（航空宇航科学与技术专业论文）天基照相跟踪空间碎片轨道确定方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 空间碎片严重地威胁着在轨运行航天器的安全，是一个亟待解决的难题，引 起了国际上的高度重视。天基照相跟踪具有能耗低、精度高以及易于小型化实现 等方面的优势，是观测中小尺寸危险空间碎片的有效手段。本文分析了天基照相 跟踪的特点和基本原理，对天基照相跟踪空间碎片初始轨道确定和精密轨道确定 相关理论和方法进行了深入分析和研究。论文主要工作如下： 考虑到空间碎片的特点和轨道确定研究的需要，定义了常用的坐标系统，分 析了空间碎片所受的摄动力情况。 总结讨论了天基照相跟踪的特点，考虑地球遮挡、地影及跟踪太阳角等因素 的影响，推导出了跟踪卫星对空间碎片的可观测条件；从底片归算原理出发，建 立了天基照相跟踪的观测模型。 在没有任何空间碎片初始状态信息的情况下，为满足精密轨道对初始轨道的 精度要求，提出了基于天基照相跟踪的广义l a p l a c e 初始轨道确定方法，并与数学 意义上的初始轨道确定方法进行了仿真比较分析。 基于天基照相的观测模型和空间碎片的运动方程，研究了批处理精密确定空 间碎片轨道的方法；为了能实时地确定空间碎片的轨道，研究了扩展k a l m a n 滤波 精密确定空间碎片轨道的方法；针对低轨道和地球同步轨道空间碎片，仿真分析 了这两种方法在单个跟踪弧段和多个跟踪弧段下的定轨精度。 主题词：空间碎片照相跟踪广义l a p l a c e 方法批处理定轨扩展 k a l m a n 滤波定轨 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t s p a c ed e b r i si sa l lu r g e n tp r o b l e mt ob es o l v e d ，w h i c hh a sb e e nb a d l yt h r e a t e n i n gt h es e c u r i t y o fo p e r a t i n gs p a c e c r a f ta n dh a sb e e na t t r a c t i n gg r e a te m p h a s e sf r o mi n t e r n a t i o n a l t h es p a c e b a s e d c a m e r at r a c k i n gi sa ne f f e c t i v et e c h n i q u et oo b s e r v ed a n g e r o u ss p a c ed e b r i sa tam i d d l eo rs m a l ls i z e f o ri t sa d v a n t a g e so fl o w e rp o w e rc o n s u m i n g ，h i g h e rp r e c i s i o na n de a s i e rr e a l i z i n g t h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n df u n d a m e n t a lo fs p a c e b a s e dc a m e r at r a c k i n g t h ec o r r e l a t i v e t h e o r i e sa n dm e t h o d sw e r ed i s c u s s e da n dr e s e a r c h e d p a r t i c u l a r l y , i n c l u d i n g i n i t i a lo r b i t d e t e r m i n a t i o na n dp r e c i s eo r b i td e t e r m i n a t i o nw i t hs p a c e b a s e dc a m e r at r a c k i n gd a t a t h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ed e m o n s t r a t e da sf o l l o w s ： i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p a c ed e b r i sa n dt h ed e m a n do fo r b i td e t e r m i n a t i o nr e s e a r c h , s o m ec o m m o n l yu s e dr e f e r e n c ef r a m e sw e r ed e f i n e da n dt h ep e r t u r b a t i v ef o r c e sa c t i n go ns p a c e d e b r i sw e r ea n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s p a c e - b a s e dc a m e r at r a c k i n g w e r e g e n e r a l i z e da n dd i s c u s s e d c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h es h e l t e rf r o mt h ee a r t h ，t h ee a r t hs h a d o wa n dt h ea n g l eo fs u n l i g h t w h e nt r a c k i n g , t h eo b s e r v a b l ec o n d i t i o n so fs p a c ed e b r i sf r o mt r a c k i n gs a t e l l i t ew e r ed e d u c e d b a s e d 0 nt h ep r i n c i p l eo fn e g a t i v er e d u c t i o n , t h eo b s e r v a t i o nm o d e l sb a s e do ns p a c e b a s e dc a m e r at r a c k i n g w e r eb u i l t w i t h o u ta n ys p a c ed e b r i si n i t i a ls t a t u si n f o r m a t i o n , t h eg e n e r a l i z e dl a p l a c em e t h o df o ri n i t i a l o r b i td e t e r m i n a t i o nb a s e do ns p a c e b a s e dc a m e r at r a c k i n gw a sp u tf o r w a r dt om e e tt h ep r e c i s i o no f i n i t i a lo r b i td e t e r m i n a t i o nf o rt h ed e m a n do fp r e c i s eo r b i t m o r e o v e r , t h i sm e t h o dw a sc o m p a r e d w i t ht h em e a n so fm a t h e m a t i c sb yt h ew a yo fs i m u l a t i o na n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h eo b s e r v a t i o nm o d e l sb a s e do ns p a c e - b a s e dc a m e r at r a c k i n ga n dt h ek i n e t i c e q u a t i o n s ，t h eb a t c hp r o c e s sf o rs p a c ed e b r i sp r e c i s eo r b i td e t e r m i n a t i o nw a ss t u d i e d t h ee x t e n d e d k a l m a nf i l t e r i n gm e t h o dw a su s e dt oc o m p u t et h er e a l t i m eo r b i to fs p a c ed e b r i s f o rb o t hl o we a r t h o r b i ts p a c ed e b r i sa n dg e o s y n c h r o n o u so r b i ts p a c ed e b r i s ，t h ep r e c i s i o n so ft h e s em e t h o d sw e r e s i m u l a t e da n da n a l y z e du s i n go n et r a c k i n ga r co rs e v e r a lt r a c k i n ga r c s k e yw o r d s ：s p a c ed e b r i s ； c a m e r at r a c k i n g ；g e n e r a l i z e dl a p l a c e m e t h o d ；b a t c hp r o c e s so r b i td e t e r m i n a t i o n ；e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r i n go r b i t d e t e r m i n a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1 撞击实验得到的空间碎片破坏力7 表1 2 无控条件下，仅考虑大气阻力的典型轨道上的空间碎片寿命估计。8 表1 3 一年内不同尺寸空间目标的碰撞概率。8 表4 1 初始轨道确定仿真结果5 l 表5 1 跟踪卫星轨道参数6 l 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 图 图 图 1 2 3 4 图1 5 图1 6 图1 7 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图 图 图 图 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图目录 地球轨道空间物体组成4 地面设备探测到的地球轨道上的物体数量分类统计5 空间碎片密度随高度分布情况5 近地轨道和地球同步轨道空间碎片分布5 空间碎片来源6 c e r i s e 卫星重力梯度杆撞断事件9 哈勃太空望远镜太阳帆板上肉眼可见的撞击坑9 天球赤道坐标系1 7 空间碎片天基光学观测原理图3 1 图像叠加结果和处理结果3 2 空间碎片处于跟踪卫星和地球的切线包络外3 2 空间碎片处于跟踪卫星和地球的切线包络内。3 3 空间碎片进、出地影平面图3 4 卫星观测与太阳光影响关系图3 5 底片星象表示的空间方向3 5 量测坐标系与天球坐标系的坐标转换3 6 空间碎片方向计算流程4 2 批处理定轨流程图5 7 扩展k a l m a n 滤波精密定轨流程图5 8 两个跟踪弧段扩展k a l m a n 滤波低轨道空间碎片定轨误差5 9 第一跟踪弧段扩展k a l m a n 滤波低轨道空间碎片定轨误差5 9 第二跟踪弧段扩展k a l m a n 滤波低轨道空间碎片定轨误差6 0 一个跟踪弧段批处理低轨道空间碎片定轨误差。6 0 两个跟踪弧段批处理低轨道空间碎片定轨误差6 0 两个跟踪弧段扩展k a l m a n 滤波地球同步轨道空间碎片定轨误差6 l 第一跟踪弧段扩展k a l m a n 滤波地球同步轨道空间碎片定轨误差6 2 第二跟踪弧段扩展k a l m a n 滤波地球同步轨道空间碎片定轨误差6 2 一个跟踪弧段批处理地球同步轨道空间碎片定轨误差6 3 两个跟踪弧段批处理地球同步轨道空间碎片定轨误差6 3 三个跟踪弧段批处理地球同步轨道空间碎片定轨误差6 3 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：丞基腿担堡壁窒闷壁垃垫道殖宝左洼叠窒一一 糊黼擀：粗吼沙1 月巧日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名：左二蔓痘垒 日期：沙。了年l f 月巧日 日期：瑚7 年( 1 月以日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 从1 9 5 7 年前苏联把全世界的第一颗人造卫星送上太空至今，人类开展的航天 器发射任务已超过了4 5 0 0 次，随着航天技术的日益成熟和飞速发展，越来越多的 国家加入到这个充满挑战和战略意义的领域中。毋庸置疑，航天技术为人类日常 生活带来了极大的便利，包括气象观测、卫星通信、资源勘测、军事侦查、大地 测量和导航定位等等；另外，空间优势已成为军事斗争的战略制高点，具有重大 的战略意义。然而，随着人类航天活动的日益增加，地球轨道空间中的空间碎片 也越来越多，5 0 多年来，人类的空间活动制造了数以亿计的空间碎片。空间碎片 的存在严重地威胁着在轨运行航天器的安全，是一个待解的难题，因此引起了国 际上的广泛关注。 1 9 8 8 年联合国第4 4 届大会上，关于“和平利用外层空间的国际合作”的4 4 4 6 决议中第一次列入了空间碎片的内容，此后每年都成为决议中的一项内容，并做 出相应的决议。目前唯一的专门从事空间碎片研究的国际组织机构间空间碎 片协调委员会( i a d c ) 于1 9 9 3 年成立，旨在使各空间机构能够交换有关空间碎 片研究的合作机会，并找出缓减空间碎片问题的方案。1 9 8 8 年1 月5 日，美国里 根总统发布的国家空间政策中第一次提出了空间碎片问题，从那以后，美国制定 了一系列的空间碎片政策。 1 9 8 6 年，中国国家高技术计划航天领域将空间碎片作为影响载人航天的重要 空间环境之一，列入了环境保障计划。1 9 8 9 年1 2 月，中国航天工业总公司召开了 第一次空间碎片问题研讨会。1 9 9 9 年启动了空间碎片研究行动计划专项。从2 0 0 0 年的“十五 计划开始，空间碎片研究列入国家五年计划之中。“十五 期间，我 国在空间碎片研究方面取得了一系列成果：1 ) 我国空间碎片探测手段有所改善， 研制了2 5 厘米车载光电望远镜和6 5 厘米地基光电望远镜，参加了i a d c 组织的 空间物体陨落期国际联测，监测了国内航天器的在轨状态，发现了6 0 余个未知的 空间碎片，进行了天基雷达和直接探测设备的方案研究；2 ) 环境与数据库研究进 展顺利，收录了国外编目数据，建成了可跟踪空间碎片动态数据库，基本实现动 态更新，初步具备为航天器进行预警服务的技术能力，在首次载人航天任务中得 到了应用；3 ) 空间碎片防护研究同步跟进，初步开展了超高速撞击试验，进行了 计算机仿真，制定了超高速撞击特性研究规程，掌握了碰撞风险评估方法，制定 了防护设计软件包：4 ) 空间碎片减缓取得突破，解决了运载火箭上面级的“钝化 技术，并成功应用于型号，制定了地球同步轨道卫星任务后离轨处置的技术方案， 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 积极参与i a d c 减缓指南的编写工作，启动了我国运载火箭末级任务后离轨技术、 近地轨道卫星的空间碎片减缓技术和空间物体再入风险评估技术的研究。在中国 政府的支持下，“十一五”计划在2 0 0 5 年得到批准，2 0 0 6 年开始实施，其目标是： 1 ) 通过三大工程建设( 以空间碎片数据库为载体的监测预警工程；以空间碎片防 护设计为载体的航天器防护工程；以空间碎片减缓设计标准为载体的空间环境保 护工程) ，在2 0 2 0 年前实现建成满足我国航天活动需要的、完整的空间碎片监测 和研究试验设施，培养一支稳定的专业队伍的总目标；2 ) 通过监测预警工程将建 设完善的地基和天基空间碎片监测网，逐步具备精密跟踪l 厘米以上已知目标和 发现新目标的能力，构建自主的动态数据库和碰撞预警系统，提供碰撞与陨落预 警服务；3 ) 通过航天器防护工程将全面掌握小碎片的分布、航天材料和构型的超 高速撞击特性以及航天器部件分系统的失效模式，建成实用的空间碎片防护设计 专家系统和相应的防护设计手册，具备对航天器进行空间碎片风险评估和防护优 化设计的能力，成为航天器安全设计的重要环节；4 ) 通过空间环境保护工程将建 立空间碎片减缓标准体系和减缓措施评估机制，全面贯彻执行减缓标准，将我国 航天活动产生的空间碎片减少到最低限度，并在国际空间碎片减缓行动中发挥重 要作用；5 ) 满足国内航天活动需要的同时，为其他国家航天活动服务。 目前，应对空间碎片的策略主要有规避、加强航天器防护和保护空间环境。 加强航天器防护主要是针对毫米级空间碎片和微米级空间碎片采取的措施，毫米 级空间碎片有可能穿透数毫米厚的舱壁，一颗空间碎片可能导致航天器的彻底失 效。微米级空间碎片撞击航天器虽然不会立即影响其工作，只是在航天器表面留 下小小的撞击坑，但是因为它的数量众多，日积月累，表面上的“千疮百孔 会 改变某些表面的性能，例如：光洁的照相机镜头会变成磨砂玻璃，使得成像质量 下降；辐射器表面形成的“蚀坑 会改变其辐射和吸收热量的能力，可能导致温 度控制的失灵；太阳帆板表面的撞击坑会影响发电效率等等。由于这些碎片体积 小且数量太多，无法逐个测量它们的轨道，航天器无法实施机动策略躲避其碰撞， 只能采取对航天器进行防护设计提高自身的“免疫力”。对于大空间碎片( 尺寸大 于l o 厘米) 和危险空间碎片( 尺寸介于l 毫米和1 0 厘米之间) ，航天器目前的防 护能力难以应付，因此，为了确保航天器的安全，唯一的办法就是进行规避操作， 避免碰撞的发生。航天器的规避操作是一个复杂的过程，通常需要完成以下步骤： 1 ) 测量空间碎片的位置和速度； 2 ) 确定空间碎片的轨道； 3 ) 预报空间碎片位置； 4 ) 预报需要规避航天器的位置； 5 ) 比较航天器和空间碎片的位置，计算碰撞概率； 6 ) 改变航天器轨道。 目前国际上已经有一些航天器成功规避空间碎片的案例：1 9 9 9 年1 0 月2 7 日国际空 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 间站规避了飞马座残骸，2 0 0 5 年1 月2 3 日规避了s l 8r b 碎片，2 0 0 5 年1 0 月2 1 日美 国同步轨道卫星t e r r a 也成功规避了与一颗碎片的碰撞；2 0 0 4 年3 月2 7 日，欧空局 规避机动操作e r s 2 躲避s l 8 残骸，2 0 0 4 年9 月e n v i s a t 机动规避c o s m o s1 2 6 9 都获得 了成功；据中国航天科技集团公司网站消息，2 0 0 9 年1 0 月3 日上午8 时2 5 分，由中 国航天科技集团公司实施的中国卫星首次规避空间碎片的轨控任务成功完成，此 次轨控完成质量良好，轨道高度误差小于4 米，偏心率误差小于十万分之三，操作 安全稳妥性好，在国内可控范围内分步实施，为形成中国规避碰撞的机制提供了 首个成功案例。 空间碎片观测是航天器规避空间碎片的首要环节。目前国际上使用的空间目 标的探测设备主要是地面设备，典型的有美国空间监测网使用的相控阵雷达和光 电望远镜以及法国的空间监视雷达g r a v e s 等。地基探测容易受到大气层的干扰， 而且对于中小尺度的空间碎片( 即危险空间碎片) 的探测还是盲区。天基照相跟 踪具有的能耗低、精度高以及易于小型化实现等方面的优势，是观测中小尺寸危 险空间碎片的有效手段。而且对于高轨道上的空间碎片，利用天基观测设备更加 有效，特别是对于对地观测有重要意义的地球同步轨道。随着微小卫星技术的发 展，灵活多样的小卫星也为天基观测在大范围开展提供了支持，降低了天基观测 的门槛【1 训。 本文的工作围绕解决中小尺度空间碎片的轨道确定问题而展开，对天基照相 跟踪空间碎片轨道确定相关理论和方法进行研究。研究成果为空间碎片编目，计 算双行轨道根数【4 】( t l e s ) 提供了基础，对空间碎片预警和确保我国空间安全具 有重要意义。 1 2 空间碎片概况 在地球周围的轨道空间环境中，绝大多数的物质是以原子、分子、离子、气 体和等离子体等形态存在的，只有极少数是以常规的空间物体的形式存在，这些 空间物体包括天然物体和人造物体。天然物体只有飞速掠过地球的“流星体 ，在 它们偶然进入大气层时短暂地展现其身影流星。随着人类航天任务的不断活 跃，人造物体的数量和规模与日俱增，一部分物体进入围绕太阳运动的轨道已经 成为人造行星而远离地球，其它为工作中的航天器和空间碎片。 ( 1 ) 空间碎片的定义 空间碎片【5 1 系指位于地球轨道或重返大气稠密层不能发挥功能而且没有理由 指望其能够发挥或继续发挥其原定功能或经核准或可能核准的任何其他功能的所 有人造物体包括其碎片及部件不论是否能够查明其拥有者。这是1 9 9 9 年联合国空 间碎片技术报告中关于空间碎片的完整定义。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 地球轨道空间物体组成 ( 2 ) 空间碎片的增长和分布 从1 9 5 7 年第一颗人造地球卫星发射至今，人类开展的航天器发射任务超过了 4 5 0 0 次，发生了近2 0 0 次航天器解体事件。据美国空间监测网( s p a c es u r v e i l l a n c e n e t w o r k ，s s n ) 统计【6 】，目前轨道空间中尺寸大于1 0 厘米的已编目的空间物体大 约有1 2 6 0 0 个；未编目的尺寸为l 厘米至l o 厘米的空间物体大约有3 0 0 0 0 0 个；未编 目的尺寸为0 1 厘米至1 厘米的空间目标大约有1 3 5 0 0 0 0 0 0 个。在已编目的空间物体 中，有5 为工作中的航天器，2 0 为遗弃的航天器，1 4 为上面级，8 为操作性 碎片，5 3 为解体碎片。从1 9 5 7 年至2 0 0 8 年由地面设备探测到的地球轨道上的目标 数量分类统计情况如图1 2 所示，空间碎片密度随高度分布情况如图1 3 所示。图1 4 为2 0 0 8 年4 月“拍摄”的尺寸大于1 0 厘米的近地轨道和地球同步轨道碎片分布情况。 ( 3 ) 空间碎片的来源 空间碎片的来源很多，大致分为两大类【7 】。第一类是人类在常规太空活动中产 生的废弃物及其衍生物，包括遗弃的航天器、运载火箭箭体、操作性碎片、爆炸 解体碎片、固体火箭喷射物、撞击产物、剥落的表面材料和特殊碎片等。地面监 测系统能够测定的大碎片主要来源于遗弃的航天器、运载火箭箭体和操作性碎片， 爆炸解体碎片则大小都有，固体火箭喷射物、撞击产物和表面剥落产生的碎片通 常都是小空间碎片。第二类是人类试验或采用反卫星武器( a s a t ) 摧毁卫星过程 中产生的碎片。美国、俄罗斯和中国都曾用这种方法销毁过废弃卫星。美国在1 9 8 5 年9 月进行了一次a s a t 试验，这次试验产生的最后一片碎片直至u 2 0 0 4 年才从轨道 上消失。苏联在二十世纪七八十年代用a s a t 销毁了一颗卫星，产生了7 0 0 多块大 碎片，其中的3 0 0 块至今仍留在轨道上。中国在2 0 0 7 年1 月1 2 日发射了一种反卫星 武器弹道导弹摧毁了老化的“风云 1 号c 气象卫星，从图1 2 中的统计数据可 以看出，这次试验产生了约2 0 0 0 块空间碎片。 第4 页 国斩科学技术大学研究生院硕士学值论文 一舶 ： | 。 。|r i m h ：斗 l m k _ 卜m l ： ，vji | 】 l 【li ， e 1 一 _ f 兰 什斗_ j r 。 i 。 一jj ，、 ， 臻器 ，、+ 眦 l r r 一 j -o j；宦；jt _ 目ii i ， l i i l l g l l 】 豳12 地面设备探测到的地球轨道上的物体数量分类统计 a l t i t u d e ( k m ) 图13 空问碎片密度隧高度分布情况 第5 页 li】l，n)兰o凸 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 空间碎片来源 遗 弃 的 航 天 器 运 载 火 箭 箭 体 操 作 性 碎 穴 爆 炸 解 体 碎 片 固 体 火 箭 喷 射 物 撞 击 产 物 剥 落 的 表 面 材 料 图1 5 空间碎片来源 ( 4 ) 空间碎片的大小和分类 ， 特 殊 碎 浅 a s a t 试 验 按照对空间碎片研究方法或研究目的的不同有不同的分类方法。 根据空间碎片的探测方法与防护措施的特点，按其大小空间碎片可分为大空 间碎片、小空间碎片和危险空间碎片。大空间碎片主要指目前地面观测设备能够 观测并测定其轨道的碎片，这类碎片的尺寸通常大于1 0 厘米，具有较强的能量和 破坏力，航天器需要很厚的屏蔽或进行机动规避才能保证安全。小空间碎片是指 尺寸在1 毫米以下的空间碎片，通过天基直接探测，或者分析回收物的表面获得其 信息。它们的质量小，但在空间碎片中占有极大的比例，并有足够的能量毁坏航 天器各个子系统，需要采取适当的防护措施来提高航天器的防御能力。危险空间 碎片指介于大、小空间碎片之间的碎片，它们尺寸较小，目前尚无有效的探测方 法，地基望远镜和雷达一般无法观测或测定其轨道；对航天器的损坏能力比小空 间碎片大，防护困难：数量比大空间碎片多，航天器规避困难，因此是十分危险 的碎片。 根据碎片尺寸以及对航天器危害研究需要，可将空间碎片分为微米级、毫米 级、厘米级甚至米级。不同尺寸的空间碎片对航天器的危害方式及程度是不同的， 研究证明，航天器防护的对象主要是毫米级及微米级的空间碎片，目前应对厘米 级以上空间碎片的最有效措施是通过轨道机动来规避。 ( 5 ) 空间碎片的威胁 空间碎片的威胁来自它巨大的破坏力。空间碎片和航天器撞击时的平均相对 速度是1 0 千米秒，即3 6 0 0 0 千米d , 时。撞击时的动能十分巨大，与高速公路上 时速1 0 0 千米的汽车相比，空间碎片的能量与质量为其1 3 万倍的汽车能量相当， 也就是说一颗1 0 克的空间碎片撞击航天器时，它的撞击效果和被质量为1 3 0 0 千 克、时速为1 0 0 千米的汽车撞击的效果是一样的，后果将是灾难性的。和炸药相 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 比，l 克空间碎片的动能相当于2 4 克炸药爆炸时释放的能量。通过撞击实验得到 的实际破坏力【5 1 如表1 1 所示。 表1 1 撞击实验得到的空间碎片破坏力 空间碎片直径撞击坑深度穿透的铝板厚度穿孔的直径 ( 毫米) ( 毫米)( 毫米)( 毫米) 12 1 74 8 4 7 51 1 92 6 12 3 3 1 02 4 74 4 44 6 5 1 0 02 8 15 4 34 6 5 6 下面从在轨风险、地面风险和危害实例三方面来具体分析空间碎片的威胁。 在轨风险 空间碎片的存在严重地威胁着在轨运行航天器的安全，它们和航天器的碰撞 能直接改变航天器的表面性能，造成表面器件损伤，导致航天器系统故障，对航 天器的正常运行带来极大的危害。同时空间碎片的不断产生对有限的轨道资源也 构成了严重威胁，尤其是当某一轨道高度的空间碎片密度达到一个临界密度时， 碎片之间的链式碰撞过程将会造成轨道资源的永久性破坏。目前在地球的外围， 一条危险的垃圾带已经形成，并日见膨胀。太空垃圾中最大的危险来自具有很高 动能的金属废料，一个直径只有1 厘米大小的颗粒在与卫星碰撞时，就能释放出 一颗手榴弹爆炸的能量；一颗迎面而来的直径为0 5 毫米的金属微粒，足以戳穿密 封的宇航员飞行服；像油漆细屑、涂料粉末等这些人们肉眼无法辨别的尘埃，也 有可能成为令宇航员殒命的“杀手。 在轨风险存在的原因：1 ) 空间碎片动能巨大；2 ) 破坏力强即便是小碎片， 参见表1 1 ；3 ) 目前在轨运行的航天器没有能抵挡2 厘米以上空间碎片的防护能 力；4 ) 大部分空间碎片在轨寿命【6 1 长，尤其是高轨碎片( 参见表1 2 ) ；5 ) 碰撞 概率1 6 1 大( 参见表1 3 ) 。 空间碎片的尺寸大小、能量高低不同，对航天器的影响程度也不同。 1 ) 尺寸不同的空间碎片对航天器的影响：尺寸较小的空间碎片数量很多，与 航天器的碰撞几率较大，能严重改变航天器的表面性能，特别是微小空间碎片对 航天器表面的砂蚀作用，它将降低太阳能电池的效率、使温控包扎层性能变差， 严重的可以使航天器表面强度降低，甚至出现裂纹，高压容器的舱壁受损，可能 会引发爆炸；尺寸较大的空间碎片会损坏航天器表面材料，造成撞击坑，对表面 器件造成损伤，严重的会破坏航天器的整个结构。 2 ) 能量不同的空间碎片对航天器的影响：高速撞击的空间碎片会使自身及被 撞击的航天器表面材料气化为等离子体云，最终会形成航天器故障；大的空间碎 片高速与航天器碰撞时，将巨大的动能传递给航天器，使航天器的姿态改变，甚 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 至改变航天器的轨道；当空间碎片的能量足够大时，将穿透航天器表面，使舱内 氧气泄漏并威胁舱内航天员和仪器的安全，另外碎片可能穿透航天服，威胁舱外 活动的航天员的生命安全；最为严重的碰撞会给航天器带来毁灭性的破坏，并且 会产生大量新碎片。 表1 2 无控条件下，仅考虑大气阻力的典型轨道上的空间碎片寿命估计 近地点远地点 典型碎片轨道类型在轨寿命( 年) 轨道高度( 千米) 4 0 0 4 0 0 空间站轨道0 5 1 8 2 5 8 2 5s p o t 卫星 2 0 0 2 0 0 3 6 0 0 0g e o 转移轨道 1 0 6 0 0 3 6 0 0 0g e o 转移轨道 1 0 0 0 0 3 6 0 0 0 3 6 0 0 0 地球静止轨道 1 0 0 0 0 0 0 表1 3 一年内不同尺寸空间目标的碰撞概率 空间目标尺寸 0 1 毫米 1 毫米 1 厘米 1 0 厘米 碰撞概率 1o 50 0 0 30 0 0 0 2 地面风险 空间碎片的威胁不仅在天上，也在地面，它在陨落时会威胁到地面的生态系 统。空间碎片在陨落过程中，会以高达8 千米秒的速度再入大气层，与大气发生 剧烈摩擦，产生高温高压使其熔化，在7 5 - - 8 0 千米高度甚至会解体或爆炸，最终 会有初始质量2 0 至4 0 的碎块陨落到地面。这些高速的炙热碎块会对地面的生 态系统造成威胁。 从1 9 5 9 年开始，每年都有许多碎片脱离轨道返回大气层，最多的1 9 8 9 年陨 落的碎片超过1 0 0 0 个。2 0 0 1 年、2 0 0 4 年和2 0 0 5 年先后陨落在沙特阿拉伯、阿根 廷和泰国曼谷的发射g p s 卫星的固体火箭容器，蛋形体物体直径1 2 米，质量5 0 千克以上。在2 0 0 1 年陨落的物体中，属于俄罗斯( 苏联) 的碎片最多，超过1 2 0 吨，其次是美国将近3 0 吨。 再入的风险不仅是机械撞击，还有对环境的化学和放射性污染。以核能为动 力的航天器陨落时，由于放射性物质的大面积扩散和污染，后果特别严重，尤其 受到关注。1 9 7 8 年1 月2 4 日，苏联雷达卫星宇宙9 5 4 发生故障，在加拿大西北上 空解体，星上3 0 千克浓缩铀和反应堆陨落，放射性碎片洒落在8 0 0 千米长的地带 上，清除的费用达1 4 0 0 万美元。到1 9 9 8 年还有2 9 个这样的反应堆在轨道上运行。 因此，每次大型航天器陨落之前都会十分紧张地动员全球的力量监测和预报 它的轨道、陨落期和陨落点。一些国家还将空间碎片陨落作为需要采取应急措施 的自然灾害之一。 人类活动在地面上的分布是极不均匀的，如果空间碎片陨落在大海之中，或 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 者陨落在荒无人烟的沙漠之中，对人类几乎不构成威胁，但如果陨落在人口稠密 区，甚至陨落在都市中其后果是不堪设想的。提前预报空间碎片陨落的时阳】和 地点是减轻其灾害性的重要措施。 危害实例 1 ) 空间碎片对航天器的危害。1 9 7 8 年8 月5 日美国发射的l 颗秘密卫星“地球观 测二号”的超高频遥测信号中断，低能等离子体实验失效。分析认为：由于一部 分太阳电池阵受到碎片撞击，导致电池输出线与结构短路而产生故障。1 9 8 4 年4 月 美国航天飞机从“太阳话动峰年”卫星带回的失灵的电子线路和表面的热控涂层 上发现有许多受到打击的痕迹，有的小坑直径达到1 4 0 微米，被打穿的热控涂层的 小孔直径为8 0 5 0 0 微米。1 9 9 6 年7 , 目2 4 h ，法国樱桃色( c e r i s e ) 卫星的重力梯度 杆被欧i i | f “阿里亚( a r i a n e ) ”火箭助推器的残片撞断( 参见图16 ) ，导致卫星 姿态失去控制。哈勃太空望远镜的太阳帆板上有超过5 0 0 0 个肉眼可见的撞击坑( 参 见图17 ) 。2 0 0 9 年2 月1 1 日，俄罗斯废弃的“宇宙2 2 5 i ”军用通信卫星和美国铱卫星 公司的“铱3 3 ”卫星在西伯利亚上空约8 0 0 公里相撞，相撞后化作两团“碎片云”，这 次碰撞不仅带来了巨大的直接经济损失，更重要的是产生的新碎片带来了巨大的 安全隐患。 _ 图1 6c e r i s e 卫星重力梯度扦撞断事件 图17 哈勃太空望远镜太阳帆扳上肉眼可见的撞击坑 2 ) 空问碎片对载人航天的危害。据统计，自1 9 8 8 年s t s 2 6 任务开始，美国航天 飞机在其多年的飞行过程中，先后发生过近3 0 次的目标进入警戒区域的事件，已 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 专门为避开来袭的物体而进行了8 次以上的机动操作。航天飞机每次执行任务回 来，在表面上都会发现许多空间碎片撞击坑。发现号航天飞机2 0 0 0 年1 0 月执行和 国际空间站对接任务，在1 3 天飞行期间被撞击3 8 次，最大的撞击坑达1 厘米，是由 小的油漆片撞击形成的。奋进号航天飞机飞行1 1 天，被撞击3 0 次。发现号第s t s l1 4 次飞行时，共有4 1 个撞击坑，其中舷窗上有1 4 个，最大的大小为6 6 毫米5 8 毫米。 为了保证飞行的安全，必须更换严重受损的舷窗，平均每次飞行需要更换1 4 l 块舷 窗。2 0 0 3 年哥伦比亚号失事以后，对空间碎片的撞击更加重视，在返航前仔细检 查航天飞机表面有没有被撞击损坏。国际空间站自从入轨以来，为了躲开一个一 直被跟踪着的巨大物体，已进行了6 次变轨机动。每一次规避飞行需要付出的代价 是：动员大量的人力物力加强监测和预警工作，航天飞机和国际空间站需要改变 飞行轨道，暂时停止一切实验项目，并且消耗大量宝贵的燃料。而国际空间站平 均每年要进行规避飞行1 4 次。由此可见，载人航天任务需要为躲避空间碎片的碰 撞而付出沉重的代价。 1 3 研究现状 1 3 1 空间碎片天基监测研究现状 空间碎片的天基监测是指利用位于天基平台的监测设备和探测器件对空间碎 片进行监测的方法。空间碎片的天基监测从测量形式上可以分为天基遥感探测、 天基直接探测和航天器表面采样分析等3 种主要手段，其中天基遥感探测属于主 动式探测方式，而后两种则为被动式的空间碎片探测。 ( 1 ) 天基遥感探测 目前天基遥感探测主要由光电和无线电两种手段。光电手段主要采用可见光 望远镜；无线电手段主要采用微波雷达和激光雷达。探测平台包括卫星、飞船和 空间站。由于天基遥感探测是在太空中对空间碎片进行观测，探测器与空间碎片 之间的距离较近，而且在探测过程中不会受到大气的干扰，因此对空间碎片的观 测具有极高的分辨率，是探测中小尺寸空间碎片的有效手段。 无线电手段 无线电手段采用“主动 方式进行探测，即由发射机发出一束无线电波，电 波照射到空间碎片后被反射，接收机接受反射的无线电波，通过分析接收信号获 取空间碎片特性。无线电手段主要采用微波雷达和激光雷达。 微波雷达利用无线电波测定目标位置及其相关参数。微波雷达在太空中用于 空间碎片的探测由于不受地球大气的影响，能够工作在较高的信号频率上，从而 采用比地面设备小得多的天线孔径和发射功率，就能够探测到距离较远、尺度较 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 小的空间目标，尤其是探测目前无法观测的中小尺度的危险碎片。微波雷达是当 前天基雷达研究的重点，被广泛应用于空间碎片的探测过程中。目前国际上对空 间碎片实行天基观测的雷达有：美国在国际空间站上搭载的用于监视轨道碎片的 雷达、法国空间研究中心小卫星群上的微波雷达、俄罗斯的毫米波相控阵雷达和 加拿大的观测空间碎片的雷达。 激光雷达是利用激光技术来实现目标探测的一种雷达，它以激光器作为辐射 源，将雷达的工作波段扩展到光波范围，具有定位精度高，探测分辨率高，抗干 扰性强的特点，同时在太空中探测具有较小的损耗，因而成为太空中用于空间目 标探测的有效手段。但目前激光技术还不成熟，在天基探测中也仅用于近距离空 间碎片的探测。 对于天基空间碎片观测雷达，美国、加拿大、法国和俄罗斯等均有研究。a a t o l k a c h e v 8 】等于1 9 9 8 年提出采用w 波段天基雷达观n 1 毫米3 毫米的空间碎片。a h o u p e r t l 9 】提出了研制小卫星平台搭载的天基空间碎片观测雷达，观测尺寸位于0 1 毫米7 厘米之间的目标，工作频段为k a 波段，采用连续波体制获得较大的发射功 率，增大雷达的探测范围。1 9 9 5 年r h w g r a v e s | j 提出了采用车轮辐射状天线波 束的空间碎片观测雷达，对尺寸为4 厘米的空间碎片的探测距离为9 千米。1 9 9 1 年 美国t e x a sa & m 大学电子工程系提出了安装在国际空间站上的毫米波空间碎片观 测雷达系统【1 1 】，主要探测空间站附近2 5 千米范围内直径为4 毫米8 厘米的空间碎 片，角度跟踪精度小于1 0 毫弧度，距离测量误差小于1 0 m 。约翰逊空间中心与洛 克希勒工程公司合作的k u 波段天基雷达研究【1 2 1 。7 】开始于1 9 8 7 年，采用微带线形相 控阵天线。该雷达搭载在国际空间站上，能够探测在空间站附近出现的2 厘米1 0 厘米的空间碎片，提前l 2 个轨道周期得到准确的预报，探测距离为4 0 0 千米。该 雷达采用天地协同探测模式，由2 3 个地面雷达对2 厘米以上的空间碎片跟踪定轨， 向天基雷达提供碎片的轨道数据，包括距离、方位、相遇时间等。然后由天基雷 达开机，对该目标进行精确探测，再将结果传回地面，由地面处理系统得到该碎 片的精确轨道数据。我国的空间碎片研究始于2 0 0 0 年，其中中科院空间中心微波 遥感实验室的吕洁【1 8 ；1 9 】对探测空间碎片的天基雷达做了一些初步的探讨，国防科 学技术大学的马志吴【4 】博士对天基空间监视雷达星座设计与任务规划展开了研究。 光电手段 天基光学观测是指利用星载光学观测设备( 主要是光学望远镜) 对空间目标 进行观测，与地基光学观测相比，天基光学观测在空域覆盖性和监视时效性方面， 具有明显的优势： 1 ) 观测平台围绕地球飞行，为在短时间内观测到全方位空间目标提供了基本 的位置条件。 2 ) 天基观测降低了地球曲率影响，提高了几何可见时间，极大的提高了观测 的实时性。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 3 ) 由于观测几何拉开且不受大气影响，可以利用天基光学观测设备对空间目 标进行近距离成像，获取空间目标的几何特性。 李骏【2 0 】博士对天基光学监视跟踪关键技术展开了深入研究。唐轶峻【2 1 】等针对 高轨光电观测技术从基于时间序列的测光观测、基于同时性的多色测光观测、基 于低色散的光谱观测以及基于偏振的光学观测四个方面回顾了目前的研究现状和 常用的处理方法，并对研究难点和未来发展趋势作了分析和阐述。文献【2 2 j 研究基于 天基光学探测设备，对空间碎片进行了跟踪，以确定其在轨运行的速度、轨迹等 参数。文献幽j 以地面和天基探测相结合，对g e o 的小尺寸空间碎片进行了观测分