作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2024/3/27 12:46:55
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激光测距让低轨微小卫星避免空间碎片“碰撞”

 

当前,随着商业航天、低空经济等新增长引擎的快速发展,如何避免微小卫星受到来自空间碎片的威胁?当微小卫星达到寿命成为空间碎片后,如何实现对其轨道的监测?

研究发现,利用激光测距探测近地空间碎片的位置,可以为微小卫星等航天飞行器提供避免空间碰撞的重要信息。近日,中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站(以下简称长春人卫站)自主研制的激光角反射器成功实现了卫星激光测距。

“结构小、质量轻、反射效率高、价格便宜……这些是我们设计的民用卫星激光角反射器的主要特点。”长春人卫站副研究员温冠宇向《中国科学报》介绍,这款激光角反射器可以应用于低地球轨道上的卫星或火箭,满足其精密轨道测定轨需求。

激光测距能干什么

“激光角反射器是一种能够以较低的光能损耗,将入射激光以与其平行的方向反射出去的高精度光学器件,广泛应用于激光通信和光学变换等领域。”长春人卫站副研究员温冠宇告诉《中国科学报》,“激光角反射器主要应用于卫星激光测距、月球激光测距等远距离高精度测距领域。”

温冠宇介绍,卫星激光测距就是利用卫星地面监测站安装的卫星激光测距系统所发射的激光脉冲,通过测算激光经过卫星角反射器反射后回到地面的时间,进而计算出卫星到地面监测站的距离。

自从20世纪60年代以来,卫星激光测距作为一种高精度卫星测轨技术,已在天文地球动力学、空间大地测量、地球科学和空间科学研究等方面得到广泛应用。随着技术发展,全球的卫星激光测距技术在激光重复率、测距精度、作用距离、全天时观测等方面得到长足发展,并形成了一定规模的观测网络系统。

来自国际激光测距服务(ILRS)组织的数据显示,长春人卫站激光测距数据数量与数据质量常年位居世界第二位。据悉,ILRS组织的合作观测站遍布全球,并与各国的组织机构相互合作,提供全球卫星和月球激光测距数据及其相关产品。

“卫星角反射器能够提高卫星的反射效率,大幅度提高激光测距的最远探测距离与探测精度。”温冠宇说,市面上只能采购到角锥棱镜,其是激光角反射器的关键部件,但精度相对较低,难以满足卫星领域的应用需求。

成功接收有效数据

长春人卫站从1982年开始开展卫星激光测距的研究工作。近年来,长春人卫站激光测距研究室开展了激光角反射器的攻关和研制。温冠宇介绍:“根据激光角反射器的应用需求,我们自主完成了角反射器结构设计、制造、测试的全部流程。”

激光角反射器的研制过程中,科研团队也遇到了一些困难。

温冠宇告诉记者,主要难点在于在满足技术指标的前提下,如何综合考虑精度和成本,压缩成本。“这需要开展大量的理论研究和实验研究,从而选取适合的精度等级,既能满足应用需求,又能压缩成本。”

此外,在激光角反射器整体的装配与测试过程中,如何保证多个棱镜角度的一致性也是该研究中的又一项难点。

温冠宇指出:“我们不仅开展了反复修配与装调,还模拟太空复杂的工作环境增加测试环节,希望在地面要做好充足的准备,确保万无一失。”

今年1月,微纳星空搭载该激光角反射器的民用光学卫星发射成功。3月11日,长春人卫站高重频卫星激光测距系统成功接收到该卫星角反射器的有效回波数据,实现自主研制角反射器的卫星激光测距在轨验证。

“这款激光角反射器成功实现卫星激光测距,标志着长春人卫站能够为合作卫星提供从角反射器设计到跟踪观测的全方位卫星激光测距服务。”温冠宇表示,本次成功观测不仅促进了激光角反射器领域技术研究及应用,也推动了激光角反射器相关产业的发展。

实现高精度定位定轨

随着卫星产业的发展,空间碎片日益增多,航天器的安全运行和空间的可持续发展已经成为科技领域的前沿热点。

“我们希望应用长春人卫站现有激光测距系统开展激光测距研究,监测并分析来自空间碎片对卫星构成的威胁,开展空间碎片避免碰撞的应用研究,进行更准确的风险评估。”温冠宇道出了开展激光角反射器的设计与测试的初衷。

此次研制的激光角反射器由长春人卫站激光测距研究室和长春光客科技有限公司合作完成。长春光客科技有限公司主要负责产品的加工装调和后续卫星激光通信等工作,长春人卫站主要负责激光角反射器的总体设计工作。这也是双方开展产学研合作的又一成果。

温冠宇介绍:“作为一家多学科、多方向的综合性天文研究基地,长春人卫站擅长技术攻关;作为一家激光通信终端生产商,长春光客科技有限公司的整机设计及工程化验证能力可以帮助我们将设计成果落地转化。”

当前,卫星小型化以成为卫星研究领域的一个重要方向。微小卫星能够通过组网等方式,替代研制成本高昂的单个大型卫星,大大加快卫星的产业化进程。“我们在2023年与微纳星空达成合作协议,在其发射的卫星上安装我们研制的激光角反射器。”温冠宇说,这次成功发射表明,微小卫星通过搭载长春人卫站的激光角反射器,并利用地面激光测距系统,可以解决其高精度定位定轨问题。

 
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