛照東1*，汪琳2，段宇1，潘嘉蒙1，陳曾平1

(1.國防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410073; 2.裝甲兵工程學(xué)院技術(shù)保障工程系，北京 100072)

空間目標(biāo)觀測策略是決定天基光學(xué)監(jiān)視系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，本文對國外已服役和在研的GEO目標(biāo)天基光學(xué)監(jiān)視系統(tǒng)及其觀測策略進(jìn)行了討論。首先，概述了GEO目標(biāo)天基光學(xué)監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展歷程；然后，簡要分析了GEO目標(biāo)的軌道特性，并在此基礎(chǔ)上討論了主流的GEO目標(biāo)監(jiān)視策略；最后，針對近年來呈現(xiàn)出的監(jiān)視系統(tǒng)小型化和自主運(yùn)行的發(fā)展趨勢，對SBO載荷與3U CubeSat星座的目標(biāo)監(jiān)視性能進(jìn)行了仿真評估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SBO載荷和CubeSat衛(wèi)星均可探測1 m直徑的GEO目標(biāo)，單顆SBO載荷探測GEO目標(biāo)比例大于51%，觀測弧長和重訪周期分別約1.2°和1.5天，CubeSat星座則可探測超過90%的GEO目標(biāo)，平均觀測弧長和重訪周期分別大于67.1°和小于0.4天。由此可見微小衛(wèi)星通過組網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)對GEO目標(biāo)的獨(dú)立自主監(jiān)視。

地球同步軌道目標(biāo)；空間監(jiān)視；天基光學(xué)監(jiān)視；微小衛(wèi)星

1 引言

自從1957年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星以來，人類從未停止探索并利用浩瀚太空的步伐。特別是在現(xiàn)代航天與信息技術(shù)的推動作用下，應(yīng)用衛(wèi)星在導(dǎo)航與通訊、地球觀測與遙感、氣象預(yù)報(bào)、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、偵察與預(yù)警等民用和軍事任務(wù)中發(fā)揮了不可替代的作用。然而人類在開展空間活動的同時(shí)，也產(chǎn)生了數(shù)以億計(jì)的空間碎片，它們不僅占用了軌道資源，而且嚴(yán)重威脅著航天資產(chǎn)的安全，至今已發(fā)生多起空間目標(biāo)碰撞事件[1-3]。

為了應(yīng)對日益嚴(yán)峻的空間安全環(huán)境，航天大國均在積極發(fā)展空間目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)，通過雷達(dá)和光電傳感器對空間目標(biāo)進(jìn)行探測和精密定軌，實(shí)現(xiàn)對空間目標(biāo)的全面編目與管理，增強(qiáng)對空間目標(biāo)碰撞事件的預(yù)警能力。對于地球同步軌道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)目標(biāo)，目前主要采用光學(xué)監(jiān)視手段，按照平臺位置的不同，可分為地基光學(xué)監(jiān)視和天基光學(xué)監(jiān)視兩種方式。與傳統(tǒng)的地基監(jiān)視手段相比，天基監(jiān)視布站不受地理位置約束，可實(shí)現(xiàn)對地球同步目標(biāo)的全面覆蓋；不受云、雨、霧等氣象條件影響，可全天時(shí)全天候工作；空間環(huán)境不存在大氣擾動和天光背景影響，目標(biāo)探測靈敏度大大提高[4]。

由于天基光學(xué)監(jiān)視所特有的技術(shù)優(yōu)勢，發(fā)達(dá)國家投入了大量的研發(fā)精力，并取得了豐碩的成果。1996年，美國在“空間中段實(shí)驗(yàn)”(Midcourse Space Experiment,MSX)衛(wèi)星上搭載了天基可見光(Space-Based Visible, SBV)相機(jī)[5-8]，首次驗(yàn)證了對GEO目標(biāo)的天基監(jiān)視編目能力，SBV相機(jī)于2000年成為空間監(jiān)視網(wǎng)(Space Surveillance Network,SSN)的工作傳感器。之后美國于2010年發(fā)射了SBSS 10衛(wèi)星接替退役的MSX衛(wèi)星[9]，大大提升對GEO目標(biāo)的監(jiān)視性能。為降低天基空間監(jiān)視成本，加拿大首先于2005年使用MOST微型衛(wèi)星成功進(jìn)行了GPS衛(wèi)星觀測試驗(yàn)[10]，開啟了微小監(jiān)視衛(wèi)星的研發(fā)序幕，之后于2013年發(fā)射了Sapphire[11-13]和NEOSSat[14-16]微小衛(wèi)星。2007年，德國開始了AsteroidFinder載荷研發(fā)計(jì)劃[17-18]，美國則在2009年啟動了JMAPS研發(fā)任務(wù)[19-20]。近年來為實(shí)現(xiàn)微小衛(wèi)星的自主監(jiān)視，歐洲航天局(European Space Agency,ESA)論證了天基光學(xué)(Space-based Optical,SBO)載荷從低軌監(jiān)視GEO目標(biāo)的可行性[21-22]。美國洛克希德·馬丁公司設(shè)計(jì)了一種3U CubeSat星座從GEO墳?zāi)管壍辣O(jiān)視地球同步目標(biāo)[23-24]。

毋庸置疑，目標(biāo)觀測策略是決定上述系統(tǒng)監(jiān)視GEO目標(biāo)性能優(yōu)劣的一項(xiàng)關(guān)鍵因素，本文結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)視系統(tǒng)對GEO目標(biāo)天基光學(xué)監(jiān)視策略進(jìn)行了綜述。文章第二部分回顧了GEO目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展概況。第三部分介紹了GEO目標(biāo)軌道特點(diǎn)以及主流的天基光學(xué)監(jiān)視策略。第四部分討論了監(jiān)視系統(tǒng)的探測性能，特別針對微小衛(wèi)星自主監(jiān)視的發(fā)展趨勢，對SBO載荷和3U CubeSat星座的監(jiān)視性能進(jìn)行了仿真和對比分析。最后對全文工作進(jìn)行了總結(jié)。

2 天基光學(xué)監(jiān)視衛(wèi)星發(fā)展概況

2.1 大型監(jiān)視衛(wèi)星

早在上世紀(jì)80年代，美國就著手開始了空間目標(biāo)天基光學(xué)監(jiān)視關(guān)鍵技術(shù)研究工作，并在1996年4月發(fā)射的MSX衛(wèi)星上搭載了全球首部空間目標(biāo)監(jiān)視成像器——SBV傳感器[6-7]，如圖1所示。MSX衛(wèi)星運(yùn)行于898 km高度太陽同步軌道(Sun Synchronous Orbit,SSO)，SBV載荷視場角為6.6°×1.4°，口徑15 cm。發(fā)射后長達(dá)18個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，SBV傳感器成功驗(yàn)證了離軸雜散光抑制、低噪聲焦平面陣列成像、在軌實(shí)時(shí)信號處理等一系列天基光學(xué)監(jiān)視關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)驗(yàn)表明SBV傳感器具有光學(xué)測量精度高、目標(biāo)搜索視場大的優(yōu)勢，能顯著提高對GEO目標(biāo)的編目管理能力。

圖1 SBV傳感器 Fig.1 SBV sensor

由于SBV成像器固定安裝在衛(wèi)星平臺上，需要通過調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)來搜索目標(biāo)，嚴(yán)重影響了監(jiān)視系統(tǒng)的工作效率。1997年10月，美國國防部啟動了為期三年的先進(jìn)概念技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃[8]，進(jìn)一步優(yōu)化了目標(biāo)監(jiān)視策略、衛(wèi)星姿態(tài)控制和星載信號處理性能，單日監(jiān)視GEO目標(biāo)的數(shù)量增加到400個(gè)，目標(biāo)探測星等約15 mag。SBV載荷于2000年10月正式加入SSN監(jiān)視網(wǎng)，成為深空目標(biāo)監(jiān)視的重要力量。SBV傳感器的巨大成功引發(fā)了空間目標(biāo)天基光學(xué)監(jiān)視領(lǐng)域的研究熱潮。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)對太空的實(shí)時(shí)態(tài)勢感知能力，美國于2004年啟動了SBV傳感器的延續(xù)項(xiàng)目——SBSS計(jì)劃，計(jì)劃分兩個(gè)階段實(shí)施，第一階段于2010年9月發(fā)射一顆SBSS Block 10空間監(jiān)視衛(wèi)星[9]，如圖2所示，用于接替已于2008年6月退役的MSX衛(wèi)星。SBSS Block 10監(jiān)視衛(wèi)星運(yùn)行于630 km高度的SSO軌道，離軸三反望遠(yuǎn)鏡口徑增大到30 cm，CCD像元數(shù)提高到240萬個(gè)，相機(jī)安裝在兩軸萬向節(jié)上，可覆蓋四分之三的空域范圍(立體角3π sr)。Block 10衛(wèi)星的監(jiān)視性能顯著提升，可實(shí)時(shí)監(jiān)控從近地到深空的人造目標(biāo)，并聯(lián)合SSN監(jiān)視網(wǎng)完成空間目標(biāo)編目定軌、機(jī)動檢測和碰撞預(yù)警。

圖2 SBSS Block 10空間監(jiān)視衛(wèi)星 Fig.2 SBSS Block 10 space surveillance satellite

SBSS項(xiàng)目原定第二階段還將部署4顆Block 20衛(wèi)星，組建空間監(jiān)視衛(wèi)星星座。但是處于對系統(tǒng)研制成本的顧慮，后續(xù)研制計(jì)劃一再延遲。2014年9月，美國空軍空間司令部在AMOS會議上透露SBSS項(xiàng)目后續(xù)將使用三顆小型LEO衛(wèi)星監(jiān)視地球同步目標(biāo)，預(yù)計(jì)2017年將發(fā)射一顆MIT林肯實(shí)驗(yàn)室研制的試驗(yàn)衛(wèi)星SensorSat來驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)，工作衛(wèi)星最早將于2022年發(fā)射。SBSS計(jì)劃的變更預(yù)示著空間監(jiān)視衛(wèi)星在朝低成本小型化方向發(fā)展。

2.2 指令觀測微小衛(wèi)星

鑒于微小衛(wèi)星的低成本優(yōu)勢，加拿大非常重視發(fā)展基于微小衛(wèi)星平臺的天基光學(xué)監(jiān)視技術(shù)。從2004年開始加拿大空間局(Canadian Space Agency,CSA)和國防研究與發(fā)展中心(Defence R&D Canada,DRDC)聯(lián)合在MOST衛(wèi)星上進(jìn)行深空目標(biāo)觀測試驗(yàn)[10]，MOST衛(wèi)星是2003年6月發(fā)射的天文科學(xué)實(shí)驗(yàn)微型衛(wèi)星，用于對恒星進(jìn)行長時(shí)間高精度的光度測量，衛(wèi)星重量僅54 kg，運(yùn)行在830 km高度的SSO軌道，軌道傾角98°，相機(jī)光學(xué)口徑15 cm。在數(shù)次嘗試之后，終于在2005年10月成功探測到GPS IIR-11和GPS IIR-04衛(wèi)星，這是全球首次使用微型衛(wèi)星對深空目標(biāo)的探測試驗(yàn)，極大地支撐了后續(xù)空間監(jiān)視微小衛(wèi)星的開發(fā)計(jì)劃。

2007年，加拿大國防部啟動了Sapphire衛(wèi)星研制計(jì)劃[11-13]，衛(wèi)星于2013年2月發(fā)射升空，重量150 kg，運(yùn)行在786 km高度的SSO晨昏軌道，如圖3所示。相機(jī)固定安裝在衛(wèi)星上，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)類似SBV載荷，口徑15 cm，視場角1.4°×1.4°，采用目標(biāo)跟蹤模式探測空間目標(biāo)，對6 000 km到40 000 km高度的深空目標(biāo)具有良好的探測能力，探測星等能力為15 mag，單日觀測目標(biāo)數(shù)量超過375個(gè)。依照加拿大和美國在2012年5月4日簽署的諒解備忘錄，Sapphire衛(wèi)星將加入SSN網(wǎng)絡(luò)，每日按照美國指控中心的指令觀測深空目標(biāo)，并將觀測數(shù)據(jù)共享給SSN網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)兩國對空間資產(chǎn)與碎片發(fā)生碰撞的預(yù)警和規(guī)避能力。在制造Sapphire衛(wèi)星的同時(shí)，DRDC與CSA成立了聯(lián)合項(xiàng)目辦公室合作研發(fā)NEOSSat微型衛(wèi)星[14-16]，如圖4所示。DRDC將驗(yàn)證微型衛(wèi)星執(zhí)行深空目標(biāo)監(jiān)視的可行性，而CSA則使用該衛(wèi)星探測編目近地軌道小行星。NEOSSat衛(wèi)星與Sapphire衛(wèi)星同時(shí)發(fā)射，運(yùn)行軌道與Sapphire相同，重量僅74 kg，光學(xué)系統(tǒng)口徑15 cm，視場角0.85°×0.85°，對GEO目標(biāo)的探測星等約為13.5 mag。NEOSSat衛(wèi)星將為加拿大的下一代天基空間監(jiān)視系統(tǒng)提供技術(shù)儲備。

圖4 NEOSSat微型空間監(jiān)視驗(yàn)證衛(wèi)星 Fig.4 NEOSSat space surveillance demonstration microsatellite

2009年，美國海軍部啟動了JMAPS項(xiàng)目[19-20]，計(jì)劃使用小型光學(xué)觀測衛(wèi)星完成對全空域恒星的天文與光度測量及編目，該任務(wù)由美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室和海軍天文臺聯(lián)合承擔(dān)。衛(wèi)星設(shè)計(jì)運(yùn)行軌道為900 km高度SSO晨昏軌道，衛(wèi)星重約180 kg，體積96.5 cm×71 cm×61 cm，光學(xué)系統(tǒng)口徑19 cm，視場為1.24°×1.24°，CCD像元數(shù)量約為8k×8k，對星等高于12 mag的恒星測量精度優(yōu)于1 mas。在進(jìn)行天體測量的同時(shí)，美國還計(jì)劃將兩顆JMAPS衛(wèi)星組網(wǎng)，來配合SBSS系統(tǒng)對GEO目標(biāo)實(shí)施監(jiān)視，在SBSS衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)新目標(biāo)后，由JMAPS衛(wèi)星負(fù)責(zé)進(jìn)行高精度測量和實(shí)時(shí)定軌。然而由于經(jīng)費(fèi)預(yù)算的壓縮，2011年12月，海軍部暫停了該項(xiàng)目，但據(jù)報(bào)道關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)工作仍在繼續(xù)進(jìn)行。

2.3 自主監(jiān)視微小衛(wèi)星

圖5 SBO載荷望遠(yuǎn)鏡圖 Fig.5 Telescope of the SBO payload

隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的不斷成熟，歐洲和美國都在論證建設(shè)能夠自主編目的微小衛(wèi)星監(jiān)視系統(tǒng)。2003年到2005年，ESA啟動了“空間碎片天基光學(xué)觀測”研究計(jì)劃[21]，目的是拓展對毫米和厘米級小尺寸空間碎片的認(rèn)識，建立碎片數(shù)量和尺寸分布的物理模型。芬蘭ASRO公司、瑞士伯爾尼大學(xué)天文學(xué)院和荷蘭國家航空航天實(shí)驗(yàn)室組建了聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，針對LEO和GEO空間碎片，設(shè)計(jì)了可行的目標(biāo)觀測策略和SBO載荷結(jié)構(gòu)。2007年以來，ESA開始對SBO載荷用于GEO空間監(jiān)視的可行性進(jìn)行論證[22]，計(jì)劃將SBO探測器作為次要載荷安裝在對地觀測衛(wèi)星上，衛(wèi)星運(yùn)行軌道為800 km高度SSO圓軌道，升交點(diǎn)地方時(shí)為早上6∶00。載荷采用45°折疊式施密特望遠(yuǎn)鏡，口徑為20 cm，視場為6°，f/D=2.05，如圖5所示，相機(jī)分辨率為2k×2k，整機(jī)尺寸105 cm×70 cm×35 cm，重量為33 kg。研究表明當(dāng)望遠(yuǎn)鏡安裝方位角為90°，俯仰角為0°到5°時(shí)，對GEO同步帶能實(shí)現(xiàn)良好覆蓋，可探測1 m直徑的同步目標(biāo)，重訪周期為1.5到3天。

圖6 3U CubeSat衛(wèi)星示意圖 Fig.6 3U CubeSat concept design

美國洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司在GEO空間態(tài)勢感知系統(tǒng)建設(shè)中重點(diǎn)關(guān)注低成本的立方體衛(wèi)星[23-24]，其設(shè)計(jì)的監(jiān)視衛(wèi)星星座計(jì)劃由27顆3U CubeSat組成，如圖6所示，運(yùn)行在GEO墳?zāi)管壍郎希员苊庖蛟O(shè)備故障產(chǎn)生新的碎片。每顆衛(wèi)星上固定安裝一臺小型望遠(yuǎn)鏡，口徑5 cm，視場角30°，重量2 kg，衛(wèi)星將隨太陽相位角變化調(diào)整姿態(tài)使得望遠(yuǎn)鏡沿軌道方向朝前或朝后凝視GEO同步帶。望遠(yuǎn)鏡對1 m直徑目標(biāo)的探測距離約為5 000 km，單日內(nèi)對GEO目標(biāo)的覆蓋率約為79.2%，三日內(nèi)目標(biāo)平均最大重訪間隔約為30 h。衛(wèi)星設(shè)計(jì)使用壽命為1年。

3 GEO目標(biāo)觀測策略分析

3.1 GEO目標(biāo)軌道特性

GEO目標(biāo)通常定義為半長軸在(42 164±2 000) km以內(nèi)的近圓軌道人造物體[25]，目前在軌編目的GEO目標(biāo)數(shù)量為一千余顆，其中約包含工作衛(wèi)星493顆(UCS衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫)，GEO目標(biāo)軌道參數(shù)分布情況如圖7所示。日月引力和地球扁率攝動會在GEO目標(biāo)軌道面上產(chǎn)生力矩，使其軌道面沿赤道進(jìn)動，進(jìn)動旋轉(zhuǎn)軸與赤道面法線夾角約為7.5°，進(jìn)而使得軌道傾角和升交點(diǎn)赤經(jīng)(Right Ascension of the Ascending Note,RAAN)發(fā)生周期性變化，軌道傾角變化范圍為0°到15°，變化周期約為53年。為了對抗攝動力，地球靜止軌道衛(wèi)星需要不斷進(jìn)行軌道機(jī)動來維持0°傾角，而失效衛(wèi)星以及其它空間碎片的軌道則會按照圖8所示規(guī)律進(jìn)行周期性演變[8]。

圖7 GEO目標(biāo)軌道半長軸和偏心率分布情況 Fig.7 Semi major axis and eccentricity distribution of GEO objects

圖8 GEO目標(biāo)軌道傾角和升交點(diǎn)赤經(jīng)演變規(guī)律 Fig.8 Inclination and RAAN evolution rule of GEO objects

3.2 指令觀測模式

Sapphire、NEOSSat等監(jiān)視衛(wèi)星接收地面控制中心制定的觀測指令，調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)使得相機(jī)對準(zhǔn)待跟蹤目標(biāo)將出現(xiàn)的空域，并按照設(shè)定的曝光時(shí)間拍攝目標(biāo)，然后控制衛(wèi)星姿態(tài)對其它目標(biāo)切換觀測。監(jiān)視衛(wèi)星拍攝目標(biāo)主要有兩種方式：一是目標(biāo)跟蹤方式，相機(jī)曝光時(shí)需要控制衛(wèi)星姿態(tài)或相機(jī)指向來補(bǔ)償已知目標(biāo)的運(yùn)動，使得空間目標(biāo)在圖像中為點(diǎn)像，這種方式有利于目標(biāo)能量累積探測和高精度定位。另一種是恒星跟蹤模式，通過補(bǔ)償恒星運(yùn)動使得其在圖像中為點(diǎn)像，而目標(biāo)則形成條紋，該方式對監(jiān)視系統(tǒng)跟蹤性能要求低。指令觀測模式通常只用于已知目標(biāo)的編目維持，不適合發(fā)現(xiàn)新目標(biāo)。

3.3 同步帶掃描模式

圖9 GEO目標(biāo)軌跡匯聚的收縮點(diǎn)區(qū)域[8] Fig.9 Pinch-point region with a high concentration of GEO objects[8]

林肯實(shí)驗(yàn)室學(xué)者認(rèn)為GEO目標(biāo)的軌道攝動特性使得它們會在24 h內(nèi)穿越天球坐標(biāo)系中0°赤緯65°赤經(jīng)和0°赤緯245°赤經(jīng)附近的兩個(gè)區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域被稱為“收縮點(diǎn)”區(qū)域，如圖9所示發(fā)散的GEO目標(biāo)軌跡在“收縮點(diǎn)”區(qū)域會形成匯聚。利用這一特點(diǎn)，SBV載荷每日按照固定時(shí)間間隔對“收縮點(diǎn)”區(qū)域進(jìn)行12次掃描觀測，每次掃描在赤經(jīng)方向覆蓋范圍為30°，在赤緯方向覆蓋范圍為3°，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)GEO軌道帶的覆蓋監(jiān)視，掃描模式參見圖10。這種策略的目標(biāo)監(jiān)視效率可觀，但對平臺控制提出了很高的要求，此外隨著時(shí)間的演變，GEO目標(biāo)升交點(diǎn)赤經(jīng)的取值范圍在逐漸增大，“收縮點(diǎn)”匯聚區(qū)域也相應(yīng)擴(kuò)大，“收縮點(diǎn)”觀測策略將難以覆蓋到所有的GEO目標(biāo)。

圖10 SBV載荷“收縮點(diǎn)”搜索模式示意圖[8] Fig.10 Pinch-point searching mode of the SBV payload[8]

低成本微小衛(wèi)星巡天監(jiān)視GEO目標(biāo)時(shí)，通常固定安裝望遠(yuǎn)鏡以自然交會方式進(jìn)行觀測，此時(shí)需要結(jié)合平臺軌道特點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡安裝方式。例如ESA科學(xué)家設(shè)想將SBO望遠(yuǎn)鏡固定安裝在對地定向的SSO晨昏軌道衛(wèi)星上，觀測視場背離太陽對準(zhǔn)地球同步軌道帶，隨著衛(wèi)星運(yùn)動望遠(yuǎn)鏡可實(shí)現(xiàn)對GEO目標(biāo)的全面覆蓋，圖11給出了SBO望遠(yuǎn)鏡安裝方位角為90°俯仰角為-5°時(shí)在一天時(shí)間內(nèi)對地球同步軌道帶的覆蓋區(qū)域。這種監(jiān)視策略不用調(diào)整望遠(yuǎn)鏡姿態(tài)，并且具有良好的太陽相位角，特別適合低成本微小監(jiān)視衛(wèi)星的應(yīng)用需求。

圖11 SBO望遠(yuǎn)鏡覆蓋的地球同步軌道帶區(qū)域 Fig.11 Covered region in the GEO belt from the SBO telescope

美國洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司則將27顆3U CubeSat組成微型衛(wèi)星監(jiān)視星座，運(yùn)行在GEO上方500 km高的墳?zāi)管壍溃扇Φ囟ㄏ蚍绞剑款w衛(wèi)星上固定安裝一臺小口徑大視場望遠(yuǎn)鏡。衛(wèi)星將依據(jù)太陽相位角調(diào)整姿態(tài)使得望遠(yuǎn)鏡沿飛行方向朝前或朝后監(jiān)視GEO軌道，圖12展示了CubeSat星座配置和目標(biāo)監(jiān)視場景。這種監(jiān)視策略對GEO目標(biāo)的覆蓋時(shí)間長，但觀測相位條件不可控。

圖12 3U CubeSat星座結(jié)構(gòu)和GEO目標(biāo)監(jiān)視場景 Fig.12 3U CubeSat constellation architecture and GEO objects surveillance scenario

4 目標(biāo)監(jiān)視性能評估

早期的天基光學(xué)監(jiān)視系統(tǒng)主要配合地面觀測網(wǎng)絡(luò)完成重點(diǎn)GEO目標(biāo)的日常觀測，望遠(yuǎn)鏡視場不大，探測星等約15 mag，單日觀測量為數(shù)百個(gè)目標(biāo)。隨著衛(wèi)星和載荷技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來呈現(xiàn)出微小衛(wèi)星自主監(jiān)視的發(fā)展趨勢，對此，本文使用STK軟件對SBO載荷和3U CubeSat星座的監(jiān)視性能進(jìn)行仿真評估，仿真場景中包含的GEO目標(biāo)數(shù)量為1 150個(gè)。設(shè)定的4個(gè)典型場景時(shí)間為2015年3月19日0點(diǎn)到23日24點(diǎn)(春分)、6月19日0點(diǎn)到23日24點(diǎn)(夏至)、9月19日0點(diǎn)到23日24點(diǎn)(秋分)以及12月19日0點(diǎn)到23日24點(diǎn)(冬至)。仿真評估的性能指標(biāo)有監(jiān)視系統(tǒng)探測星等和尺寸、目標(biāo)覆蓋和探測數(shù)量、重訪周期和觀測弧長等。

4.1 目標(biāo)探測星等與尺寸

圖13 SBO觀測GEO目標(biāo)的距離和角速度分布 Fig.13 Distance and angular velocity distribution of GEO objects detected by the SBO sensor

圖14 不同星等GEO目標(biāo)成像SNR隨天光背景星等變化 Fig.14 SNR of GEO object with different visual magnitude as function of sky background brightness

假定目標(biāo)是反射系數(shù)為0.2的朗伯散射球體，當(dāng)目標(biāo)極限探測星等為15.5 mag時(shí)，不同太陽相位角條件下SBO載荷探測GEO目標(biāo)的直徑隨觀測距離的變化情況如圖15所示。從圖中可以看出，即便在最惡劣的太陽相位條件和最遠(yuǎn)的觀測距離下，SBO載荷依然能夠探測直徑小于0.9 m的GEO目標(biāo)。

圖15 不同太陽相位角時(shí)SBO探測目標(biāo)直徑隨觀測距離變化 Fig.15 Diamater of spherical object detected by the SBO sensor under different phase angle as function of distance

美國洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司披露有限的資料顯示3U CubeSat搭載5 cm口徑30°寬視場望遠(yuǎn)鏡，其對1 m直徑反射系數(shù)為0.2的朗伯散射球體的探測距離預(yù)計(jì)為5 000 km[24]。按照目標(biāo)探測星等模型可以推算出3U CubeSat在其它觀測距離下的目標(biāo)探測能力，如圖16所示。

圖16 不同觀測距離下3U CubeSat衛(wèi)星載荷探測目標(biāo)直徑 Fig.16 Diamater of spherical object detected by the 3U CubeSat as function of distance

4.2 覆蓋與探測目標(biāo)數(shù)量

望遠(yuǎn)鏡成功覆蓋GEO目標(biāo)必須滿足以下約束條件：太陽與望遠(yuǎn)鏡視線夾角足夠大、目標(biāo)出現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡視場中且不能位于地影區(qū)域。進(jìn)一步結(jié)合傳感器的星等探測能力，可以估計(jì)出SBO載荷和3U CubeSat星座對GEO目標(biāo)的探測數(shù)量。表1給出了單顆SBO載荷和27星3U CubeSat星座在春分、夏至、秋分和冬至四個(gè)典型時(shí)間段內(nèi)對GEO目標(biāo)的覆蓋和探測情況，從表中可以看出，SBO載荷性能優(yōu)良，只是受限于望遠(yuǎn)鏡的視場和數(shù)量，對GEO目標(biāo)的覆蓋和探測存在季節(jié)性起伏。比較而言CubeSat星座能夠全季節(jié)覆蓋GEO目標(biāo)，但由于難以探測到直徑在60cm以下的目標(biāo)，因而探測數(shù)量比覆蓋數(shù)量下降約6.5%。

表1 SBO載荷與CubeSat星座覆蓋和探測GEO目標(biāo)的數(shù)量

4.3 重訪周期與觀測弧長

圖17展示了SBO載荷與CubeSat星座對每個(gè)GEO目標(biāo)的平均觀測弧長和重訪周期，其中SBO載荷對GEO目標(biāo)的觀測弧長集中分布在0.8°到1.6°之間，重訪周期平均值小于1.5天，對絕大多數(shù)目標(biāo)的重訪周期不超過2天。由于CubeSat軌道接近GEO軌道，因而對目標(biāo)具有極長的覆蓋時(shí)間，春分和秋分時(shí)段目標(biāo)平均觀測弧長分別為68.2°和67.1°，夏至和冬至?xí)r段目標(biāo)平均觀測弧長則分別達(dá)到115.7°和114.0°。同時(shí)由于CubeSat星座包含的衛(wèi)星數(shù)量龐大，對GEO目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)快速重訪，各時(shí)間段的平均重訪時(shí)間均小于0.4天。CubeSat監(jiān)視系統(tǒng)具備的長弧段觀測和短周期重訪特性對于實(shí)現(xiàn)GEO目標(biāo)編目維護(hù)與空間突發(fā)事件的快速響應(yīng)有極大裨益。

圖17 SBO載荷與CubeSat星座對GEO目標(biāo)觀測弧長和重訪周期 Fig.17 Covered arc length and reacquisition period of GEO objects detected by the SBO payload and the CubeSat constellation

5 結(jié)束語

為應(yīng)對日益嚴(yán)峻的空間安全環(huán)境，GEO目標(biāo)天基光學(xué)監(jiān)視技術(shù)得到迅猛發(fā)展，近年來監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)呈現(xiàn)出低成本小型化和自主監(jiān)視的發(fā)展動向。基于此本文首先回顧了GEO目標(biāo)天基光學(xué)監(jiān)視衛(wèi)星的發(fā)展概況。然后分析了GEO目標(biāo)的軌道運(yùn)動特性，并對現(xiàn)有的GEO目標(biāo)監(jiān)視策略進(jìn)行了綜述。最后對新進(jìn)提出的兩種自主運(yùn)行微小衛(wèi)星監(jiān)視系統(tǒng)的目標(biāo)探測性能進(jìn)行了仿真評估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SBO載荷與3U CubeSat星座都能實(shí)現(xiàn)對1 m直徑GEO目標(biāo)的有效探測。單顆SBO載荷已經(jīng)具有很可觀的目標(biāo)監(jiān)視能力，但受限于望遠(yuǎn)鏡視場，難以實(shí)現(xiàn)對GEO目標(biāo)的全季節(jié)覆蓋。比較而言CubeSat監(jiān)視星座充分利用了軌道特點(diǎn)和集群優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)超長弧段觀測和短周期快速重訪，但GEO衛(wèi)星星座建設(shè)難度較大。

在空間目標(biāo)天基光學(xué)監(jiān)視領(lǐng)域，我國與西方發(fā)達(dá)國家差距較大，這引起了國內(nèi)學(xué)者的高度重視。近年來，科研機(jī)構(gòu)在空間目標(biāo)天基監(jiān)視策略設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了積極探索[4,26-28]，隨著微小衛(wèi)星平臺、大視場光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、科學(xué)級天文相機(jī)和低功耗實(shí)時(shí)信息處理等相關(guān)技術(shù)的不斷完善發(fā)展，研制自主工作的天基光學(xué)監(jiān)視微小衛(wèi)星將成為可能，對促進(jìn)我國空間目標(biāo)編目定軌與碰撞預(yù)警發(fā)展會產(chǎn)生巨大的推動作用。

[1] 張景旭.國外地基光電系統(tǒng)空間目標(biāo)探測的進(jìn)展[J].中國光學(xué),2009,2(1):10-16. ZHANG J X. Progress in foreign ground-based optoelectronic detecting system for space target detection[J].ChineseOptis,2009,2(1):10-16.(in Chinese)

[2] NASA Orbital Debris Program Office. Satellite collision leaves significant debris clouds[EB/OL].[2016-10-15]. https://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/quarterly-news/newsletter.html.

[3] 王秀紅,李俊峰,王彥榮.天基照相機(jī)監(jiān)測空間目標(biāo)定軌方法及精度分析[J].光學(xué) 精密工程,2013,21(6):1394-1403. WANG X H,LI J F,WANG Y R. Orbit determination and precision analysis of space object with space-based camera[J].Opt.PrecisionEng.,2013,21(6):1394-1403.(in Chinese)

[4] 吳連大.人造衛(wèi)星與空間碎片的軌道和觀測[M]. 北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社,2011. WU L D.OrbitandObservationofArtificialSatelliteandSpaceDebris[M]. Beijing:China Science and Technology Press,2011.(in Chinese)

[5] HUEBSCHMAN R K. The MSX spacecraft system design[J].JohnsHopkinsAPLTechnicalDigest,1996,17(1):41-48.

[6] DAVID C H,JOSEPH C C. The space-based visible sensor[J].JohnsHopkinsAPLTechnicalDigest,1996,17(2):226-236.

[7] GRANT H S,CURT V B,RAMASWAMY S,etal.. The space-based visible program[J].LincolnLaboratoryJournal,1998,11(2):205-238.

[8] JAYANT S,GRANT H S,CURT V B,etal.. Toward operational space-based space surveillance[J].LincolnLaboratoryJournal,2002,13(2):309-334.

[9] The Boeing Company. Space based space surveillance revolutionizing space awareness[EB/OL].[2016.08.20]. http://www.boeing.com/assets/pdf/defense-space/space/satellite/MissionBook.pdf.

[10] Defence Research and Development Canada. Space-based observations of satellites from the MOST microsatellite[R]. Ottawa:DRDC,2006.

[11] PAUL M,LORNE O. Sapphire.Canada′s answer to space-based surveillance of orbital objects[C]. Advanced Maui Optical and Space Surveillance Conference,Hawaii,USA,2008:1-8.

[12] HACKETT J,BRISBY R,SMITH K. Overview of the Sapphire payload for space surveillance[J].SPIE,2012,8385:83850W-11.

[13] SCOTT A,HACKETT J,MAN K. On-orbit results for Canada's Sapphire optical payload[C]. Advanced Maui Optical and Space Surveillance Conference,Hawaii,USA,2013:1-7.

[14] WALLACE B,PINKNEY F,SCOTT R,etal.. The near earth object surveillance satellite(NEOSSat)[J].SPIE,2004,5578:1-7.

[15] WALLACE B,SCOTT R,BEDARD D,etal.. The near-earth orbit surveillance satellite[J].SPIE,2006,6265:626526-10.

[16] SCOTT R,WALLACE B,SALE M,etal.. Toward microsatellite based space situational awareness[C]. Advanced Maui Optical and Space Surveillance Conference,Hawaii,USA,2013:1-10.

[17] KRUTZ U,JAHN H,K HRT E,etal.. Radiometric considerations for the detection of space debris with an optical sensor in LEO as a secondary goal of the Asteroid Finder mission[J].ActaAstronautica,2011,69:297-306.

[18] FINDLAY R,E MANN O,GRUNDMANN J T,etal.. A space-based mission to characterize the IEO population[J].ActaAstronautica,2013,90:33-40.

[19] United States Naval Observatory. Joint Milli-Arcsecond Pathfinder Survey(J-MAPS) Mission:the application of high metric accuracy astrometry to space situational awareness[R]. Washington:USNO,2006.

[20] United States Naval Observatory. The Joint Milli-Arcsecond Pathfinder Survey(J-MAPS) Mission:Application for Space Situational Awareness[R]. Washington:USNO,2008.

[21] FLOHRER T,PELTONEN J,KRAMER A,etal.. Space-based optical observations of space debris[C]. Proceedings of the Fourth European Conference on Space Debris,Darmstadt,Germany:ECSD,2005:165-170.

[22] FLOHRER T,KRAG H,KLINKRAD H,etal.. Feasibility of performing space surveillance tasks with a proposed space-based optical architecture[J].AdvancesinSpaceResearch,2011,47:1029-1042.

[23] MORRIS K,RICE C,WOLFSON M. CubeSat integration into the space situational awareness architecture[C]. Advanced Maui Optical and Space Surveillance Conference,Hawaii,USA:AMOS,2013:1-11.

[24] MORRIS K,RICE C,LITTLE E. Relative cost and performance comparison of GEO space situational awareness architectures[C]. Advanced Maui Optical and Space Surveillance Conference,Hawaii,USA:AMOS,2014:1-11.

[25] FLOHRER T,SCHILDKNECHT T,MUSCI R. Proposed strategies for optical observations in a future European space surveillance network[J].AdvancesinSpaceResearch,2008,41:1010-1021.

[26] 周美江,朱振才,楊根慶,等.天基光學(xué)同步帶目標(biāo)監(jiān)視跟蹤模式[J].中國空間科學(xué)技術(shù),2015,32(3):35-43. ZHOU M J,ZHU Z C,YANG G Q,etal.. GEO objects surveillance and tracking mode of space-based optical system[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2015,32(3):35-43.(in Chinese)

[27] 陳冰兒,熊建寧.空間碎片天基光學(xué)觀測平臺設(shè)計(jì)[J].天文學(xué)報(bào),2016,57(2):228-240. CHEN B E,XIONG J N. The platform design of space-based optical observations of space debris[J]. Acta Astronomica Sinica,2016,57(2):228-240.(in Chinese)

[28] HU Y P,LI K B,XU W. A novel space-based observation strategy for GEO objects based on daily pointing adjustment of multi-sensors[J].AdvancesinSpaceResearch,2016,58:505-513.

Review of foreign space-based optical surveillance strategies for GEO objects

NIU Zhao-dong1*, WANG Lin2, DUAN Yu1, PAN Jia-meng1, CHEN Zeng-ping1

(1.CollegeofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China; 2.DepartmentofTechnicalSupportEngineering,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China)

In view of the importance of the space object observation strategy in determining the performance of space-based optical surveillance systems, we discuss and analyze some overseas surveillance systems in service or under development and their relevant observation strategies in this paper. To start with, the development history of the space-based optical surveillance technology for GEO objects is summarized. Then, based on the analysis of the orbital characteristics of GEO objects, the mainstream surveillance strategies of GEO objects are discussed. Finally, on the ground of the trend of miniaturization and autonomization in the development of surveillance systems, the target surveillance performance of the SBO payload and the 3U CubeSats are evaluated. Experimental results show that the SBO payload and the 3U CubeSats can both detect GEO spherical objects with a diameter of 1 m. The coverage ratio of GEO objects detected by the SBO payload is more than 51%, and the average observation arc and detection gap between subsequent observations is around 1.2° and 1.5 days respectively. The CubeSat architecture can detect more than 90% GEO objects, and the average observation arc and revisit cycle is more than 67.1° and less than 0.4 days respectively. In conclusion, by forming constellation, minisatellites and microsatellites are able to implement autonomous surveillance of GEO objects.

GEO objects;space surveillance;space-based optical surveillance;minisatellite and microsatellite

2017-01-09；

2017-02-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61605243) Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61605243)

2095-1531(2017)03-0310-11

P171.3

10.3788/CO.20171003.0310