本申請屬于空間碎片清除及小行星防御中的航天器對空間目標跟瞄，具體涉及一種用于空間目標的組合激光測距式跟瞄裝置及方法。

背景技術：

1、空間碎片清除、小行星防御任務中的總體方案的核心內(nèi)容主要由以下幾項：有效清除或有效防御功能系統(tǒng)、探測跟瞄系統(tǒng)、平臺、清除或防御策略等。其中，探測跟瞄系統(tǒng)主要是負責目標碎片或目標小行星的發(fā)現(xiàn)和將功能系統(tǒng)的有效作用元素準確投送到空間目標上。

2、探測跟蹤系統(tǒng)分為探測和跟蹤兩部分，分別用于大視場遠距離發(fā)現(xiàn)目標碎片和中距離持續(xù)跟蹤及定軌。當前天基探測手段分為三大類：微波雷達、被動光學(包括紅外)和主動光學(激光雷達等)。

3、微波雷達是一種主動的探測方式，通過向空間發(fā)射微波信號，由接收器接收信號回波來確定空間碎片的位置和速度。微波雷達作用范圍大，不受光照和天氣條件限制，可全天時全天侯的進行空間碎片檢測，并且可以精確地獲取其位置和速度。但是，微波雷達存在以下缺點：(1)由于其設備體積大，重量大，尤其是天線尺寸太大，不適合天基部署；(2)其能量轉(zhuǎn)換效率低，總功率要求高，同樣影響了天基部署。

4、被動光學系統(tǒng)是利用空間碎片對太陽光的反射，采用高敏感度高分辨率的被動光學系統(tǒng)對碎片進行監(jiān)測。對于可見光波段，在太陽照射背景黑暗時，可以用望遠鏡探測空間碎片。對于天基測量而言，如果采用合適的觀測方向，避免地球亮背景、太陽和月亮的影響，可見光監(jiān)測器看到的背景基本為深空黑背景，可不受地面日照時間限制長時間探測碎片。對于紅外波段，由于目標是較小尺度的碎片，其紅外輻射較小，相對難以發(fā)現(xiàn)。

5、激光雷達需要自身發(fā)射激光波束，通過接收空間碎片反射波束，對接收信號進行處理，實現(xiàn)空間碎片的監(jiān)測和跟蹤。激光雷達不受光照條件限制，基本可實現(xiàn)全天時與全天候監(jiān)測，并可精確地獲取目標相對位置與速度信息。但是隨著監(jiān)測距離的增加，為了達到足夠的信噪比，激光聚焦點必須足夠小，這就限制了它的監(jiān)測區(qū)域。在目前激光功率有限的情況下，作用距離受發(fā)射功率限制，如果要提高作用距離，必須按指數(shù)倍數(shù)提高發(fā)射功率。

6、綜上所述，在瞄準空間目標方面，不論是基于光學雷達或者圖像識別等現(xiàn)有成熟方案，其系統(tǒng)的體積、重量、功耗都是較大規(guī)模體量。對于追求小規(guī)模、低成本、快速實施、簡單便捷的一些碎片清除或小行星防御技術在軌空間小型驗證實驗而言，由于其目的在于技術原理驗證等基礎性工作，往往為了實驗整體工程的高效性，可以進行一些實驗條件的簡單化處理，例如空間目標可以設計為特殊的標準球形形狀以簡化瞄準系統(tǒng)，但目前常規(guī)的跟瞄系統(tǒng)小型化工作需要專項技術攻關，直接應用又會導致實驗整體系統(tǒng)規(guī)模量級過大難以實現(xiàn)低成本，因此需要進行巧妙的設計，利用最簡、最小、最成熟的功能零部件進行優(yōu)化集成，以最小代價實現(xiàn)特殊球形形狀空間目標的可靠瞄準功能。

技術實現(xiàn)思路

1、本申請的目的在于克服現(xiàn)有技術裝置體積大、能耗高，計算方法復雜的缺陷。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)岢隽艘环N用于空間目標的組合激光測距式跟瞄裝置，適用于對球形空間目標的跟瞄，所述裝置包括：

3、安裝在航天器上面向空間目標的4個激光測距儀；

4、所述4個激光測距儀圍繞空間目標中心周向?qū)ΨQ，其激光發(fā)射方向指向空間目標，用于測量激光測距儀到空間目標表面的距離。

5、作為上述裝置的一種改進，所述裝置還包括1個可見光相機；

6、所述可見光相機，用于觀測打在空間目標上的4個激光測距儀光斑，判斷空間目標是否被跟丟。

7、本申請還提供一種用于空間目標的組合激光測距式跟瞄方法，基于上述裝置實現(xiàn)，所述方法包括：

8、4個激光測距儀實時測量激光測距儀到空間目標表面的距離；

9、當航天器位姿發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，根據(jù)4個激光測距儀測量的距離值和航天器與空間目標的幾何關系得到航天器的偏轉(zhuǎn)程度；

10、航天器的動力系統(tǒng)驅(qū)動航天器調(diào)整其偏轉(zhuǎn)角度，直至4個激光測距儀測量的距離值相等。

11、作為上述方法的一種改進，所述航天器與空間目標的幾何關系，為：

12、

13、其中，設定航天器位姿偏轉(zhuǎn)后，以空間目標中心對稱的兩個激光測距儀a和b到空間目標表面的距離發(fā)生變化，a到空間目標表面的距離變大，b到空間目標表面的距離變??；l1表示a到空間目標表面的距離發(fā)生變化后的值；l2表示b到空間目標表面的距離發(fā)生變化后的值；θ表示在a和b發(fā)射的激光組成的平面上，航天器偏轉(zhuǎn)的角度；r表示航天器質(zhì)心到1個激光測距儀的距離；r表示空間目標的半徑；d表示以空間目標中心對稱的兩個激光測距儀的距離的一半；α表示a和b的連線與a和航天器質(zhì)心連線的夾角。

14、與現(xiàn)有技術相比，本申請的優(yōu)勢在于：

15、本發(fā)明的技術方案，充分利用空間目標的球形包絡特點，將常規(guī)跟瞄方案中涉及到的多種觀測控制反饋量減少到1個，僅僅通過激光測距儀的測距值為唯一控制反饋量，并且給出的控制反饋方程為簡單的二維幾何關系式，從而使得航天器的姿態(tài)控制算法極為簡單，需要在軌實時進行的計算量與計算復雜度也大為降低，進而大幅降低航天器瞄準系統(tǒng)工作時的功耗需求，同時本方法所需的硬件均為常規(guī)成熟度較高的普通器件，研制成本低且獲取方便，完全可以適應且滿足碎片清除或小行星防御技術在軌空間小型驗證實驗等一些小型空間實驗要求。

技術特征：

1.一種用于空間目標的組合激光測距式跟瞄裝置，適用于對球形空間目標的跟瞄，其特征在于，所述裝置包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的用于空間目標的組合激光測距式跟瞄裝置，其特征在于，所述裝置還包括1個可見光相機；

3.一種用于空間目標的組合激光測距式跟瞄方法，基于權利要求1或2所述裝置實現(xiàn)，所述方法包括：

4.根據(jù)權利要求3所述的用于空間目標的組合激光測距式跟瞄方法，其特征在于，所述航天器與空間目標的幾何關系，為：

技術總結
本申請?zhí)峁┝艘环N用于空間目標的組合激光測距式跟瞄裝置及方法，適用于對球形空間目標的跟瞄，所述裝置包括：安裝在航天器上面向空間目標的4個激光測距儀；所述4個激光測距儀圍繞空間目標中心周向?qū)ΨQ，其激光發(fā)射方向指向空間目標，用于測量激光測距儀到空間目標表面的距離。本申請的優(yōu)勢在于：僅僅通過激光測距儀的測距值為唯一控制反饋量，控制反饋方程為簡單的二維幾何關系式，使得航天器的姿態(tài)控制算法極為簡單，需要在軌實時進行的計算量與計算復雜度大為降低，進而大幅降低航天器工作時的功耗需求；所需的硬件均為常規(guī)成熟度較高的普通器件，可以適應且滿足碎片清除或小行星防御技術在軌空間小型驗證實驗等一些小型空間實驗要求。

技術研發(fā)人員：馬鑫,李明濤,周炳紅,徐赤東,李豐睿,倪亮,王楷鐸,李國浩
受保護的技術使用者：中國科學院國家空間科學中心
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/10