CN109991679A - 空间碎片自感知系统及方法、卫星系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空间碎片自感知系统及方法、卫星系统，所述空间碎片自感知系统安装在一主星上，所述空间碎片自感知系统包括观测装置、信息处理模块与转向机构，所述观测装置安装在所述转向机构上，所述转向机构带动所述观测装置转动；所述观测装置对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索，并将搜索结果发送至所述信息处理模块，所述信息处理模块根据所述搜索结果判断是否有所述威胁空间碎片，若有，则所述观测装置对所述威胁空间碎片进行跟踪，并将所述跟踪结果发送至所述信息处理模块；所述信息处理模块根据所述跟踪结果判断是否需要所述主星躲避所述威胁空间碎片，若是，则提醒所述主星进行躲避；所述信息处理模块控制所述转向机构的转动。

Description

空间碎片自感知系统及方法、卫星系统
技术领域
本发明涉及航天器技术领域，特别涉及一种空间碎片自感知系统及方法、卫星系统。
背景技术
太空中空间碎片数量每年在大幅增长，特别是近几年来碎片数量急剧增加，对在轨航天器安全运行构成了严重威胁和破坏，且一旦发生碰撞产生的残骸和碎片将会造成更恶劣的空间环境，对航天活动的安全造成更大的威胁。目前，在轨物体中94％都属于无使用价值的空间碎片。空间碎片常规的监测手段可分为地基监测和天基监测两类，地基观测易受气象、地理位置以及时间的限制，存在监视范围受限、探测时效性不强、数据更新率较慢、且目前地基只能对厘米级及更大尺寸的碎片进行观测、跟踪，而小尺寸的空间碎片(<10cm)则只能通过天基探测的手段进行观测。天基空间碎片监视采用一颗或几颗观测卫星进行空间布局，对其视场范围内的空间碎片进行观测，并将观测信息发送给其他航天器，这种方法具有机动灵活、不受疆域和气象条件限制、可近距离详细观测小尺寸的空间碎片的特点，观测数据精度更高。但是，天基空间碎片监测无法实时、全天时、全天域地追踪空间在轨物体，更无法获知第一手的空间威胁碎片的轨道信息。因此，为了保障航天活动的安全，迫切需要发展航天器空间碎片自感知的方法和系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间碎片自感知系统及方法、卫星系统，以解决空间碎片监测无法实时、全天时、全天域地追踪空间在轨物体的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种空间碎片自感知系统，所述空间碎片自感知系统安装在一主星上，所述空间碎片自感知系统包括观测装置、信息处理模块与转向机构，其中：
所述观测装置安装在所述转向机构上，所述转向机构带动所述观测装置转动；
所述观测装置对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索，并将搜索结果发送至所述信息处理模块，所述信息处理模块根据所述搜索结果判断是否有所述威胁空间碎片，若有，则所述观测装置对所述威胁空间碎片进行跟踪，并将所述跟踪结果发送至所述信息处理模块；所述信息处理模块根据所述跟踪结果判断是否需要所述主星躲避所述威胁空间碎片，若是，则提醒所述主星进行躲避；
所述信息处理模块控制所述转向机构的转动。
可选的，在所述的空间碎片自感知系统中，所述信息处理模块根据所述搜索结果解算出所述空间碎片的方位，计算出所述空间碎片的脱靶量。
可选的，在所述的空间碎片自感知系统中，所述信息处理模块将所述空间碎片的脱靶量发送至所述转向机构，所述转向机构将所述观测装置对准所述空间碎片进行自闭环跟踪，得出包含所述空间碎片的连续帧图像，所述信息处理模块根据包含所述空间碎片的连续帧图像，得出所述空间碎片的目标尺寸、运动方位角以及亮度特征变化，第一次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片，
若是，则所述观测装置继续对准所述威胁空间碎片进行自闭环跟踪；
若否，则所述信息处理模块控制所述转向机构转动，带动所述观测装置继续对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索。
可选的，在所述的空间碎片自感知系统中，所述跟踪结果包括所述空间碎片与所述主星之间的距离、所述空间碎片在视场中的方位角、所述空间碎片在视场中的俯仰角，以及所述空间碎片与所述主星的相对速度。
可选的，在所述的空间碎片自感知系统中，所述信息处理模块根据所述所述空间碎片在视场中的方位角、所述空间碎片在视场中的俯仰角发送至所述转向机构，所述转向机构将所述观测装置对准所述空间碎片进行自闭环跟踪，得出所述空间碎片的目标尺寸、运动方位角、俯仰角以及所述空间碎片与所述主星的相对速度，第二次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片，
若是，则所述观测装置继续对准所述空间碎片进行自闭环跟踪，并将所述空间碎片的方位信息发送至所述主星，提醒所述主星进行躲避；
若否，则所述信息处理模块控制所述转向机构转动，带动所述观测装置继续对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索。
可选的，在所述的空间碎片自感知系统中，在第一次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片时，若所述空间碎片与所述主星的相对位置是不断靠近的，则所述空间碎片为威胁空间碎片；
在第二次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片时，若所述空间碎片与所述主星的相对位置是不断靠近的，则所述空间碎片为威胁空间碎片。
本发明还提供一种空间碎片自感知方法，所述空间碎片自感知方法包括：
空间碎片自感知系统安装在一主星上，在所述空间碎片自感知系统中，
信息处理模块控制转向机构转动，以带动观测装置对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索，并将搜索结果发送至所述信息处理模块；
所述信息处理模块根据所述搜索结果判断是否有所述威胁空间碎片；
若是，则观测装置对所述威胁空间碎片进行跟踪，并将所述跟踪结果发送至所述信息处理模块；
所述信息处理模块根据所述跟踪结果判断是否需要所述主星躲避所述威胁空间碎片，若是，则提醒所述主星进行躲避。
本发明还提供一种卫星系统，所述卫星系统包括如上所述的空间碎片自感知系统与主星，所述空间碎片自感知系统安装在所述主星上。
在本发明提供的空间碎片自感知系统及方法、卫星系统中，通过空间碎片自感知系统与主星在宇宙空间中相对静止，即直接安装在所述主星上，或安装在一微纳卫星上伴飞于所述主星，可实现实时准确、全天时、全天域地为航天器(主星)预警空间碎片的碰撞，可保障航天器的安全，免受空间碎片的破坏。被保护主星上的空间碎片自感知系统可自主判断空间碎片威胁，以及威胁空间碎片的运动趋势，不需要地面干涉。
另外，本发明采用观测装置对准所述空间碎片进行自闭环跟踪，得出所述空间碎片的目标尺寸、运动方位角以及亮度特征变化，第一次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片，若是，则所述观测装置继续对准所述威胁空间碎片进行自闭环跟踪，得出所述空间碎片的目标尺寸、运动方位角、俯仰角以及所述空间碎片与所述主星的相对速度，第二次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片，若否，则所述信息处理模块控制所述转向机构转动，带动所述观测装置继续对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索，使空间碎片始终处于不断的跟踪、监测和判断中，提高了系统的实时性。
附图说明
图1是本发明一实施例的卫星系统示意图；
图2是本发明另一实施例的卫星系统示意图；
图3是本发明另一实施例的空间碎片自感知方法示意图；
图中所示：10(20)-主星；11-转向机构，12-第一观测装置，13-信息处理模块，14-第二观测装置；30-微纳卫星。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的空间碎片自感知系统及方法、卫星系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于提供一种空间碎片自感知系统及方法、卫星系统，以解决空间碎片监测无法实时、全天时、全天域地追踪空间在轨物体的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种空间碎片自感知系统及方法、卫星系统，所述空间碎片自感知系统安装在一主星上，所述空间碎片自感知系统包括观测装置、信息处理模块与转向机构，其中：所述观测装置安装在所述转向机构上，所述转向机构带动所述观测装置转动；所述观测装置对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索，并将搜索结果发送至所述信息处理模块，所述信息处理模块根据所述搜索结果判断是否有所述威胁空间碎片，若有，则所述观测装置对所述威胁空间碎片进行跟踪，并将所述跟踪结果发送至所述信息处理模块；所述信息处理模块根据所述跟踪结果判断是否需要所述主星躲避所述威胁空间碎片，若是，则提醒所述主星进行躲避；所述信息处理模块控制所述转向机构的转动。。
<实施例一>
本实施例提供一种空间碎片自感知系统，如图1～2所示，所述空间碎片自感知系统与一主星在宇宙空间中相对静止，即如图1所示，所述空间碎片自感知系统安装在所述主星10上，或如图2所示，所述空间碎片自感知系统安装在一微纳卫星30上，所述微纳卫星30伴飞于所述主星20，所述空间碎片自感知系统包括观测装置(所述观测装置包括第一观测装置12和第二观测装置14)、信息处理模块13与转向机构11，其中：所述第一观测装置12和所述第二观测装置14安装在所述转向机构11上，所述转向机构11带动所述第一观测装置12和所述第二观测装置14转动；所述第一观测装置12用于对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索，并将搜索结果发送至所述信息处理模块13；所述第二观测装置14用于对距离所述主星50km内的宇宙空间的威胁空间碎片进行跟踪，并将所述跟踪结果发送至所述信息处理模块13；所述信息处理模块13根据所述搜索结果判断是否有所述威胁空间碎片，所述信息处理模块13根据所述跟踪结果判断是否需要所述主星10(20)躲避所述威胁空间碎片，若是，则提醒所述主星10(20)进行躲避；所述信息处理模块13控制所述转向机构11的转动。
具体的，在所述的空间碎片自感知系统中，所述搜索结果包括全方位连续帧图像，所述信息处理模块13根据所述全方位连续帧图像剔除图像中的恒星，解算出所述空间碎片的方位，并提取图像中的空间碎片的质心位置，第一次计算出所述空间碎片的脱靶量，所述信息处理模块13将所述空间碎片的脱靶量发送至所述转向机构11，转向机构11根据脱靶量信息实时转换为转动的方位角、俯仰角，使空间碎片始终落在第一观测装置12的视场中心，形成对空间碎片的自闭环精密自闭环跟踪，即所述转向机构11将所述第一观测装置12对准所述空间碎片进行自闭环跟踪，得出包含所述空间碎片的连续帧图像。所述信息处理模块13根据包含所述空间碎片的连续帧图像，得出所述空间碎片的目标尺寸、运动方位角以及亮度特征变化，第一次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片，若是，则所述第一观测装置12继续对准所述空间碎片进行自闭环跟踪；若否，则所述信息处理模块13控制所述转向机构11转动，带动所述第一观测装置12继续对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索。
进一步的，在所述的空间碎片自感知系统中，当所述信息处理模块13根据包含所述空间碎片的连续帧图像得出所述空间碎片与所述主星10(20)之间的距离小于50km时，控制所述转向机构11转动，带动所述第二观测装置14对准所述威胁空间碎片进行跟踪。所述跟踪结果包括所述空间碎片与所述主星10(20)之间的距离、所述空间碎片在视场中的方位角、所述空间碎片在视场中的俯仰角，以及所述空间碎片与所述主星10(20)的相对速度。所述信息处理模块13将所述所述空间碎片在视场中的方位角、所述空间碎片在视场中的俯仰角发送至所述转向机构11，所述转向机构11将所述第二观测装置14对准所述空间碎片进行自闭环跟踪，得出所述空间碎片的目标尺寸、运动方位角、俯仰角以及所述空间碎片与所述主星的相对速度，第二次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片，若是，则所述第二观测装置14继续对准所述空间碎片进行自闭环跟踪，并将所述空间碎片的方位信息发送至所述主星，提醒所述主星10(20)进行躲避；若否，则所述信息处理模块13控制所述转向机构11转动，带动所述第一观测装置12继续对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索。
另外，在所述的空间碎片自感知系统中，在第一次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片时，若所述空间碎片与所述主星10(20)之间的的相对位置是不断靠近的，则所述空间碎片为威胁空间碎片；在第二次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片时，若所述空间碎片与所述主星10(20)之间的的相对位置是不断靠近的，则所述空间碎片为威胁空间碎片。若所述空间碎片与所述主星之间的距离小于20km，且根据空间碎片与主星的相对位置变化，若是不断靠近，则提醒所述主星进行躲避。所述第一观测装置12为超大视场可见光相机，所述第二观测装置14为雷达。
超大视场可见光相机与雷达配合对空间碎片观测的优势在于，超大视场可见光相机便于应用于全方位宇宙空间的空间碎片搜索，超大视场可见光相机具备远距离暗弱碎片观测的能力，可尽早、及时地发现威胁空间碎片，但超大视场可见光相机受光照影响，同时超大视场给成像系统带来严重的像差，不利于空间碎片的精确定位；而雷达具有全天时、全天候的特点，不受光照条件的限制，但雷达探测距离较近，探测视场小，只能对50km内的空间碎片精确定位、无法进行大范围的碎片搜索，因此，可采用超大视场可见光相机与雷达配合观测，先由超大视场可见光相机大范围搜索出存在威胁的空间碎片，再由雷达近距离精确定位空间碎片。
另外，本发明采用观测装置对准所述空间碎片进行自闭环跟踪，得出所述空间碎片的目标尺寸、运动方位角以及亮度特征变化，第一次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片，若是，则所述观测装置继续对准所述威胁空间碎片进行自闭环跟踪，得出所述空间碎片的目标尺寸、运动方位角、俯仰角以及所述空间碎片与所述主星的相对速度，第二次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片，若否，则所述信息处理模块控制所述转向机构转动，带动所述观测装置继续对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索，使空间碎片始终处于不断的跟踪、监测和判断中，提高了系统的实时性。
本实施例还提供一种卫星系统，所述卫星系统包括如上所述的空间碎片自感知系统与主星10(20)，所述空间碎片自感知系统安装在所述主星10上，或所述空间碎片自感知系统安装在一微纳卫星30上，所述微纳卫星30伴飞于所述主星20。
综上，上述实施例对空间碎片自感知系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
<实施例二>
本实施例提供一种空间碎片自感知方法，所述空间碎片自感知方法包括：空间碎片自感知系统与一主星10(20)在宇宙空间中相对静止，在所述空间碎片自感知系统中，信息处理模块13控制转向机构11转动，以带动第一观测装置12对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索，并将搜索结果发送至所述信息处理模块13；所述信息处理模块13根据所述搜索结果判断是否有所述威胁空间碎片；若是，则第二观测装置14对距离所述主星10(20)50km内的宇宙空间的威胁空间碎片进行跟踪，并将所述跟踪结果发送至所述信息处理模块13；所述信息处理模块13根据所述跟踪结果判断是否需要所述主星10(20)躲避所述威胁空间碎片，若是，则提醒所述主星10(20)进行躲避。
具体的，在未发现存在威胁的空间碎片时，转向机构协助超大视场可见光相机对空间碎片进行大范围搜索。
在发现可能存在威胁的空间碎片时，超大视场可见光相机将获取的图像传输给信息处理模块，信息处理模块根据图像解算出目标所在方位，计算出脱靶量，将脱靶量信息传输给转向机构，对可能存在威胁的空间碎片的自闭环跟踪；
信息处理模块不断根据跟踪碎片目标尺寸、运动方位角以及亮度特征变化判断空间碎片是否存在威胁，若存在威胁，则超大视场可见光相机继续对空间碎片自闭环跟踪；若不存在威胁，则转向机构继续协助超大视场可见光相机对空间威胁碎片进行搜索。
待存在威胁的空间碎片距离航天器50km时，转向机构将雷达指向空间碎片，雷达获取空间碎片的距离、方位角、俯仰角、相对速度等信息，并把这些信息发送给信息处理模块，信息处理模块信息传输给转向机构，完成雷达对空间碎片的自闭环跟踪。
信息处理模块不断根据跟踪碎片目标尺寸、运动方位角以及亮度特征变化判断空间碎片是否存在威胁，若存在威胁，则雷达继续对空间碎片自闭环跟踪，同时信息处理模块将空间碎片的距离、方位角、俯仰角、相对速度等信息发送给被保护的航天器，使航天器免受空间碎片的破坏；若不存在威胁，则转向机构继续协助超大视场可见光相机对空间威胁碎片进行搜索。
在本发明提供的空间碎片自感知系统及方法、卫星系统中，通过空间碎片自感知系统与主星10(20)在宇宙空间中相对静止，即直接安装在所述主星10(20)上，或安装在一微纳卫星上伴飞于所述主星10(20)，可实现实时准确、全天时、全天域地为航天器(主星10(20))预警空间碎片的碰撞，可保障航天器的安全，免受空间碎片的破坏。被保护主星10(20)上的空间碎片自感知系统可自主判断空间碎片威胁，以及威胁空间碎片的运动趋势，不需要地面干涉。
另外，本发明采用第一观测装置12(超大视场可见光相机)与第二观测装置14(雷达)配合观测，超大视场可见光相机具备观测大视场，远距离暗弱空间碎片的能力；雷达具备全天时、全天候，不受光照条件限制的特点。结合二者的优点，完成威胁空间碎片的搜索与自闭环跟踪。空间碎片自感知系统具备标准化接口，质量轻，体积小，可应用于任何被保护的航天器，不需要占用过多资源。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种空间碎片自感知系统，所述空间碎片自感知系统安装在一主星上，其特征在于，所述空间碎片自感知系统包括观测装置、信息处理模块与转向机构，其中：
所述观测装置安装在所述转向机构上，所述转向机构带动所述观测装置转动；
所述观测装置对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索，并将搜索结果发送至所述信息处理模块，所述信息处理模块根据所述搜索结果判断是否有所述威胁空间碎片，若有，则所述观测装置对所述威胁空间碎片进行跟踪，并将所述跟踪结果发送至所述信息处理模块；所述信息处理模块根据所述跟踪结果判断是否需要所述主星躲避所述威胁空间碎片，若是，则提醒所述主星进行躲避；
所述信息处理模块控制所述转向机构的转动。
2.如权利要求1所述的空间碎片自感知系统，其特征在于，所述信息处理模块根据所述搜索结果解算出所述空间碎片的方位，计算出所述空间碎片的脱靶量。
3.如权利要求2所述的空间碎片自感知系统，其特征在于，所述信息处理模块将所述空间碎片的脱靶量发送至所述转向机构，所述转向机构将所述观测装置对准所述空间碎片进行自闭环跟踪，得出包含所述空间碎片的连续帧图像，所述信息处理模块根据包含所述空间碎片的连续帧图像，得出所述空间碎片的目标尺寸、运动方位角以及亮度特征变化，第一次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片，
若是，则所述观测装置继续对准所述威胁空间碎片进行自闭环跟踪；
若否，则所述信息处理模块控制所述转向机构转动，带动所述观测装置继续对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索。
4.如权利要求3所述的空间碎片自感知系统，其特征在于，所述跟踪结果包括所述空间碎片与所述主星之间的距离、所述空间碎片在视场中的方位角、所述空间碎片在视场中的俯仰角，以及所述空间碎片与所述主星的相对速度。
5.如权利要求4所述的空间碎片自感知系统，其特征在于，所述信息处理模块根据所述所述空间碎片在视场中的方位角、所述空间碎片在视场中的俯仰角发送至所述转向机构，所述转向机构将所述观测装置对准所述空间碎片进行自闭环跟踪，得出所述空间碎片的目标尺寸、运动方位角、俯仰角以及所述空间碎片与所述主星的相对速度，第二次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片，
若是，则所述观测装置继续对准所述空间碎片进行自闭环跟踪，并将所述空间碎片的方位信息发送至所述主星，提醒所述主星进行躲避；
若否，则所述信息处理模块控制所述转向机构转动，带动所述观测装置继续对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索。
6.如权利要求5所述的空间碎片自感知系统，其特征在于，在第一次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片时，若所述空间碎片与所述主星的相对位置是不断靠近的，则所述空间碎片为威胁空间碎片；
在第二次判断所述空间碎片是否为所述威胁空间碎片时，若所述空间碎片与所述主星的相对位置是不断靠近的，则所述空间碎片为威胁空间碎片。
7.一种空间碎片自感知方法，其特征在于，所述空间碎片自感知方法包括：
空间碎片自感知系统安装在一主星上，在所述空间碎片自感知系统中，
信息处理模块控制转向机构转动，以带动观测装置对全方位的宇宙空间的空间碎片进行搜索，并将搜索结果发送至所述信息处理模块；
所述信息处理模块根据所述搜索结果判断是否有所述威胁空间碎片；
若是，则观测装置对所述威胁空间碎片进行跟踪，并将所述跟踪结果发送至所述信息处理模块；
所述信息处理模块根据所述跟踪结果判断是否需要所述主星躲避所述威胁空间碎片，若是，则提醒所述主星进行躲避。
8.一种卫星系统，其特征在于，所述卫星系统包括如权利要求1～6任一项所述的空间碎片自感知系统与主星，所述空间碎片自感知系统安装在所述主星上。
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