湯儒峰, 翟東升,2, 張海濤, 皮曉宇, 李春曉,3,伏紅林, 李榮旺,2, 李祝蓮,2, 李語強(qiáng),2

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺(tái), 昆明650216; 2. 中國科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測重點(diǎn)試驗(yàn)室, 南京210034; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京100049)

1 引言

自20 世紀(jì)50 年代末首顆人造地球衛(wèi)星Sputnik 1 升空以來, 人類航天活動(dòng)日趨頻繁, 作為其伴隨產(chǎn)物, 火箭殘骸與噴射物、 失效荷載、航天器解體、 爆炸以及碰撞而產(chǎn)生的大量碎片不斷增多, 逐漸形成了一個(gè)人為的空間碎片環(huán)境,這對有限的軌道資源構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[1]。 大力發(fā)展對空間碎片的跟蹤監(jiān)視新技術(shù), 增強(qiáng)對空間碎片環(huán)境的碰撞、 規(guī)避、 預(yù)警能力, 對保障航天活動(dòng)的安全和可持續(xù)地開發(fā)利用空間資源具有極其重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[2]。

空間碎片的尺度從米級到微米級不等, 截止到2018 年底, 尺寸大于10cm 的碎片數(shù)量約為2.3 萬個(gè); 大于1cm 的碎片數(shù)量約為90 萬個(gè); 大于1mm 的碎片數(shù)量數(shù)以億計(jì)[3]。 這些碎片主要集中于低軌區(qū)(LEO, 軌道高度為2000km 以下)、中軌區(qū)(MEO, 軌道高度約20000km) 和地球同步軌道區(qū)(GEO, 軌道高度約36000km), 其中低軌區(qū)分布較為密集(約3000t), 被NASA 軌道碎片計(jì)劃辦公室(ODOP) 編目的碎片多集中在軌道高度為600 ～1000km 的空間范圍內(nèi)。

數(shù)量眾多的空間碎片給在軌執(zhí)行任務(wù)的空間目標(biāo)帶來了極大威脅, 這種威脅最典型的例子是2009 年眾所周知的銥33 和宇宙2251 兩顆衛(wèi)星的碰撞, 這一災(zāi)難性的碰撞事件產(chǎn)生了數(shù)以千計(jì)的空間碎片, 使得空間環(huán)境更加惡劣[4]。 2016 年8 月,哨兵-1A (Sentinel-1A) 衛(wèi)星太陽能電池帆板遭受一個(gè)尺寸約為1cm 的空間碎片撞擊, 此次事件不但使得該衛(wèi)星受到了永久性的損傷和姿態(tài)變化,并產(chǎn)生了至少8 個(gè)空間碎片[5]。

針對空間碎片的大小、 質(zhì)量以及空間分布,目前有多種手段可以對空間碎片進(jìn)行測量。 利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡, 可以跟蹤在LEO 和GEO 軌道上10cm 以上尺寸的空間碎片, 并研究它們的亮度和旋轉(zhuǎn)等物理特性。 地基雷達(dá)則能夠?qū)?0cm 以下的低軌目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)控, 而近地探測器和返回式航天器能夠測量微米大小的碎片和微流星體的流量、 大小和質(zhì)量分布。

目前空間目標(biāo)地基觀測手段主要有光電探測[6]、 雷達(dá)、 電子籬笆[7]和激光測距, 其中激光測距技術(shù)是距離精度最高的測量技術(shù)。 目前, 針對合作目標(biāo)的激光測距單次測量精度已提高到亞厘米級, 正向毫米級發(fā)展[8,9], 針對空間碎片的激光測距測量精度可以達(dá)到分米量級。

2 空間碎片激光測距發(fā)展

空間碎片激光測距(DLR) 技術(shù)源于衛(wèi)星激光測距(SLR)。 兩者原理相同, 均是通過測量激光信號(hào)從地面站到空間目標(biāo)的往返時(shí)間, 從而獲得空間目標(biāo)的距離, 區(qū)別在于合作目標(biāo)的角反射器可反射絕大部分入射激光, 而空間碎片對入射的激光束僅靠其表面漫反射, 能夠返回到地面觀測站的光子比例遠(yuǎn)低于合作目標(biāo); 另外一個(gè)不同點(diǎn)體現(xiàn)在兩者的距離預(yù)報(bào)準(zhǔn)確程度不同, SLR 針對的合作目標(biāo)距離預(yù)報(bào)相對準(zhǔn)確, 而非合作目標(biāo)的距離預(yù)報(bào)誤差較大[10]。

空間碎片激光測距的難點(diǎn)在于:

(1) 激光回波信號(hào)弱。 合作目標(biāo)的激光角反射器反射效率高、 反射發(fā)散角小, 可以將絕大部分入射激光按原路反射回去。 對于空間碎片激光測距, 入射的激光束僅在目標(biāo)表面發(fā)生漫反射,能夠返回到地面觀測站的激光光子相對很少, 回波信號(hào)弱。 在測距過程中, 地面系統(tǒng)需要具備較強(qiáng)的探測與信號(hào)識(shí)別能力, 才能提高測距成功率。

(2) 軌道預(yù)報(bào)精度低。 衛(wèi)星激光測距中合作目標(biāo)的軌道通常是由遍布全球的觀測站每日提供的多弧段測量數(shù)據(jù)共同確定的, 一般其定軌精度可以達(dá)到米級。 而空間碎片目前很難開展全球的聯(lián)測, 測量數(shù)據(jù)相對少很多, 其定軌精度在公里級, 因而其預(yù)報(bào)精度也低。 在進(jìn)行激光測距中,預(yù)報(bào)精度低給測距帶來許多挑戰(zhàn), 如測距中往往需要加寬距離門并進(jìn)行目標(biāo)實(shí)時(shí)搜索, 這樣會(huì)導(dǎo)致背景噪聲增強(qiáng), 降低探測成功概率。

基于以上兩點(diǎn), 對于空間碎片漫反射激光測距系統(tǒng)而言, 配備較大口徑、 高效率的接收系統(tǒng), 穩(wěn)定性好的高功率激光器及高靈敏度光子探測器是必要的, 這樣才有可能使觀測站收到足夠的回波信號(hào), 提高探測成功率, 進(jìn)行有效的測距。

2.1 空間碎片激光測距國外發(fā)展

2000 年, 澳大利亞光電系統(tǒng)公司(EOS) 公司在該國堪培拉的Stromlo 激光測距站進(jìn)行空間目標(biāo)激光測距方面的工作。 2002 年, 在華盛頓召開的第13 屆國際激光測距會(huì)議上, 該公司的研究人員Ben Greene 發(fā)表了題為《空間碎片的激光跟蹤》 的報(bào)告[11], 報(bào)告中介紹了該公司在Stromlo激光測距站開展的空間碎片激光測距研究, 該測距系統(tǒng)采用口徑76cm 的望遠(yuǎn)鏡和高能量激光器,對距離約為1250km、 尺寸約為15cm 的空間碎片進(jìn)行了激光測距。 該激光測距站于2003 年1 月毀于森林火災(zāi), 2004 年重建了望遠(yuǎn)鏡口徑為1.8m的空間碎片激光測距系統(tǒng)(見圖1)。 2010 年該站系統(tǒng)升級改造, 采用重復(fù)頻率為100Hz、 功率250W、 脈寬5ns 的高功率激光器, 在空間碎片激光測距中取得很好的測量效果, 測量的目標(biāo)最小尺寸達(dá)5cm, 是目前已知的空間碎片激光測距技術(shù)最高水平。

2011 年, 奧地利Graz 激光測距站采用發(fā)射重復(fù)頻率1kHz、 功率25W、 脈寬10ns、 波長532nm激光器, 實(shí)現(xiàn)了空間碎片激光測距。 該站測量空間碎片的距離范圍為600 ～2500km, 測距精度約為0.7m, 雷達(dá)散射截面(RCS) 范圍為0.3 ～15m2。2015 年, 奧地利Graz 站實(shí)現(xiàn)了軌道高度為3000km、截面積最小為0.3m2的空間碎片激光測距[12]。2019 年4 月至10 月, 奧地利Graz 站開展了白天空間碎片激光測距試驗(yàn), 成功獲得多顆空間碎片的激光回波信號(hào)(見圖2), 率先實(shí)現(xiàn)了白天空間碎片激光測距。 試驗(yàn)期間, 測量到激光回波信號(hào)時(shí), 太陽高度角最高為39°; 測量信號(hào)數(shù)據(jù)最長持續(xù)時(shí)間約100s[13]。

2015 年, 法國Grasse 激光測距站利用口徑1.56m 的望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了軌道高度約為1700km 的DLR 測距。 2016 年中, 波蘭的Borowiec 激光測距站開展了空間碎片激光測距工作, 該測站采用了單脈沖能量450mJ、 重復(fù)頻率為10Hz 的高功率激光器, 陸續(xù)獲得了軌道高度為800 ～1200km 的非合作目標(biāo)的回波[14]。 2017 年, 德國Wettzell 激光測距站報(bào)道了該站空間碎片激光測距進(jìn)展, 該站分別使用1064nm 和532nm 波段激光進(jìn)行了測量,獲得了多圈數(shù)據(jù), 測量最小目標(biāo)的RCS 約為0.4m2。 此外, 國際上有多家測站也具備空間碎片激光測距能力, 如瑞士的Zimmerwald 測距站、德國的斯圖加特站等。

圖1 重建前后的Stromlo 激光測距站及其碎片測量截圖Fig.1 Stromlo laser ranging station and its debris measuring screenshot before and after reconstruction

圖2 Graz 激光測距站白天空間碎片測量數(shù)據(jù)截圖Fig.2 Daytime space debris measuring data screenshot of Graz laser ranging station

2.2 空間碎片激光測距國內(nèi)發(fā)展

在國內(nèi), 上海天文臺(tái)最早開展并實(shí)現(xiàn)了空間碎片激光測距技術(shù), 上海天文臺(tái)在上海佘山觀測站建立了使用大能量高功率激光器的空間目標(biāo)測距試驗(yàn)系統(tǒng) (激光器脈沖能量為2J, 波長為532nm, 重復(fù)頻率為20Hz), 開展了非合作目標(biāo)的激光跟蹤和測距試驗(yàn)。 2008 年7 月該系統(tǒng)成功獲得了3 個(gè)火箭體空間碎片的漫反射激光測距數(shù)據(jù)[15]。 2013 年3 月, 上海天文臺(tái)與中國工程物理研究院應(yīng)用光電子研究所開展合作, 對空間碎片激光測距系統(tǒng)進(jìn)行了升級[16]。 新的測距系統(tǒng)采用了高重頻的激光器, 該激光器單脈沖能量約為250mJ, 激光發(fā)射重復(fù)頻率為200Hz, 波長為532nm。 該系統(tǒng)成功測量了多圈空間碎片激光測距數(shù)據(jù), 其中最小碎片的RCS 為0.5m2。 2018年, 上海臺(tái)采用功率3W、 激光脈寬30ps 的532nm 波段激光器(重復(fù)頻率1kHz) 開展空間碎片激光測距實(shí)驗(yàn), 對部分空間目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了約7cm的測距精度[17]。

2008 年初, 云南天文臺(tái)積極開展空間碎片漫反射激光測距技術(shù)的研究, 云南天文臺(tái)給激光測距系統(tǒng)配置了高能量激光器, 其激光器單脈沖能量最大可達(dá)4.5J, 激光發(fā)射重復(fù)頻率為10Hz, 波長為532nm。 該系統(tǒng)于2010 年6 月7 日首次收到火箭殘骸的回波。 隨后, 云南天文臺(tái)使用了高重頻亞納秒激光器, 在53cm 雙筒望遠(yuǎn)鏡上實(shí)現(xiàn)了千赫茲的高重頻空間碎片激光測距系統(tǒng), 達(dá)到了具有探測米級空間碎片(約1000km) 的能力[18]。

2016 年, 云南天文臺(tái)搭建了基于超導(dǎo)探測器的紅外波段(1064nm) 的空間目標(biāo)激光測距實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 成功地對部分空間目標(biāo)進(jìn)行了激光測距[19]。 實(shí)驗(yàn)中, 云南天文臺(tái)利用現(xiàn)有的53cm 雙筒望遠(yuǎn)鏡及1.2m 望遠(yuǎn)鏡, 構(gòu)建了異地收/發(fā)的空間目標(biāo)激光測距平臺(tái)。 研究人員通過改造激光發(fā)射光路和回波接收光路, 將53cm 雙筒望遠(yuǎn)鏡作為激光發(fā)射端, 1.2m 望遠(yuǎn)鏡作為回波接收端。 分別于2017 年3 月10 日至5 月31 日, 2018 年3 月26 日至5 月13 日, 在已構(gòu)建的1064nm 漫反射激光測距系統(tǒng)平臺(tái)上, 利用2 ×2 和4 ×4 陣列超導(dǎo)探測器進(jìn)行了1064nm 波長的激光測距試驗(yàn), 并成功獲得回波信號(hào)數(shù)據(jù), 驗(yàn)證了1064nm 探測器(1064nm 陣列超導(dǎo)探測器) 在激光測距中應(yīng)用的可行性。 在兩次實(shí)驗(yàn)中, 對超過100 顆軌道高度大于500km 的空間碎片進(jìn)行了觀測, 目標(biāo)尺寸RCS 在0.046 ～14m2之間, 成功測得278 圈過境觀測數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)中測距最遠(yuǎn)距離約為5800km(編號(hào)12445, RCS 為18.5m2), 測量最小RCS約0.04m2(目標(biāo)編號(hào)1520、 902、 900), 其中空間碎片1520 為直徑36cm 的球狀, 其RCS 約為0.04m2軌道高度約為1100km, 測量時(shí)距離1464 ～1568km (見圖3)。

2013 年末, 長春人造衛(wèi)星觀測站完成了DLR系統(tǒng)安裝與調(diào)試, 其中激光器脈沖能量為60mJ,重復(fù)頻率500Hz, 波長為532nm, 光束質(zhì)量小于1.5, 并于2014 年初獲得了DLR 回波。 為了對空間碎片進(jìn)行有效監(jiān)測, 長春站基于60cm 口徑望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星激光測距系統(tǒng), 采用了實(shí)時(shí)時(shí)間偏差修正及目標(biāo)閉環(huán)跟蹤、 激光出射方向控制、 預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)修正等技術(shù), 建立了空間碎片激光測距系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了空間碎片高重頻激光測距[20,21]。 長春站在2014 年2—5 月間的26 個(gè)觀測日里獲得有效數(shù)據(jù)466 圈,觀測高度角范圍19° ～87°, 測距精度可達(dá)1.0m(內(nèi)符合精度), 測距距離范圍400 ～1800km, 觀測的目標(biāo)雷達(dá)散射截面(RCS) 最小可達(dá)0.9m2。

3 空間碎片激光測距應(yīng)用研究

精確測定空間碎片的位置和軌道, 有利于空間碎片的監(jiān)測和規(guī)避, 結(jié)合激光測距數(shù)據(jù)和光學(xué)圖像可以對空間碎片的姿態(tài)及其演化進(jìn)行反演,改善空間目標(biāo)軌道動(dòng)力學(xué)模型, 提高對其監(jiān)測的預(yù)警能力。 利用測量的DLR 數(shù)據(jù), 結(jié)合測角數(shù)據(jù), 對空間碎片進(jìn)行精密定軌, 可開展高層大氣科學(xué)等研究工作, 有望進(jìn)一步提高空間目標(biāo)的觀測精度及軌道預(yù)報(bào)精度, 增強(qiáng)對空間碎片環(huán)境的分析預(yù)警能力。

3.1 空間碎片軌道確定

利用空間碎片的高精度激光測距數(shù)據(jù), 可以顯著地提高空間碎片的定軌精度, 從而提高空間碰撞風(fēng)險(xiǎn)評估和預(yù)警發(fā)布的準(zhǔn)確性; 高精度測量數(shù)據(jù)也可以應(yīng)用于碰撞預(yù)警的精確分析, 減少虛警信息, 對預(yù)警方法進(jìn)行優(yōu)化。 一直以來, 利用空間碎片激光測距數(shù)據(jù)對目標(biāo)進(jìn)行定軌是一項(xiàng)最基礎(chǔ)也是最核心的應(yīng)用研究。

2015 年, 云南天文臺(tái)對DLR 數(shù)據(jù)及測角數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真計(jì)算[22], 研究了利用激光測距數(shù)據(jù)聯(lián)合測角數(shù)據(jù)對空間碎片進(jìn)行單站定軌的方法。計(jì)算結(jié)果表明, 該方法的定軌精度優(yōu)于單純光學(xué)測角數(shù)據(jù)定軌的精度。 隨著空間碎片激光測距技術(shù)的發(fā)展, 不少學(xué)者均開展了利用激光測距數(shù)據(jù)或聯(lián)合測角數(shù)據(jù)對空間碎片進(jìn)行定軌的研究[23-26], 但目前使用空間碎片激光測距數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌研究多是基于單站測量數(shù)據(jù)定軌, 定軌精度受限。

圖3 碎片1520 外形以及測距殘差Fig.3 Shape and ranging residual error of Debris 1520

3.2 空間環(huán)境研究

通過對空間碎片進(jìn)行高精度的距離測量, 聯(lián)合其他測量手段, 對空間碎片進(jìn)行精密定軌, 可以分析研究空間目標(biāo)所處的空間環(huán)境特征, 如利用特定軌道高度包括空間碎片在內(nèi)的目標(biāo)作為空間大氣探針, 通過精密測定軌道研究高層大氣密度演化規(guī)律, 如分析空間目標(biāo)受到的光壓攝動(dòng),以及空間中的微流星粒子密度等。

2017 年, 學(xué)者Daniel Kucharski 利用2014 年6 月10 日至2016 年10 月19 日全球各測站測量的失效衛(wèi)星Topex 數(shù)據(jù), 分析研究了該衛(wèi)星的自轉(zhuǎn)特征, 通過對其自轉(zhuǎn)速率變化的研究, 認(rèn)為該衛(wèi)星所受到的太陽光壓攝動(dòng)使其自轉(zhuǎn)加速[27]。 2019 年,紫金山天文臺(tái)通過分析天宮1 號(hào)墜落前的激光測距數(shù)據(jù), 得到了天宮1 號(hào)墜落前5 個(gè)月的自轉(zhuǎn)參數(shù)及其變化, 并以此分析建立了大氣密度梯度轉(zhuǎn)矩模型[28]。

3.3 目標(biāo)特征分析

隨著空間碎片激光測距數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升, 目標(biāo)本身的一些特性逐漸從數(shù)據(jù)中顯現(xiàn)出來。 通過分析高精度激光測距數(shù)據(jù), 可以對目標(biāo)的自轉(zhuǎn)、姿態(tài)、 尺寸等特征進(jìn)行分析, 一方面可以改善目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)模型, 提高空間目標(biāo)軌道預(yù)報(bào)精度;另一方面, 分析了解目標(biāo)的本身特征, 可以用于空間目標(biāo)識(shí)別, 并對目標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和預(yù)測。

2015 年, 云南天文臺(tái)提出了一種利用空間碎片激光測距誤差來初步測定空間碎片尺度的方法, 并依次開展了地面靶激光測距實(shí)驗(yàn)和空間碎片激光測距實(shí)驗(yàn), 初步驗(yàn)證了該方法的可行性,該方法可以作為空間碎片尺度測定的一種參考[22]。 2015 年, 奧地利Graz 站建立了空間目標(biāo)距離與光變的同步測量系統(tǒng), 該系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)能夠確定空間目標(biāo)的自轉(zhuǎn)速率和姿態(tài)特征[29,30]。2018 年, 云南天文臺(tái)使用基于超導(dǎo)探測器空間碎片測距系統(tǒng)采集的空間目標(biāo)測量數(shù)據(jù), 通過數(shù)據(jù)分離處理的手段, 實(shí)現(xiàn)了對空間目標(biāo)距離信息與光變信息的同步測量, 并獲取了部分目標(biāo)的自轉(zhuǎn)速率[31]。 圖4 為云南天文臺(tái)對空間目標(biāo)自轉(zhuǎn)特征分析初步結(jié)果, 圖4 (a) 是2017 年4 月11 日該系統(tǒng)對失效衛(wèi)星Topex 的同步測量數(shù)據(jù), 紅色是測距數(shù)據(jù), 藍(lán)色是光變數(shù)據(jù), 圖4 (a) 下部是對同步測量數(shù)據(jù)分別處理得到的衛(wèi)星自轉(zhuǎn)周期數(shù)據(jù)(激光測算周期10.562s, 光變測算周期10.568s);圖4 (b) 是碎片20853 從2017 年5 月3 日至5 月6 日測量數(shù)據(jù)的頻譜分析圖, 分析結(jié)果顯示該目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率約為3.45s; 圖4 (c) 是銥星33 碎片(編號(hào)33777) 測量數(shù)據(jù)頻譜圖, 測算出該碎片的自轉(zhuǎn)周期約為5.82s; 圖4 (d) 是碎片41858 測量數(shù)據(jù)的周期分析圖, 測算出該碎片的自轉(zhuǎn)周期約為14s。

4 空間碎片激光測距技術(shù)發(fā)展趨勢

經(jīng)過近20 年的發(fā)展, 空間碎片激光測距技術(shù)有了長足進(jìn)步, 各國激光測距臺(tái)站從最初的實(shí)現(xiàn)空間碎片激光測距技術(shù), 開始逐漸追求高效率、高精度、 遠(yuǎn)距離空間碎片激光測距技術(shù)。 為此,激光測距領(lǐng)域出現(xiàn)了空間碎片多站聯(lián)合測量、 紅外波段激光測距、 白天空間碎片激光測距、 地影中碎片激光測距等技術(shù)。 涉及技術(shù)細(xì)節(jié)上, 還有碎片預(yù)報(bào)偏差實(shí)時(shí)修正技術(shù)、 無預(yù)報(bào)目標(biāo)捕獲跟蹤技術(shù)、 自適應(yīng)輔助探測等技術(shù)。

4.1 多站聯(lián)合激光測距

多站聯(lián)合的測量是使用地面不同位置的兩個(gè)或者多個(gè)望遠(yuǎn)鏡對空間目標(biāo)進(jìn)行激光測距。 在空間碎片激光測距中, 由于激光脈沖在目標(biāo)表面發(fā)生漫反射, 反射的激光束在地面覆蓋范圍大, 可以滿足不同位置望遠(yuǎn)鏡接收激光回波的要求。 通常, 地面系統(tǒng)的探測距離、 對小目標(biāo)的探測能力均與望遠(yuǎn)鏡有效接收面積成正比。 為了提高地面系統(tǒng)對遠(yuǎn)距離、 小尺寸目標(biāo)的測距成功率, 可以采用大口徑望遠(yuǎn)鏡接收激光回波, 但是大口徑望遠(yuǎn)鏡研制難度大、 造價(jià)高、 運(yùn)行維護(hù)工作量大。多個(gè)望遠(yuǎn)鏡共同測量一方面相當(dāng)于提高了地面系統(tǒng)的有效接收面積, 另一方面多站從不同方位測量目標(biāo)距離, 可以提高定軌精度。

2012—2013 年, 奧地利Graz 激光測距站聯(lián)合歐洲幾個(gè)測距站進(jìn)行了聯(lián)合測量實(shí)驗(yàn), 如圖5 所示, Graz 站使用強(qiáng)激光 (200mJ, 532nm, 3ns,80Hz) 跟蹤失效衛(wèi)星ENVISAT, 處在600km 外的瑞士Zimmerwald 站成功地探測并標(biāo)注這些漫反射光子。 隨后, 奧地利Graz 站與英國Herstmonceux站、 德國Wettzell 站均成功開展了多站聯(lián)合測量實(shí)驗(yàn)[32]。 國內(nèi), 2014 年上海天文臺(tái)利用建立的1.56m/60cm 雙望遠(yuǎn)鏡激光測距系統(tǒng), 采用60W、200Hz 的激光器開展了聯(lián)合測量實(shí)驗(yàn), 對多顆火箭體進(jìn)行了測量[33]。 2016—2017 年, 云南天文臺(tái)基于本臺(tái)站的53cm 口徑雙筒望遠(yuǎn)鏡和1.2m 望遠(yuǎn)鏡建立了聯(lián)合測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用了大功率激光器, 其最大工作功率可達(dá)300W, 發(fā)射重復(fù)頻率為100Hz, 激光脈沖寬度為5.7ns, 激光波長1064nm, 系統(tǒng)采用2 ×2 陣列超導(dǎo)探測器探測回波光子, 該系統(tǒng)使用了紅外波段激光、 陣列探測技術(shù), 對空間碎片測量獲得了很好的結(jié)果[19,31]。

圖4 云南天文臺(tái)空間目標(biāo)特征分析Fig.4 Space object characteristic analysis by Yunnan Observatories

4.2 紅外波段激光測距

目前, 在空間目標(biāo)激光測距領(lǐng)域, 國際上一般采用532nm 波段激光進(jìn)行測距。 532nm 波段激光為可見波段綠光, 經(jīng)過多年的發(fā)展關(guān)于532nm波段激光的光路調(diào)試, 相關(guān)器件的發(fā)展都比較成熟, 使用1064nm 近紅外波段激光測距近幾年剛開始發(fā)展, 該技術(shù)逐漸從合作目標(biāo)激光測距向非合作目標(biāo)測距發(fā)展。

圖5 歐洲多站聯(lián)合測量實(shí)驗(yàn)Fig.5 European multistatic measuring experiment

相比532nm 波段激光, 使用1064nm 波段激光進(jìn)行空間目標(biāo)激光測距主要有以下幾個(gè)優(yōu)勢:同等能量的1064nm 波段激光包含的光子數(shù)是532nm 波段激光的兩倍, 通常光子數(shù)越多可以提高系統(tǒng)的測距成功率; 1064nm 波段激光比532nm波段激光的大氣透過率更高; 在測距過程中, 太陽光中的1064nm 波段的背景噪聲比532nm 波段的噪聲低一個(gè)數(shù)量級。 目前國際上已有部分測站實(shí)現(xiàn)了使用1064nm 波段激光進(jìn)行激光測距的技術(shù), 包括對激光測距衛(wèi)星[19]和月面角反射器陣列進(jìn)行測距[34,35]。

2016 年初, 云南天文臺(tái)使用1064nm 波段激光和超導(dǎo)單光子探測器, 針對合作目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了激光測距[19]; 隨后, 經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化, 2017 年云南天文臺(tái)基于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對空間碎片的近紅外波段激光測距[31]。 2019 年, 中山大學(xué)與云南天文臺(tái)合作建立了使用1064nm 波段激光的月球激光測距系統(tǒng), 該系統(tǒng)對月面5 個(gè)角反射器陣列均進(jìn)行了高精度的測量[36]。

4.3 白天激光測距

目前, 各激光測距臺(tái)站對空間碎片進(jìn)行激光測距一般選擇在晨昏時(shí)段開展, 因?yàn)橹挥性诔炕钑r(shí)段, 低軌空間碎片被太陽光照亮并且地面臺(tái)站的觀測不會(huì)受到太陽光的直接干擾。 發(fā)展白天的空間碎片激光測距可以大幅提升臺(tái)站對目標(biāo)的監(jiān)測時(shí)段, 獲得時(shí)段分布更密集的空間目標(biāo)測距數(shù)據(jù), 這樣可以提高對空間碎片的定軌精度、 監(jiān)測效率。

為了提高對空間碎片監(jiān)測的效率, 開展白天的空間碎片激光測距研究逐漸受到激光測距領(lǐng)域的重視。 近些年來, 多個(gè)激光測距臺(tái)站、 科研單位開始進(jìn)行白天空間目標(biāo)激光測距相關(guān)技術(shù)的研究[37-41], 國內(nèi)外也有不少激光測距臺(tái)站實(shí)現(xiàn)白天的衛(wèi)星激光測距, 但是, 白天的空間碎片激光測距直到2019 年才由奧地利Graz 站實(shí)現(xiàn)[13]。

5 結(jié)論

本文對空間碎片激光測距的發(fā)展進(jìn)行了充分的調(diào)研, 闡述了空間碎片激光測距的誕生背景與發(fā)展意義, 回顧了國內(nèi)外空間碎片激光測距技術(shù)的發(fā)展歷程與重要事件。 通過調(diào)研國內(nèi)外空間碎片激光測距應(yīng)用研究領(lǐng)域的諸多公開文獻(xiàn), 總結(jié)了空間碎片激光測距應(yīng)用研究的幾大研究方向。另外, 根據(jù)空間碎片激光測距的發(fā)展方向和要求, 列舉了多個(gè)該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢, 并就三個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向進(jìn)行了介紹與分析。 總之, 空間碎片激光測距經(jīng)過多年的發(fā)展, 在技術(shù)上取得了長足的進(jìn)步, 在空間碎片定軌與監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用, 在空間目標(biāo)特征分析與空間環(huán)境研究等領(lǐng)域也開始發(fā)揮作用。 未來需要進(jìn)一步提高相關(guān)的技術(shù)水平, 繼續(xù)提高空間碎片激光測距的應(yīng)用價(jià)值與科學(xué)價(jià)值。