CN111177935A - 一种光电望远镜拼接视场观测空间碎片的性能仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种光电望远镜拼接视场观测空间碎片的性能仿真方法，包括：建立单台光电望远镜探测能力评估模型；确定光电望远镜指向的取值范围，对多个光电望远镜视场进行拼接组合设计；采用单仰角区域扫描空间碎片或者多仰角区域扫描空间碎片，直至仿真结束；输出空间碎片的仿真探测结果。该方法设计了光电望远镜的视场拼接组合方式和扫描方式，结合单台光电望远镜探测能力评估模型，最终仿真得到了光电望远镜组合探测到的空间碎片数量，有利于光电望远镜建设初期对光电望远镜基本参数的选择和光电望远镜运行时观测策略的选择，预先评估光电望远镜视场拼接组合和不同扫描方式对空间碎片观测的影响，为空间碎片观测提供建议，避免观测浪费。
Description
技术领域
本发明涉及望远镜技术领域，特别涉及一种光电望远镜拼接视场观测空间碎片的性能仿真方法。
背景技术
人类频繁的空间活动使得空间碎片的数量日益增多，严重威胁航天器的在轨运行安全。光电望远镜为观测空间碎片的一种重要手段，尤其在中高轨具有优势，光电望远镜通常将观测数据进行处理后得到空间碎片位置等信息，为航天器是否进行和如何进行规避机动提供参考建议。为了更有效地利用光电望远镜对空间碎片进行观测，需要对测站的布局、光电望远镜探测能力、观测策略进行评估。光电望远镜探测能力评估仿真技术是进行上述各项评估的重要手段。
目前来说，为评估光电望远镜空间观测的探测能力，相关研究人员通过建立单台光电望远镜探测能力评估模型，综合考虑空间碎片几何关系、空间碎片信号辐射量、背景源信号辐射量等影响，获得空间碎片信号的探测信噪比，并作为光电望远镜视场内的空间碎片能否被探测到的依据，为空间碎片的实际观测提供参考。
但是，由于光电望远镜的视场一般比较小，在探测过程中，单台光电望远镜通常不能够一次探测到多个空间碎片，所以单台光电望远镜探测能力评估模型只能为单台光电望远镜对空间碎片观测的影响提供参考建议，而不能够预先评估通过多台光电望远镜扩大视场对空间碎片观测的影响。
发明内容
针对现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种光电望远镜拼接视场观测空间碎片的性能仿真方法。
本发明提供了一种光电望远镜拼接视场观测空间碎片的性能仿真方法，包括：
建立单台光电望远镜探测能力评估模型；
确定光电望远镜指向的取值范围，根据所述的光电望远镜指向的取值范围，对多个光电望远镜视场进行拼接组合设计，所述光电望远镜指向包括光电望远镜的仰角和光电望远镜的方位角；
根据所述的拼接组合设计，采用单仰角区域扫描空间碎片或者多仰角区域扫描空间碎片；
根据单台光电望远镜探测能力评估模型，输出空间碎片的仿真探测结果。
进一步地，所述建立单台望远镜探测能力评估模型，包括：
考虑空间碎片相对于光电望远镜的位置关系以及天光地影关系；
在空间碎片满足位置关系以及天光地影关系的基础上，计算光电望远镜探测器接收的空间碎片反射的光信号辐射量以及夜天光背景信号辐射量；
根据所述的光信号辐射量以及夜天光背景信号辐射量，计算光电望远镜观测到的空间碎片信噪比；
根据所述的空间碎片信噪比，仿真计算光电望远镜探测到的空间碎片数量，根据所述的空间碎片数量，输出对空间碎片的仿真探测结果。
进一步地，空间碎片信噪比的公式为：
式中：RSN为空间碎片信噪比；Sobj为光电望远镜接收的空间碎片反射的光信号辐射量；Sback为夜天光背景信号量；tint为曝光时间；kdark为光电望远镜探测器的暗流；krdout为光电望远镜探测器的读出噪声；r为测光半径。
进一步地，光电望远镜指向的取值范围的确定方法，包括：
确定光电望远镜仰角的取值范围，选择间隔值Fov1度，根据选择的间隔值从
度开始，每隔1个间隔值取1个间隔点，生成至少包括2个间隔点的光电望远镜仰角序列；
确定光电望远镜方位角的取值范围，选择间隔值Fov2度，根据选择的间隔值从
度开始，每隔1个间隔值取1个间隔点，生成至少包括2个间隔点的光电望远镜方位角序列；
其中，光电望远镜视场为Fov1*Fov2平方度，Fov1为光电望远镜视场在仰角方向的数值，Fov2为光电望远镜视场在方位角方向的数值。
进一步地，所述对多个光电望远镜视场进行拼接组合设计，包括：
在光电望远镜仰角和光电望远镜方位角的取值范围内，根据所取的间隔点，确定每个光电望远镜的指向；
根据所述的每个光电望远镜的指向，对多个光电望远镜视场进行拼接组合。
进一步地，所述单仰角区域扫描空间碎片包括：
S1：所有光电望远镜保持各自初始仰角不变，从初始方位角开始，每次所有光电望远镜沿着各自方位角方向同时移动
对空间碎片进行扫描，直至初始方位角最小的光电望远镜的方位角大于360度；
S2：将初始方位角最小的光电望远镜的方位角回归为0度，初始方位角最小的光电望远镜以0度作为初始方位角，其余的光电望远镜的方位角减去360度，其余的光电望远镜以减去360度得到的方位角作为初始方位角，重复步骤S1，直至仿真时间结束；
其中，A1t为光电望远镜的仰角；a为沿着方位角方向光电望远镜放置的个数。
进一步地，所述多仰角区域扫描空间碎片包括：
P1：所有光电望远镜保持各自初始仰角不变，从初始方位角开始，每次所有光电望远镜沿着各自方位角方向同时移动
对空间碎片进行扫描，直至初始方位角最小的光电望远镜的方位角大于360度；
P2：所有光电望远镜仰角角度增加
并判断此时初始仰角最小的光电望远镜的仰角是否大于光电望远镜仰角序列中的最大仰角，若是，则仿真结束，若否，则进入P3；
P3：所有光电望远镜以角度增加后的仰角作为初始仰角，将初始方位角最小的光电望远镜的方位角回归为0度，初始方位角最小的光电望远镜以0度作为初始方位角，其余的光电望远镜的方位角减去360度，其余的光电望远镜以减去360度得到的方位角作为初始方位角，重复步骤P1和P2；
其中，b为沿着仰角方向光电望远镜放置的个数。
进一步地，所述输出对空间碎片的仿真探测结果包括：
根据所述的采用单仰角区域扫描空间碎片或者多仰角区域扫描空间碎片，利用所述单台望远镜探测能力评估模型，分别计算每次扫描过程中单台光电望远镜探测的空间碎片数量；
根据所述的单台光电望远镜探测的空间碎片数量，计算扫描结束后所有光电望远镜的探测空间碎片数量；
根据所述的所有光电望远镜的探测空间碎片数量，输出对空间碎片的仿真探测结果。
本发明提供的一种光电望远镜拼接视场观测空间碎片的性能仿真方法，建立了单台望远镜探测能力评估模型，确定光电望远镜指向的取值范围，对多个光电望远镜视场进行拼接组合，采用单仰角区域扫描空间碎片或者多仰角区域扫描空间碎片，直至仿真结束，根据建立的单台望远镜探测能力评估模型，输出空间碎片的仿真探测结果。该方法设计了光电望远镜的视场拼接组合方式和扫描方式，结合单台望远镜探测能力评估模型，最终得到了光电望远镜组合探测到的空间碎片数量，有利于光电望远镜观测设备建设初期对光电望远镜基本参数的选择和观测设备运行时观测策略的选择，预先评估光电望远镜视场拼接组合和不同扫描方式对空间碎片观测的影响，为空间碎片观测提供建议，避免观测浪费。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一个光电望远镜拼接视场观测空间碎片的性能仿真方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一个建立单台望远镜探测能力评估模型的方法流程图；
图3为本发明实施例提供的一个单仰角区域扫描空间碎片的方法流程图；
图4为本发明实施例提供的一个多仰角区域扫描空间碎片的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一个光电望远镜拼接视场观测空间碎片的性能仿真方法的流程图。本发明实施例提供的光电望远镜拼接视场观测空间碎片的性能仿真方法，包括：
a：建立单台光电望远镜探测能力评估模型；
b：确定光电望远镜指向的取值范围，根据所述的光电望远镜指向的取值范围，对多个光电望远镜视场进行拼接组合设计，所述光电望远镜指向包括光电望远镜的仰角和光电望远镜的方位角；
c：根据所述的拼接组合设计，采用单仰角区域扫描空间碎片或者多仰角区域扫描空间碎片；
d：根据单台光电望远镜探测能力评估模型，输出空间碎片的仿真探测结果。
其中步骤a可以在步骤b之前进行，也可以在步骤c之后进行，而步骤b和步骤c的顺序不可置换。
本发明实施例建立了单台望远镜探测能力评估模型，确定光电望远镜指向的取值范围，对多个光电望远镜视场进行拼接组合，采用单仰角区域扫描空间碎片或者多仰角区域扫描空间碎片，直至仿真结束，根据建立的单台望远镜探测能力评估模型，输出空间碎片的仿真探测结果。该方法设计了光电望远镜的视场拼接组合方式和扫描方式，结合单台望远镜探测能力评估模型，最终得到了光电望远镜组合探测到的空间碎片数量，有利于光电望远镜观测设备建设初期对光电望远镜基本参数的选择和观测设备运行时观测策略的选择，预先评估光电望远镜视场拼接组合和不同扫描方式对空间碎片观测的影响，为空间碎片观测提供建议，避免观测浪费。
具体的，参考图1，一种光电望远镜拼接视场观测空间碎片的性能仿真方法，包括：
a：建立单台光电望远镜探测能力评估模型。具体的，参考图2，建立单台望远镜探测能力评估模型的步骤为：
a1：考虑空间碎片相对于光电望远镜的位置关系以及天光地影关系；考虑空间碎片相对于光电望远镜的位置关系主要是为了判断空间碎片是否在空间望远镜视场内，考虑天光地影关系是为了保证光电望远镜可以探测到空间碎片。
a2：在空间碎片满足位置关系以及天光地影关系的基础上，计算光电望远镜探测器接收的空间碎片反射的光信号辐射量以及夜天光背景信号辐射量；在a2中，夜天光背景信号辐射量主要包括银河星系、黄道光、气辉、大气散射光的辐射量。
a3：根据所述的光信号辐射量以及夜天光背景信号辐射量，计算光电望远镜观测到的空间碎片信噪比；
其中，空间碎片信噪比的公式为：
式中：RSN为空间碎片信噪比；Sobj为光电望远镜接收的空间碎片反射的光信号辐射量；Sback为夜天光背景信号量；tint为曝光时间；kdark为光电望远镜探测器的暗流；krdout为光电望远镜探测器的读出噪声，r为测光半径。
a4：根据所述的空间碎片信噪比，仿真计算光电望远镜探测到的空间碎片数量，根据所述的空间碎片数量，输出对空间碎片的仿真探测结果。
其中，建立单台望远镜探测能力评估模型为本领域技术人员的公知常识，单台望远镜探测能力评估模型通过计算光电望远镜探测器接收的空间碎片反射的光信号辐射量以及夜天光背景辐射量，并计算空间碎片的信噪比，将计算得到的信噪比与光电望远镜探测器的探测阈值进行比较，如果大于光电望远镜探测器的探测阈值，则说明光电望远镜视场内的空间碎片能够被光电望远镜探测到。
b：确定光电望远镜指向的取值范围，根据所述的光电望远镜指向的取值范围，对多个光电望远镜视场进行拼接组合设计，所述光电望远镜指向包括光电望远镜的仰角和光电望远镜的方位角；具体的，通过对多个光电望远镜视场进行拼接组合设计，从而扩大光学望远镜的视场。
光电望远镜指向的取值范围的确定方法，包括：
确定光电望远镜仰角的取值范围，选择间隔值Fov1度，根据选择的间隔值从
度开始，每隔1个间隔值取1个间隔点，生成至少包括2个间隔点的光电望远镜仰角序列；
确定光电望远镜方位角的取值范围，选择间隔值Fov2度，根据选择的间隔值从
度开始，每隔1个间隔值取1个间隔点，生成至少包括2个间隔点的光电望远镜方位角序列；
其中，光电望远镜视场为Fov1*Fov2平方度，Fov1为光电望远镜视场在仰角方向的数值，单位为度，Fov2为光电望远镜视场在方位角方向的数值，单位为度。
对多个光电望远镜视场进行拼接组合设计，包括：
在光电望远镜仰角和光电望远镜方位角的取值范围内，根据所取的间隔点，确定每个光电望远镜的指向；
根据所述的每个光电望远镜的指向，对多个光电望远镜视场进行拼接组合。
其中，可根据实际情况对对多个望远镜视场进行任意拼接组合。
更具体地说，对步骤b进行举例说明，假设有3*2个光电望远镜，光电望远镜的视场为10*10平方度，光电望远镜仰角的取值范围为5度～25度，间隔值为10度，则生成的光电望远镜仰角序列包括的间隔点为5度、15度以及25度；光电望远镜方位角的取值范围为5度～25度，间隔值为10度，则生成的光电望远镜方位角序列包括的间隔点为5度、15度以及25度；根据所取的间隔点，确定多个光电望远镜的指向分别为：(5，15)，(15，15)，(25，15)，(5，25)，(15，25)，(25，25)，按照每个光电望远镜的指向，对多个望远镜视场进行拼接组合，可扩大光电望远镜视场为30*20平方度。
c：根据所述的拼接组合设计，采用单仰角区域扫描空间碎片或者多仰角区域扫描空间碎片；具体的，扫描方式分为单仰角区域扫描和多仰角区域扫描。单仰角区域扫描指扫描过程中光电望远镜仰角固定，沿着方位角方向移动进行扫描，多仰角区域扫描指扫描过程中可以沿着仰角和方向角方向均可以进行扫描观测。参考图3，单仰角区域扫描空间碎片步骤包括：
S1：所有光电望远镜保持各自初始仰角不变，从初始方位角开始，每次所有光电望远镜沿着各自方位角方向同时移动
对空间碎片进行扫描，直至初始方位角最小的光电望远镜的方位角大于360度；
S2：将初始方位角最小的光电望远镜的方位角回归为0度，初始方位角最小的光电望远镜以0度作为初始方位角，其余的光电望远镜的方位角减去360度，其余的光电望远镜以减去360度得到的方位角作为初始方位角，重复步骤S1，直至仿真时间结束；
其中，A1t为光电望远镜的仰角；a为沿着方位角方向光电望远镜放置的个数。
参考图4，多仰角扫描空间碎片步骤包括：
P1：所有光电望远镜保持各自初始仰角不变，从初始方位角开始，每次所有光电望远镜沿着各自方位角方向同时移动
对空间碎片进行扫描，直至初始方位角最小的光电望远镜的方位角大于360度；
P2：所有光电望远镜仰角角度增加
并判断此时初始仰角最小的光电望远镜的仰角是否大于光电望远镜仰角序列中的最大仰角，若是，则仿真结束，若否，则进入P3；
P3：所有光电望远镜以角度增加后的仰角作为初始仰角，将初始方位角最小的光电望远镜的方位角回归为0度，初始方位角最小的光电望远镜以0度作为初始方位角，其余的光电望远镜的方位角减去360度，其余的光电望远镜以减去360度得到的方位角作为初始方位角，重复步骤P1和P2；
其中，b为沿着仰角方向光电望远镜放置的个数。
d：根据单台光电望远镜探测能力评估模型，输出空间碎片的仿真探测结果。具体的，输出对空间碎片的仿真探测结果包括：
根据所述的采用单仰角区域扫描空间碎片或者多仰角区域扫描空间碎片，利用所述的单台光电望远镜探测能力评估模型，分别计算每次扫描过程中单台光电望远镜探测的空间碎片数量；
根据所述的单台光电望远镜探测的空间碎片数量，计算扫描结束后所有光电望远镜的探测空间碎片数量；
根据所述的所有光电望远镜的探测空间碎片数量，输出对空间碎片的仿真探测结果。
其中，扫描结束后所有光电望远镜的探测空间碎片数量是根据每次扫描过程中单台光电望远镜探测的空间碎片数量相加得到的，但不论是采用单仰角区域扫描空间碎片还是多仰角区域扫描空间碎片，仿真过程中，不同光电望远镜探测的空间碎片数量之间存在相同编号的空间碎片，在计算所有光电望远镜的探测空间碎片数量时，对相同编号的空间碎片只计算一次，根据探测到的空间碎片数量总数，为光学望远镜的建设和观测策略提供参考建议。
此外，在实际应用中，结合单台光电望远镜探测能力评估模型，通过设计多个光电望远镜视场拼接组合方式以及不同的扫描方式，还可以输出光电望远镜探测的弧段数、探测的起止时刻以及探测时长等等，为测站布局、光电望远镜设备性能参量选择、观测策略制定提供参考建议。
本发明实施例提供了一种光电望远镜拼接视场观测空间碎片的性能仿真方法，建立了单台望远镜探测能力评估模型，确定光电望远镜指向的取值范围，对多个光电望远镜视场进行拼接组合，采用单仰角区域扫描空间碎片或者多仰角区域扫描空间碎片，直至仿真结束，根据建立的单台望远镜探测能力评估模型，输出空间碎片的仿真探测结果。该方法设计了光电望远镜的视场拼接组合方式和扫描方式，结合单台望远镜探测能力评估模型，最终得到了光电望远镜组合探测到的空间碎片数量，有利于光电望远镜观测设备建设初期对光电望远镜基本参数的选择和观测设备运行时观测策略的选择，预先评估光电望远镜视场拼接组合和不同扫描方式对空间碎片观测的影响，为空间碎片观测提供建议，避免观测浪费。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种光电望远镜拼接视场观测空间碎片的性能仿真方法，其特征在于，包括：
建立单台光电望远镜探测能力评估模型；
确定光电望远镜指向的取值范围，根据所述的光电望远镜指向的取值范围，对多个光电望远镜视场进行拼接组合设计，所述光电望远镜指向包括光电望远镜的仰角和光电望远镜的方位角；
根据所述的拼接组合设计，采用单仰角区域扫描空间碎片或者多仰角区域扫描空间碎片；
根据单台光电望远镜探测能力评估模型，输出空间碎片的仿真探测结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立单台望远镜探测能力评估模型，包括：
考虑空间碎片相对于光电望远镜的位置关系以及天光地影关系；
在空间碎片满足位置关系以及天光地影关系的基础上，计算光电望远镜探测器接收的空间碎片反射的光信号辐射量以及夜天光背景信号辐射量；
根据所述的光信号辐射量以及夜天光背景信号辐射量，计算光电望远镜观测到的空间碎片信噪比；
根据所述的空间碎片信噪比，仿真计算光电望远镜探测到的空间碎片数量，根据所述的空间碎片数量，输出对空间碎片的仿真探测结果。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，空间碎片信噪比的公式为：
式中：RSN为空间碎片信噪比；Sobj为光电望远镜探测器接收的空间碎片反射的光信号辐射量；Sback为夜天光背景信号辐射量；tint为曝光时间；kdark为光电望远镜探测器的暗流；krdout为光电望远镜探测器的读出噪声；r为测光半径。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光电望远镜指向的取值范围的确定方法，包括：
确定光电望远镜仰角的取值范围，选择间隔值Fov1度，根据选择的间隔值从
度开始，每隔1个间隔值取1个间隔点，生成至少包括2个间隔点的光电望远镜仰角序列；
确定光电望远镜方位角的取值范围，选择间隔值Fov2度，根据选择的间隔值从
度开始，每隔1个间隔值取1个间隔点，生成至少包括2个间隔点的光电望远镜方位角序列；
其中，光电望远镜视场为Fov1*Fov2平方度，Fov1为光电望远镜视场在仰角方向的数值，Fov2为光电望远镜视场在方位角方向的数值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对多个光电望远镜视场进行拼接组合设计，包括：
在光电望远镜仰角和光电望远镜方位角的取值范围内，根据所取的间隔点，确定每个光电望远镜的指向；
根据所述的每个光电望远镜的指向，对多个光电望远镜视场进行拼接组合。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述单仰角区域扫描空间碎片包括：
S1：所有光电望远镜保持各自初始仰角不变，从初始方位角开始，每次所有光电望远镜沿着各自方位角方向同时移动
对空间碎片进行扫描，直至初始方位角最小的光电望远镜的方位角大于360度；
S2：将初始方位角最小的光电望远镜的方位角回归为0度，初始方位角最小的光电望远镜以0度作为初始方位角，其余的光电望远镜的方位角减去360度，其余的光电望远镜以减去360度得到的方位角作为初始方位角，重复步骤S1，直至仿真时间结束；
其中，A1t为光电望远镜的仰角；a为沿着方位角方向光电望远镜放置的个数。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述多仰角区域扫描空间碎片包括：
P1：所有光电望远镜保持各自初始仰角不变，从初始方位角开始，每次所有光电望远镜沿着各自方位角方向同时移动
对空间碎片进行扫描，直至初始方位角最小的光电望远镜的方位角大于360度；
P2：所有光电望远镜仰角角度增加
并判断此时初始仰角最小的光电望远镜的仰角是否大于光电望远镜仰角序列中的最大仰角，若是，则仿真结束，若否，则进入P3；
P3：所有光电望远镜以角度增加后的仰角作为初始仰角，将初始方位角最小的光电望远镜的方位角回归为0度，初始方位角最小的光电望远镜以0度作为初始方位角，其余的光电望远镜的方位角减去360度，其余的光电望远镜以减去360度得到的方位角作为初始方位角，重复步骤P1和P2；
其中，b为沿着仰角方向光电望远镜放置的个数。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出对空间碎片的仿真探测结果包括：
根据所述的采用单仰角区域扫描空间碎片或者多仰角区域扫描空间碎片，利用所述的单台光电望远镜探测能力评估模型，分别计算每次扫描过程中单台光电望远镜探测的空间碎片数量；
根据所述的单台光电望远镜探测的空间碎片数量，计算扫描结束后所有光电望远镜的探测空间碎片数量；
根据所述的所有光电望远镜的探测空间碎片数量，输出对空间碎片的仿真探测结果。
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| CN114440862A (zh) * | 2022-01-17 | 2022-05-06 | 深圳市微视星辰科技有限公司 | 一种地基大视场光电望远镜搜索观测计划生成方法 |
| CN114440862B (zh) * | 2022-01-17 | 2024-03-26 | 深圳市微视星辰科技有限公司 | 一种地基大视场光电望远镜搜索观测计划生成方法 |
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