CN111581309B - 一种地球同步轨道带空间碎片观测方法 - Google Patents

一种地球同步轨道带空间碎片观测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种地球同步轨道带空间碎片观测方法，解决现有空间碎片观测系统存在观测距离远观测能力受限和近距离观测覆盖效率低，不能达到观测要求的问题。该方法包括，步骤一、根据遍历GEO轨道带一周所需周期确定观测装置的观测轨道与标准GEO轨道的高度差；步骤二、按照遍历GEO轨道带一周可观测碎片数量最大的原则，根据遍历GEO轨道带一周所需周期计算观测装置视场覆盖范围沿地球经度方向的张角最小值；步骤三、根据张角最小值设置观测装置的观测参数；步骤四、将观测装置发射至准GEO轨道上；步骤五、观测装置在准GEO轨道上遍历GEO轨道带一周，对GEO轨道带上的空间碎片进行观测，得到空间碎片的信息。

Description

一种地球同步轨道带空间碎片观测方法
技术领域
本发明涉及空间碎片观测领域，具体涉及一种地球同步轨道带空间碎片观测方法。
背景技术
地球同步轨道带(简称GEO轨道带)是指地球赤道上空35785km附近±15°倾角范围内宽度为22077km的360°环带。该地球同步轨道带自身动力学特性赋予了其相对地表良好的覆盖稳定性，即轨道带上的飞行器具有和地球旋转角速度相同或相近的特征，从地面上看该轨道带上的飞行器相对地面静止，使该轨道带布置的航天器可以24小时不间断长期凝视地面固定区域，因此，地球同步轨道带成为现代导航通信、数据中继、气象观测等领域高价值太空资产的聚集地。但是，该轨道空间和频谱资源有限，随者越来越多的新型航天器进入GEO轨道，导致有限的GEO轨道资源越来越紧缺。与此同时，该轨道带内的空间碎片也随之增多，GEO轨道内的失效航天器、卫星散落组件、火箭残骸等空间碎片严重影响其他卫星的运行安全，一旦发生碰撞，造成的新碎片数量将成指数级上涨，加剧了地球同步轨道带的环境恶化。因此，需对地球同步轨道带的碎片进行观测，以确保其他卫星的运行安全。
目前，通过地基地球同步轨道带碎片观测系统对空间碎片进行观测，该地基地球同步轨道带碎片观测系统的观测距离较远，至少需35785km，且其易受气象环境、站址覆盖、光照干扰等因素影响，使得其覆盖范围、观测时效、编目数量、探测尺寸等能力受限，不能达到观测要求。低地球轨道上的观测平台对地球同步轨道带碎片的观测系统同样难以克服距离远、观测能力受限等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地球同步轨道带空间碎片观测方法，解决现有GEO空间碎片观测系统存在观测距离远、观测能力受限或近距离观测覆盖率低，不能达到观测要求的问题。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案如下：
一种地球同步轨道带空间碎片观测方法，包括以下步骤：
步骤一、根据遍历GEO轨道带一周所需周期确定观测装置的观测轨道高度差；
所述观测轨道为准GEO轨道，位于地球纬度0°±0.5°的圆周上，且观测轨道与标准GEO轨道的轨道高度差为Δh，Δh≤±2000km；
步骤二、按照遍历GEO轨道带一周可观测碎片数量最大的原则，根据遍历GEO轨道带一周所需周期计算观测装置视场覆盖范围沿地球经度方向的张角最小值；
步骤三、根据步骤二确定的张角最小值设置观测装置的观测参数，所述观测参数包括相机沿地球经度方向的视场覆盖角度；
步骤四、将观测装置发射至准GEO轨道上；
步骤五、观测装置在准GEO轨道上遍历GEO轨道带一周，对GEO轨道带上的空间碎片进行观测，得到空间碎片的信息。
进一步地，步骤一中，根据遍历GEO轨道带一周所需周期确定观测轨道与标准GEO轨道的轨道高度差，具体通过式(1)计算得到；
Figure BDA0002428706010000021
式中，T为遍历GEO轨道带一周所需周期，秒；
μ为地球引力常数；
a为标准GEO轨道半长轴，千米；
Δh为观测轨道与标准GEO轨道的轨道高度差，千米。
进一步地，根据遍历GEO轨道带一周所需周期计算观测装置视场覆盖范围沿地球经度方向的张角最小值λ，具体通过式(2)计算得到；
Figure BDA0002428706010000031
式中，T0为标准GEO轨道上目标的运行周期，秒；
T为遍历GEO轨道带一周所需周期，秒。
进一步地，步骤三中，相机视场覆盖角度通过以下方式实现：通过整个视场覆盖、多个大视场拼接覆盖或通过一个视场扫描覆盖实现。
与现有技术相比，本发明技术方案具有如下优势：
1.本发明地球同步轨道带空间碎片观测方法将观测装置抵近地球同步轨道带2000km以内，通过与地球同步轨道带的相对飘飞实现对该环带空间碎片的全覆盖。相对于地面观测站和低地球轨道观测平台，由于观测距离减少1～2个数量级，观测能力与距离平方近似成反比，因此相同航天器规模下观测能力将大幅提升。同时，本发明方法解决了覆盖率低的问题，可发现更多地基和低地球轨道观测系统难以观测到的小、暗、弱地球同步轨道带空间碎片。
2.本发明地球同步轨道带空间碎片观测方法将观测装置视场覆盖范围在地球经度方向的张角设置为不小于
Figure BDA0002428706010000032
时间内对应的观测装置扫过GEO轨道带的地心张角，从而能够实现在一次遍历GEO轨道带过程中，对尽量多数量GEO碎片进行覆盖，覆盖率高。
3.本发明地球同步轨道带空间碎片观测方法能够在观测装置遍历GEO轨道带一周的过程中实现对处于任意空间相位的GEO轨道带空间碎片的近距离观测。
附图说明
图1为本发明地球同步轨道带空间碎片观测方法工作原理图一；
图2为本发明地球同步轨道带空间碎片观测方法工作原理图二；
图3为本发明GEO碎片在地心惯性坐标系下的运动轨迹绕“8”字示意图；
图4a为相位差为0πGEO碎片在
Figure BDA0002428706010000041
内穿越赤道面与观测装置的位置图；
图4b为相位差为1/5πGEO碎片在
Figure BDA0002428706010000042
内穿越赤道面与观测装置的位置图；
图4c为相位差为2/5πGEO碎片在
Figure BDA0002428706010000043
内穿越赤道面与观测装置的位置图；
图4d为相位差为3/5πGEO碎片在
Figure BDA0002428706010000044
内穿越赤道面与观测装置的位置图；
图4e为相位差为4/5πGEO碎片在
Figure BDA0002428706010000045
内穿越赤道面与观测装置的位置图；
图4f为相位差为πGEO碎片在
Figure BDA0002428706010000046
内穿越赤道面与观测装置的位置图；
图5为不同轨道高度差观测装置所需的覆盖张角示意图。
附图标记：1-标准GEO轨道，2-准GEO轨道，3-观测装置。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
基于观测能力与距离平方近似成反比的原理，缩小观测距离是提高观测能力最有效的手段之一。同时，地球同步轨道带上的空间碎片在宽度约22077km的环带内周期性运动，即使在高度范围内接近35785km，也难以保证可在2000km以内距离遭遇碎片，进而观测到碎片目标。基于此，本发明提供一种地球同步轨道带空间碎片观测方法，以解决近距离观测地球同步轨道带空间碎片时覆盖率低的问题。
本发明方法将观测装置发射至准地球同步轨道上，设置在准地球同步轨道上的观测装置可以抵近地球同步轨道带2000km以内，通过与地球同步轨道带的相对飘飞实现对地球同步轨道带内空间碎片的全覆盖。由于观测距离减少1～2个数量级，观测能力与距离平方近似成反比，因此相同航天器规模下观测能力将大幅提升，可发现更多地基和低地球轨道观测系统难以观测到的小、暗、弱地球同步轨道带空间碎片。但距离标准GEO轨道高度越近，遍历GEO轨道带一周所需时间越长，因此，在保证观测距离较近的同时，进而提升遍历GEO轨道带一周对GEO碎片的覆盖率，最终提高观测效率。
如图1和图2所示，本发明采用准GEO轨道(准地球同步轨道)进行观测，即观测装置3处于标准GEO轨道1高度42164km±2000km的轨道上。由于存在轨道高度差，观测装置3将相对与标准GEO轨道相对运动，从而可近距离实现对GEO轨道带目标的遍历和观测。假设目标航天器(或空间碎片)的运行轨道为标准GEO轨道1，准GEO轨道2上的观测装置3通过相对运动完成对整个GEO轨道1的遍历，遍历所需要的时间为：
Figure BDA0002428706010000051
式中，μ＝398600.44km3·rad2为地球引力常数；a为标准GEO轨道半长轴；Δh为观测轨道与标准GEO轨道的轨道高度差(即观测装置与观测目标轨道之间的地心距之差)。
由公式(1)可知，观测装置对GEO轨道带的遍历周期与观测装置距离观测目标的轨道高度差相关，轨道高度差越大，遍历周期越小。例如，轨道高度相差1000km，25天左右即可对地球同步带遍历一次，轨道高度相差100km，281天左右可对地球同步带遍历一圈，即扫过整个GEO轨道带。
如图3所示，根据空间动力学分析结果，GEO碎片短期轨道特性如下：GEO碎片星下点在赤道上下往复绕“8”字，穿越赤道两次，周期T0约为24H，相位走过360°。即使观测装置处于该目标穿越赤道的位置附近，空间碎片目标仍可能处于“8”字的任意位置。根据分析该15°环带的最远端距离“8”字中心超过11000km，且目标和观测装置始终处于相对运动中，当被观测目标运动到赤道附近时，观测装置可能已经偏离“8”字中心对应的赤道位置，从而错过目标观测机会。因此，本发明通过确定观测装置视场覆盖范围沿地球经度方向的张角最小值λ解决上述问题。
假设T0时刻，目标星下点过赤道为目标的0°相位。目标初始相位不同，
Figure BDA0002428706010000061
(即约12h)内观测装置和被观测目标的相对运动轨迹不同，但
Figure BDA0002428706010000062
内必穿越赤道一次，如图4a至图4e所示。因此，理论上只要能覆盖地球赤道上空的标准GEO轨道任意一点超过
Figure BDA0002428706010000063
将对所有GEO碎片具有观测机会。
由于准GEO轨道运行的观测装置自身相对于标准GEO轨道存在漂移，在
Figure BDA0002428706010000064
内，标准GEO轨道“飘”过的弧段相对于观测装置产生沿地球经度方向的张角满足如下计算公式：
Figure BDA0002428706010000065
式中，T0为标准GEO轨道上目标的运行周期，秒；
T为遍历GEO轨道带一周所需周期，秒。
根据计算，对于GEO±2000km以内的观测装置该张角约为67°，如图5所示，即准GEO平台探测器的覆盖区域超过67.3°理论上即可实现对标准GEO轨道上目标的覆盖。对于GEO-500km平台，67.3°对应的斜距约1300km，对于GEO-100km平台，该斜距仅约260km。计算公式如下：
Figure BDA0002428706010000066
式中，Δh为观测装置距离标准GEO轨道的高度差；
θ为所取观测装置覆盖视场角度的1/2(即
Figure BDA0002428706010000067
)。
基于上述原理，本发明提供的地球同步轨道带空间碎片观测方法具体包括以下步骤：
步骤一、根据遍历GEO轨道带一周所需周期确定观测装置的观测轨道高度差；
观测轨道为准GEO轨道，位于地球纬度0°±0.5°的圆周上，且观测轨道与标准GEO轨道的轨道高度差为Δh，Δh≤±2000km；根据遍历GEO轨道带一周所需周期，计算观测轨道与标准GEO轨道的轨道高度差，具体通过式(1)计算得到；
Figure BDA0002428706010000071
式中，T为遍历GEO轨道带一周所需周期，秒；
μ为地球引力常数；
a为标准GEO轨道半长轴，千米；
Δh为观测轨道与标准GEO轨道的轨道高度差，千米。
步骤二、按照遍历GEO轨道带一周可观测碎片数量最大的原则，根据遍历GEO轨道带一周所需周期计算观测装置视场覆盖范围沿地球经度方向的张角最小值λ，具体通过式(2)计算得到；
Figure BDA0002428706010000072
式中，T0为标准GEO轨道上目标的运行周期，秒；
T为遍历GEO轨道带一周所需周期，秒；
步骤三、根据步骤二确定张角最小值设置观测装置的观测参数，观测参数包括相机沿地球经度方向的视场覆盖角度；
步骤四、将观测装置发射至准GEO轨道上；
步骤五、观测装置在准GEO轨道上遍历GEO轨道带一周，对GEO轨道带上的空间碎片进行观测，得到空间碎片的信息。
本发明地球同步轨道带空间碎片观测方法中，观测装置运行在低于标准GEO轨道高度2000km与高于标准GEO轨道高度2000km的范围内，因此，其观测能力将大幅提升，可发现更多地基和低地球轨道观测系统难以观测到的小、暗、弱地球同步轨道带空间碎片。
本发明地球同步轨道带空间碎片观测方法将观测装置视场覆盖范围在地球经度方向的张角设置为不小于
Figure BDA0002428706010000081
时间内对应的观测装置扫过GEO轨道带的地心张角，该张角的最小值满足公式(2)，从而能够实现在遍历GEO轨道一周的过程中对尽量多数量GEO碎片进行观测。使得观测装置遍历准GEO轨道一周的过程中对处于任意空间相位的GEO轨道带空间碎片覆盖率较大。
本发明地球同步轨道带空间碎片观测方法能够在观测装置遍历GEO轨道带一周的过程中实现对处于任意空间相位的GEO轨道带空间碎片的近距离观测，观测距离满足公式3。
本发明地球同步轨道带空间碎片观测方法视场覆盖范围的实现方式包括但不限于整个视场覆盖、多个小视场拼接覆盖以及通过一个小视场扫描覆盖整个范围。

Claims (4)

1.一种地球同步轨道带空间碎片观测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据遍历GEO轨道带一周所需周期确定观测装置的观测轨道高度差；
所述观测轨道为准GEO轨道，位于地球纬度0°±0.5°的圆周上，且观测轨道与标准GEO轨道的轨道高度差为Δh，Δh≤±2000km；
步骤二、按照遍历GEO轨道带一周可观测碎片数量最大的原则，根据遍历GEO轨道带一周所需周期计算观测装置视场覆盖范围沿地球经度方向的张角最小值；
步骤三、根据步骤二确定的张角最小值设置观测装置的观测参数，所述观测参数包括相机沿地球经度方向的视场覆盖角度；
步骤四、将观测装置发射至准GEO轨道上；
步骤五、观测装置在准GEO轨道上遍历GEO轨道带一周，对GEO轨道带上的空间碎片进行观测，得到空间碎片的信息。
2.根据权利要求1所述的地球同步轨道带空间碎片观测方法，其特征在于：步骤一中，根据遍历GEO轨道带一周所需周期确定观测轨道与标准GEO轨道的轨道高度差，具体通过式(1)计算得到；
Figure FDA0003950018010000011
式中，T为遍历GEO轨道带一周所需周期，T的单位为秒；
μ为地球引力常数；
a为标准GEO轨道半长轴，a的单位为千米；
Δh为观测轨道与标准GEO轨道的轨道高度差，Δh的单位为千米。
3.根据权利要求1所述的地球同步轨道带空间碎片观测方法，其特征在于：步骤二中，根据遍历GEO轨道带一周所需周期计算观测装置视场覆盖范围沿地球经度方向的张角最小值λ，具体通过式(2)计算得到；
Figure FDA0003950018010000021
式中，T0为标准GEO轨道上目标的运行周期，T0的单位为秒；
T为遍历GEO轨道带一周所需周期，T的单位为秒。
4.根据权利要求1或2或3所述的地球同步轨道带空间碎片观测方法，其特征在于：步骤三中，相机沿地球经度方向的视场覆盖角度通过以下方式实现：通过整个视场覆盖、多个大视场拼接覆盖或通过一个视场扫描覆盖实现。
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