CN113108776B - 一种具有高覆盖率的空间目标观测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有高覆盖率的空间目标观测方法，包括：将N个观测卫星均匀地分布在地球的圆周之上；其中所述N个观测卫星在同一轨道面上运行，并且所述N个观测卫星的视野彼此相接以构成围绕地球的观测环带；其中由所述N个观测卫星中的第一观测卫星在第一观测卫星的第一视野中观测空间目标，并且由所述N个观测卫星中的与第一观测卫星相邻的第二卫星在第二观测卫星的第二视野中观测空间目标，其中第一视野覆盖未被第二视野覆盖的空间的一部分，并且第二视野覆盖未被第一视野覆盖的空间的一部分。通过本发明，可以显著提高观测星座的覆盖率，同时还可以降低观测卫星的望远镜载荷量，从而提高观测可靠性并降低观测成本。

Description

一种具有高覆盖率的空间目标观测方法
技术领域
本发明总的来说涉及空间目标的卫星监测领域，具体而言涉及一种具有高覆盖率的用于空间目标观测方法。此外，本发明还涉及一种具有高覆盖率的观测星座。
背景技术
在科研、军事、国防、国家安全等诸多领域内，都需要对诸如陨石、行星、飞行物、空间碎片之类的空间目标进行监视，从而给出这些空间目标在天空中的位置及其变化，进而确定空间目标的位置，从而计算或修正其运行轨道。获得其轨道后，可获取空间目标的精确位置信息，从而为空间航天器的安全飞行提供相关的信息，或者用于其它科研目的或安全目的。
目前对于空间碎片监视主要依靠地基系统。然而，诸如地基望远镜之类的地基系统在观测恒星和空间碎片时会受天气、阳光的影响，且每天的观测弧段有限，对碎片的重新观测周期过长；虽然地基雷达不受天气、阳光影响，但是受限于地理位置，且对碎片观测后，下一次观测要经过12小时以上，对于突发的空间事件产生的空间碎片观测将会经过8-12小时才能观测到，对于在轨飞行器的安全有着极大的威胁。
与地基系统相比较，天基系统有着如下的优点：(1)天基系统不受天气条件影响，可以实现全时段工作；(2)天基系统观测空间碎片不经过大气系统，天基系统监测比地基系统有着更高的信噪比。
然而，目前需要一种具有更高覆盖率的天基观测方法，从而进一步提高观测可靠性并降低天基系统的软硬件成本。
发明内容
本发明的任务是，提供一种具有高覆盖率的空间目标观测方法，通过该方法和/或该系统，可以显著提高观测星座的覆盖率，同时还可以降低观测卫星的望远镜载荷量，从而提高观测可靠性并降低观测成本。
在发明的第一方面，前述任务通过一种具有高覆盖率的空间目标观测方法来解决，该方法包括：
将N个观测卫星均匀地分布在地球的圆周之上；
其中所述N个观测卫星在同一轨道面上运行，并且所述N个观测卫星的视野彼此相接以构成围绕地球的观测环带；
其中由所述N个观测卫星中的第一观测卫星在第一观测卫星的第一视野中观测空间目标，并且由所述N个观测卫星中的与第一观测卫星相邻的第二卫星在第二观测卫星的第二视野中观测空间目标，其中第一视野覆盖未被第二视野覆盖的空间的一部分，并且第二视野覆盖未被第一视野覆盖的空间的一部分。
在本发明的一个扩展方案中规定，该方法包括：
确定用于观测空间目标的观测卫星的数目N；
确定每个观测卫星的观测下边缘，其中每个观测卫星的观测下边缘的切点被确定为使得所述切点和地球球心的连线与该卫星和地球球心之间的连线的夹角为
Figure BDA0002633663070000021
根据每个观测卫星的所确定的切点确定该观测卫星的轨道高度；
确定每个观测卫星的观测上边缘；以及
由每个观测卫星在由所述观测上边缘和观测下边缘构成的视野中观测空间目标。
在本发明的一个扩展方案中规定，所述数目N为4、6、8、9、10、或者12。
在本发明的一个优选方案中规定，每个观测卫星配备有两个光学望远镜，其中所述两个光学望远镜的朝向相反并且分别具有所述观测上边缘和观测下边缘。
在本发明的另一扩展方案中规定，该方法还包括下列步骤：
提供观测卫星的观测距离；
根据观测卫星的轨道高度和观测卫星的数目确定观测角度；以及
根据观测距离和观测角度确定观测卫星的光学望远镜的载荷。
在本发明的第二方面，前述任务通过一种具有高覆盖率的观测星座来解决，该星座包括：
被均匀地分布在地球的圆周之上的N个观测卫星；
其中所述N个观测卫星在同一轨道面上运行，并且所述N个观测卫星的视野彼此相接以构成围绕地球的观测环带；
其中由所述N个观测卫星中的第一观测卫星在第一观测卫星的第一视野中观测空间目标，并且由所述N个观测卫星中的与第一观测卫星相邻的第二卫星在第二观测卫星的第二视野中观测空间目标，其中第一视野覆盖未被第二视野覆盖的空间的一部分，并且第二视野覆盖未被第一视野覆盖的空间的一部分。
在本发明的一个扩展方案中规定，该星座还包括：
控制台，其被配置为下列动作：
确定用于观测空间目标的观测卫星的数目N；
确定每个观测卫星的观测下边缘，其中每个观测卫星的观测下边缘的切点被确定为使得所述切点和地球球心的连线与该卫星和地球球心之间的连线的夹角为
Figure BDA0002633663070000031
根据每个观测卫星的所确定的切点确定该观测卫星的轨道高度；以及
确定每个观测卫星的观测上边缘；以及N个观测卫星，其中每个观测卫星被配置为执行下列动作：
运动到由控制台确定的相应轨道高度；以及
在由所述观测上边缘和观测下边缘构成的相应视野中观测空间目标。
在本发明的第三方面，前述任务通过一种具有高覆盖率的空间目标观测方法来解决，该方法包括下列步骤：
将N个观测卫星均匀地分布在地球的圆周之上；
其中所述N个观测卫星在同一轨道面上运行，并且所述N个观测卫星的视野彼此相接以构成围绕地球的观测环带；
其中由所述N个观测卫星中的第一观测卫星在第一观测卫星的第一视野中观测空间目标，并且由所述N个观测卫星中的与第一观测卫星相邻的第二卫星在第二观测卫星的第二视野中观测空间目标，其中第一视野覆盖未被第二视野覆盖的空间的一部分，并且第二视野覆盖未被第一视野覆盖的空间的一部分。
在本发明的一个扩展方案中规定，该方法包括：
确定用于观测空间目标的观测卫星的数目N；
确定每个观测卫星的观测下边缘，其中每个观测卫星的观测下边缘的切点被确定为使得所述切点和地球球心的连线与该卫星和地球球心之间的连线的夹角为
Figure BDA0002633663070000041
根据每个观测卫星的所确定的切点确定该观测卫星的轨道高度；
确定每个观测卫星的观测上边缘；
使每个观测卫星达到为该观测卫星确定的轨道高度；
对每个观测卫星的多个望远镜进行定向，使得所述多个望远镜具有由所述观测上边缘和观测下边缘构成的视野；以及
通过所述望远镜在其视野中观测空间目标。
在本发明的第四方面，前述任务通过一种具有高覆盖率的空间目标观测系统来解决，该系统包括：
被均匀地分布在地球的圆周之上的N个观测卫星；
其中所述N个观测卫星在同一轨道面上运行，并且所述N个观测卫星的视野彼此相接以构成围绕地球的观测环带；
其中由所述N个观测卫星中的第一观测卫星在第一观测卫星的第一视野中观测空间目标，并且由所述N个观测卫星中的与第一观测卫星相邻的第二卫星在第二观测卫星的第二视野中观测空间目标，其中第一视野覆盖未被第二视野覆盖的空间的一部分，并且第二视野覆盖未被第一视野覆盖的空间的一部分。
在本发明的一个扩展方案中规定，该系统还包括：控制台，其被配置为执行下列动作：
确定用于观测空间目标的每个观测卫星的观测下边缘，其中每个观测卫星的观测下边缘的切点被确定为使得所述切点和地球球心的连线与该卫星和地球球心之间的连线的夹角为
Figure BDA0002633663070000042
其中N为观测卫星的数目；
根据为每个观测卫星确定的切点确定该观测卫星的轨道高度；以及
确定每个观测卫星的观测上边缘；以及
N个观测卫星，其中每个观测卫星分别处于由控制台为该观测卫星确定的轨道高度，其中每个观测卫星具有多个望远镜，所述多个望远镜被定向为具有由所述观测上边缘和观测下边缘构成的相应视野，并且所述望远镜被配置为在其视野中观测空间目标。
本发明至少具有下列有益效果：
(1)通过本发明可以极大地提高观测覆盖率，这基于发明人的如下洞察：发明人通过研究令人意想不到地发现，当将卫星观测下边缘的切点选择为使得所述切点和地球球心的连线与该卫星和地球球心之间的连线的夹角为
Figure BDA0002633663070000051
时，可以使各观测下边缘与地球(或大气层)之间的未被覆盖的盲区最小化，从而极大地提高观测覆盖率；
(2)本发明通过选择上述切点，还可以减小星载望远镜的数目，这是因为，上述切点的选择可使得可由卫星的单个望远镜实现的视野较大，而且每个卫星的视野还附加地覆盖了未被相邻卫星覆盖的空间部分，因此使得由相同数目的望远镜可以实现更大的观测视野，因此可以降低卫星所装载的望远镜负载；
(3)通过本发明构建的空间目标快速发现卫星星座，对低轨空间目标覆盖效率高，可以实现绕地球一圈形成的一条环带，实现对低轨空间碎片的完备监视；
(4)通过本发明构建的天基空间目标快速发现卫星星座，对空间目标的观测时效性高，重访周期高，每个目标在一个轨道周期内将两次穿过观测环带，因此将两次被观测到。例如，每小时均可观测到目标碎片一次；
(5)通过本发明构建的天基空间碎片快速发现卫星星座，采用的载荷设计方案简单，可以使用较少的观测载荷实现优异的观测效率；
(6)通过本发明构建的天基空间目标快速发现卫星星座，部署在晨昏太阳同步轨道上，可以实现全天24小时不间断工作，不受大气环境、天气、太阳光照的影响。
附图说明
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
图1示出了根据本发明的方法的流程；
图2示出了根据本发明的相邻两个观测卫星的视野；
图3示出了根据现有技术的观测卫星的视野；
图4示出了根据本发明的4星星座的观测环带；以及
图5示出了根据本发明的6星星座的观测环带。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
在本发明中，控制台可以用软件、硬件或固件或其组合来实现。控制台既可以单独存在，也可以是某个部件的一部分。例如，控制台可以是星上硬件或软件，也可以是可与卫星通信的地面站中的硬件或软件。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
本发明发现现有空间目标观测方案均存在覆盖率低，单星望远镜负载高等问题。为了解决上述的技术问题，本发明公开了一种空间目标快速发现卫星星座的构建方案，该方法包括：
针对观测的空间目标的信息和观测卫星的信息，确定观测卫星的初始参数，其中，所述的初始参数包括：卫星观测的距离、观测卫星轨道高度、观测卫星数量；
根据所述的观测初始的参数，确定观测角度；
根据观测距离和观测角度，确定载荷的要求。
根据所述的载荷要求，构建空间目标快速发现卫星星座；其中该星座系统是在同一轨道面上布置多颗观测卫星，每颗卫星沿轨道运行时前后观测，其观测范围覆盖相邻卫星，构成一条观测环带。
本发明提供的空间目标快速发现卫星星座例如可以包括：4星、6星、8星、9星、10星、12星等多种卫星数量组成情况；每颗卫星组成一致，均携带两台光学望远镜载荷，所述载荷分别安装在卫星两侧，使得望远镜能够沿轨道前后进行观测。
进一步，卫星观测范围由目标的分布范围所决定，常见目标分布范围为300-2000公里，因此观测范围可选择该范围；
进一步，卫星下边界观测范围须高于地球临边大气，以避开地球的影响，该高度一般以100公里为准；
进一步，卫星载荷向下观测边界须与地球临边大气相切，对低轨空间目标的覆盖效率将会最高；
进一步，当确定了临边相切位置时，即可以确定卫星数量和卫星轨道高度；
进一步，当确定了卫星数量和卫星轨道高度时，可以载荷的探测范围和探测角度，即可确定载荷的要求。
在上述的空间目标快速发现卫星星座的构建方法中，根据切点的位置设计，确定不同观测数量的观测卫星的轨道高度。
由于相邻两颗卫星优选对称观测，因此其观测覆盖范围最大时要选择切点为两颗星之间夹角的3/4，即当卫星1与卫星2之间的夹角是
Figure BDA0002633663070000071
(N颗卫星组成网)时，则卫星1观测下边缘切点与地球球心的连线与卫星1与地球球心之间连线的夹角为
Figure BDA0002633663070000081
卫星2观测下边缘切点与地球球心的连线与卫星2与地球球心之间连线的夹角也为
Figure BDA0002633663070000082
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
图1示出了根据本发明的方法100的流程。
在步骤102，确定用于观测空间目标的观测卫星的数目N。所述数目N为4、6、8、9、10、或者12。观测卫星优选均匀地分布在地球的圆周之上，也就是说，相邻观测卫星之间间隔相同的角度。
在步骤104，确定每个观测卫星的观测下边缘，其中每个观测卫星的观测下边缘的切点被确定为使得所述切点和地球球心的连线与该观测卫星和地球球心之间的连线的夹角为
Figure BDA0002633663070000083
通过这样确定的切点，可以显著增大覆盖范围并降低卫星的望远镜负载。关于此的细节请参见后面的阐述。
在步骤106，根据每个观测卫星的所确定的切点确定该观测卫星的轨道高度。在切点和相邻卫星之间的夹角已确定的情况下，可以唯一地确定卫星到地心的距离，由此可确定卫星的轨道高度。
在步骤108，确定每个观测卫星的观测上边缘。上边缘的确定例如可以根据所需观测的空间目标的轨道范围或者所需观测角度来确定。
在步骤110，在步骤由每个观测卫星在由所述观测上边缘和观测下边缘构成的视野中观测空间目标。例如，由每个观测卫星的多个望远镜(或相机)来观测空间目标，所述望远镜可以分别具有所述视野或者可以相组合地具有所述视野、即多个望远镜的视野共同构成所确定的视野。在本发明的一个优选方案中，每个观测卫星具有相反定向的两个望远镜，每个望远镜分别具有上述视野，即两个望远镜的视野可以覆盖卫星两侧的视野。
下面进一步阐述本发明的细节。
图2示出了根据本发明的相邻两个观测卫星的视野。参照图2，示出了本发明实施例中载荷指向方式的设计。载荷的观测下边缘与地球临边大气相切，观测覆盖相邻卫星，实现对相邻卫星的观测。
见图2，圆O为以地心O为中心，半径为Re+he,其中Re表示地球半径，he表示地球临边大气高度，OA和OB为两个平台方向。A和B为平台位置。设观测环带共有N个平台，则
Figure BDA0002633663070000091
图中，OC为∠AOB的平分线，OD为∠COB的平分线，于是
Figure BDA0002633663070000092
Figure BDA0002633663070000093
Figure BDA0002633663070000094
为了保证最低探测高度，望远镜视场下边界AD与圆O相切，切点为D，于是，平台A地心距为
Figure BDA0002633663070000095
最低探测的地心距为
Figure BDA0002633663070000096
视场上边界AE交OC与E，与OB交于F，按探测要求，r2＝OE＝RE+h l，其中hl是视场观测的上边界，则有
Figure BDA0002633663070000097
Figure BDA0002633663070000098
Figure BDA0002633663070000099
于是视场角∠DAE为
∠DAE＝∠OAE-(90°-a) (7)
如果r0>r2，(5)式中的a-b,要换成a+b。否则，OF将小于r2，没有实现he-hl目标的全覆盖。
这样，在OA和OB之间的目标，就建立了一个稳定的观测几何，A平台(在本申请中，“平台”与“观测卫星”可互换地使用)观测B平台附近的目标，B平台观测A平台附近的目标，两个视场的交集中的目标，还有交会观测的机会。
根据上文计算方式，当平台数量选定时，卫星轨道高度也可确定，卫星所携带的载荷的视场角也可确定。
分别针对4星、6星、8星、9星、10星、12星组网条件下配置方案进行初步的分析设计。
表1不同平台数目的参数表
平台数 平台高度(km) 最低高度(km) 视场(°) 观测距离(km)
4.00 1779.27 283.78 15.28 6972.13
6.00 1083.33 228.52 18.57 4742.33
8.00 913.05 206.91 24.10 3039.97
9.00 802.17 199.94 28.36 2597.89
10.00 692.45 180.75 32.21 2274.74
12.00 633.75 155.90 38.84 1830.47
综上，平台个数越多，要求的探测距离越近，有利于探测小目标；但是，当平台高度越高时，望远镜视场的要求变小了，这也有利于载荷的研制。
切点方案选择方法：要实现最大的环带覆盖面积，有两种相机指向方式；以两颗卫星为例，其之间夹角为α，如图2、图3所示。OC均为两星之间与地心夹角的中轴线，图2指向方法是A星将B星周围范围空域进行观测，B星将A星周围范围空域进行观测；图3指向方法是A星负责靠近A星的周边范围空域，B星负责B星的周边范围。图2方法的好处是相机视场较小即可实现全域覆盖，但是要求相机的探测能力较强；图3方法的好处是单相机探测能力要求较弱，但是对相机视场要求非常大；以6星组网为例，卫星视场要满足π+2θ才能实现全域覆盖，其中θ是切点与地心连线和B星与地心连线之间的夹角。从卫星规模出发，相机数量越少设计越简单，因此本发明采用图2的指向方式。
由图2可以看到，相机下边缘视场下方还存在着部分空隙，图上表示为S1，S2，S3，其总面积S＝S1+S2+S3，当S越小时，覆盖率越高。由图1可知：
Figure BDA0002633663070000101
其中
Figure BDA0002633663070000111
n是卫星数量，R是地球半径，Rh是地球临边大气高度，对于式(8)而言，当
Figure BDA0002633663070000112
时，S取极小值，此时面积最小，覆盖率最高。因此下视场与地球临边的切点位置已确定，星座的数量、轨道高度也相应确定。
本发明至少具有下列有益效果：
(1)通过本发明可以极大地提高观测覆盖率，这基于发明人的如下洞察：发明人通过研究令人意想不到地发现，当将卫星观测下边缘的切点选择为使得所述切点和地球球心的连线与该卫星和地球球心之间的连线的夹角为
Figure BDA0002633663070000113
时，可以使各观测下边缘与地球(或大气层)之间的未被覆盖的盲区最小化，从而极大地提高观测覆盖率；
(2)本发明通过选择上述切点，还可以减小星载望远镜的数目，这是因为，上述切点的选择可使得可由卫星的单个望远镜实现的视野较大，而且每个卫星的视野还附加地覆盖了未被相邻卫星覆盖的空间部分，因此使得由相同数目的望远镜可以实现更大的观测视野，因此可以降低卫星所装载的望远镜负载；
(3)通过本发明构建的空间目标快速发现卫星星座，对低轨空间目标覆盖效率高，可以实现绕地球一圈形成的一条环带，实现对低轨空间碎片的完备监视；
(4)通过本发明构建的天基空间目标快速发现卫星星座，对空间目标的观测时效性高，重访周期高，每个目标在一个轨道周期内将被观测到两个弧段。每小时均可观测到目标碎片一次；
(5)通过本发明构建的天基空间碎片快速发现卫星星座，采用的载荷设计方案简单，可以使用较少的观测载荷实现优异的观测效率；
(6)通过本发明构建的天基空间目标快速发现卫星星座，部署在晨昏太阳同步轨道上，可以实现全天24小时不间断工作，不受大气环境、天气、太阳光照的影响。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并由此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (5)

1.一种空间目标观测方法，该方法包括下列步骤：
将N个观测卫星均匀地分布在地球的圆周之上；
其中所述N个观测卫星在同一轨道面上运行，并且所述N个观测卫星的视野彼此相接以构成围绕地球的观测环带；
其中由所述N个观测卫星中的第一观测卫星在第一观测卫星的第一视野中观测空间目标，并且由所述N个观测卫星中的与第一观测卫星相邻的第二卫星在第二观测卫星的第二视野中观测空间目标，其中第一视野覆盖未被第二视野覆盖的空间的一部分，并且第二视野覆盖未被第一视野覆盖的空间的一部分；
确定用于观测空间目标的观测卫星的数目N；
确定每个观测卫星的观测下边缘，其中每个观测卫星的观测下边缘的切点被确定为使得所述切点和地球球心的连线与该卫星和地球球心之间的连线的夹角为
Figure FDA0003968553320000011
根据每个观测卫星的所确定的切点确定该观测卫星的轨道高度；
确定每个观测卫星的观测上边缘；
使每个观测卫星达到为该观测卫星确定的轨道高度；
对每个观测卫星的多个望远镜进行定向，使得所述多个望远镜具有由所述观测上边缘和观测下边缘构成的视野；以及
通过所述望远镜在其视野中观测空间目标；
每个观测卫星分别处于由控制台为该观测卫星确定的轨道高度，其中每个观测卫星具有多个望远镜，所述多个望远镜被定向为具有由所述观测上边缘和观测下边缘构成的相应视野，并且所述望远镜被配置为在其视野中观测空间目标。
2.根据权利要求1所述的方法，执行下列动作：
提供观测卫星的观测距离；
根据观测卫星的轨道高度和观测卫星的数目确定观测角度；以及
根据观测距离和观测角度确定观测卫星的光学望远镜的载荷。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述数目N为4、6、8、9、10、或者12。
4.根据权利要求1所述的方法，其中每个观测卫星配备有两个光学望远镜，其中所述两个光学望远镜被相反地定向并且每个光学望远镜分别具有所述观测上边缘和观测下边缘。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述空间目标包括下列各项至少之一：飞行物、空间碎片、陨石以及小行星。
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