天基光学同步带目标监视跟踪模式

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1、2015年6月第3期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology35天基光学同步带目标监视跟踪模式周美江朱振才杨根庆吴会英胡海鹰张晟宇(上海微小卫星工程中心，上海201203)摘要目前的天基空间目标观测模式多利用自然交会方式，在长时间观测的基础上实现对空间目标的遍历，模式规划中未考虑地气光反照对观测效率的影响。文章基于天基平台太阳同步轨道的特点，在传统自然交会模式的基础上引入姿态协同，新规划了两种同步带目标观测模式。将地气光反照对天基空间目标观测的影响量化为相机的离轴角约束，引入模式规划，得到的观测模式即为不受地

2、气光反照影响的观测模式，具有工程实际应用价值，然后对几种观测模式的观测效率从姿态模式、遍历时长、观测弧长等方面进行了评价。理论分析和仿真结果均表明，区域凝视在对同步带目标编目方面具有明显优势，遍历时间小于1天，姿态模式相对简单，观测弧段相对较长。关键词同步带探测；地气光反照；相机离轴角；观测模式；覆盖效率；航天器DOI：10．3780／i．issn．1000一758X．2015．03．0051引言天基空间目标监视口。4]涵盖对已知目标的编目定轨、对非合作目标的监视跟踪、对新发射目标的识别跟踪、对空问碎片和陨落箭体的监视预警、空间碰撞规避，以及空间作

3、战任务支援等各个方面，对空间态势感知意义重大[5]。其中，由于地球同步带是很多通信、广播、气象、预警和军事侦察卫星的集结地，使得同步带探测成为空间目标监视体系中重要的一个分支。当前的同步带探测多为通过天基平台和目标卫星的自然运动形成的交会机会进行观测[6]，遍历时间长，观测效率较低。也有文献基于同步带目标的倾角和升交点赤经摄动规律提出一种姿态协同的“汇聚点”搜索模式，～定程度上提高了观测效率，但依然不能保证一个搜索周期内对同步带目标的全部覆盖。另外，当前的同步带观测模式由于未考虑地气光反照的影响，实际工程应用中的观测效率与理论仿真存在一定差异。本文

4、在传统自然交会观测模式的基础上，新规划了两种姿态协同下的同步带观测模式，并在模式规划中充分考虑地气光反照对观测效率的影响，通过理论分析和仿真验证对几种观测模式的观测效率进行对比。2天基平台轨道天基可见光空间目标观测的能力与天基平台的轨道参数、姿态机动能力、相机视场，以及观测模式密切相关。目前天基平台常采用三种轨道[7{]：低轨赤道圆轨道、亚同步带赤道圆轨道和太阳同步轨道。相比于前两种轨道受光照条件影响严重、观测弧段短的缺点，采用太阳同步轨道，一方面天基平台与太阳的夹角基本固定，探测载荷沿轨道面负法向安装，指向轨道面一侧进行观测，可有效克服太阳光照的

5、影响(见图1)；另一方面可使天基平台具有良好的能源条件，降低卫星设计难度；此外，太阳同步轨道的天基平台不仅可以对高轨目标进行观测，还能兼顾对中低轨目标的监视跟踪，是目前比较通用的空间目标监视轨道。收稿日期：2014一07一ll。收修改稿日期：2014—08—27i!【主笪窒!里型堂垫查!!!i笙!旦但南于轨道面与晨昏圈不重合．在轨道上某些弧段．卫星星下点为被太阳照亮的区域，亮背景经地气光散射进入相机视场，对暗弱目标探测造成影响9。定义表征相机对地气光抑制能力的离轴角了为相机视轴与卫星对大气层边界切线的夹角(见网2)。当卫星星下点为亮区域时，离轴角需

6、大于一定值，根据当前相机研制能力，本文约定离轴角大于22。时地气光才不会对观测成像造成影响，在进行观测模式规划时，必须考虑卫星星下点为亮区域时的离轴角约束。；『1足⋯川步纠lj苴川步一带Ij杨；扬jf删“i，0Flg．1Sunsyncllronousorbil3观测模式规划人7ek÷边界㈥!f≈轴『f】的定辽Fig．2Definitionofthecameraoff—axisangle除轨道设计外，观测模式也是影响空间目标探测能力的重要因素之一，本文基于太阳同步轨道．在传统自然交会模式的基础上引入姿态协同．设计规划了两种同步带观测模式。3．1自然交

7、会模式(1)模式定义自然交会模式即相机同定在卫星星体上，随卫星指向某一近似惯性空问方向。利朋卫星与目标本身的轨道运动形成自然交会机会。以太阳同步轨道卫星Sat为例进行各观测模式分析。相机为2。×2。方形视场．相机安装在星体y轴上，Sat卫星的轨道参数如表l所示。表lSat卫星轨道参数(J20()0系)!!!!：!!!!!i121翌翌!!!!!!墨!!!』；!塑!!!!!!翌!!!翌竺!!平均轨道高度H偏心謇一轨道倾角j降交点地方时交点周划l天运行定义卫星的准惯性系S—XyZ。。“’．原点S为卫星质心．y轴为轨道面负法向．X轴在轨道面内平行于赤道面从

8、升交点指向降交点，Z轴符合有手定则．凶为太阳同步轨道的轨道面随太阳进动，S—XyZ非严格意义上的惯性坐标系。(2)离轴角约