一种用于近地轨道空间碎片监测的微纳卫星

1.本发明提供一种面向近地轨道空间碎片监测的微纳卫星，它涉及利用微纳卫星对近地轨道空间碎片监测的需求，属于卫星设计领域。


背景技术：

2.低地球轨道以其独特的位置决定了其在导航与通讯、地球观测与遥感、气象预报、空间科学实验、侦察与预警等民用和军事任务中不可替代的地位。仅2022年，全球共进行航天发射活动186次，共向太空送入2484个航天器，其中运行在近地轨道航天器2413个，占比97％。随着越来越多的航天器被送入太空，各种各样的空间碎片在太空中积聚，太空中散布着航天器涂层碎片、爆炸螺栓、保护卫星的整流罩、火箭上面级残骸，以及卫星相撞或人类通过发射导弹来摧毁报废卫星所产生的空间碎片。目前，有超过4000颗活动卫星在低地轨道环境中运行，其中包括20,000个被追踪的碎片物体(大于10厘米的物体)以及估计50万个较小的、未被追踪的物体。
3.在日渐饱和的leo中，航天器解体、爆炸、碰撞等事件时有发生。太空碎片超高速撞击对航天器安全造成巨大潜在威胁。到2019年,国际空间站为躲避太空碎片撞击进行25次轨道机动规避。近年来nasa 卫星每年规避太空碎片操作20余次,而2008年这一数字为5次。面对如此庞大的空间目标数量，对我国而言，无论是对空间目标的碰撞预警，还是来自存在威胁的合作目标的实时监视和精确跟踪都十分重要。建立可测可识可控的空间目标监视系统是对未知威胁预判的有效手段。
4.传统空间目标监视技术探测手段包括地基和天基两种。其中，地基监视主要由地基光电探测器、雷达探测器等组成，具有技术成熟、使用及维护方便等优势，但由于受气象条件、地理位置等因素的限制，在对目标的监测范围、时效性等方面仍存在诸多局限。为了提高空间目标的观测能力，美国、加拿大等国都制定了发展天基空间目标观测系统的计划，充分利用天基观测的优势弥补地基观测系统的不足。天基空间目标监视通过安装在空间平台上的成像测量装置，对目标进行探测跟踪，具有不受地理位置、观测时间及气象条件等的制约，可以全天时全天候观测等优势,代表空间目标监视新的研究方向。另外，天基空间目标监视系统对运动目标具有成像效果好、定位精度高、并且具备对高轨暗弱目标的空间监视能力，在未来空间目标监视系统中有着举足轻重的地位。
5.天基空间目标监视系统常用的探测方式有可见光探测、红外探测及微波雷达探测等。可见光探测和红外探测属于“被动”探测方式，其优点是无需考虑工作功率的影响。红外探测更适合用于近距离或运行在地影区的空间目标，而可见光探测对运行在阳照区的空间目标具有良好的观测能力，且其对远距离目标的探测能力较红外探测更强；微波雷达探测属于“主动”探测方式，其优点是能快速确定目标，许多国家采用雷达探测的方式对空间碎片进行监视，但雷达探测方式受到工作功率、扫描技术、天线技术及星上信息处理技术的制约，使其探测能力受到限制，因此天基空间目标监视系统仍以可见光探测作为主要探测手段。目前的天基空间目标探测主要是可见光探测，实用的卫星或卫星系列主要是美国的
msx/sbv(中段空间试验/天基可见光)和的sbss(天基监视系统)；加拿大研制的“蓝宝石”(sapphire)；法国的瞬态目标速动望远镜(tarot)与天空观测系统(spoc)。其基本特点是监视卫星均采用低地球轨道的太阳同步轨道，由于其与该国已有的地基空间监测系统相配合，故监视对象均为以geo(地球同步轨道)为主的中高轨道目标，探测手段则是单个可见光探测器，主用探测方式均为即时根据地面任务计划指向目标区域。
6.以上天基监测系统在进一步增加leo拥堵的同时，均无涉及空间碎片分布最密集的leo(低地球轨道)，使其监视目标数大幅下降；由于光学传感器随着距离的增加，观测误差增大，高轨监视平台不利于对低轨空间目标态势信息的获取，采用低轨光学监视平台可以较好地克服以上缺点。
7.以上天基监测系统是采用了传统大卫星进行探测，传统大卫星质量重、功耗大、成本高、结构复杂、工期长。相比于传统大卫星，微纳卫星，尤其是cubesat具有结构简单、成本低廉、易于组装成形、制造周期短的优点，可以利用多颗进行探测，发挥星座探测的优点。


技术实现要素：

8.(一)发明目的：本发明的目的是提供一种面向近地轨道空间碎片监测的微纳卫星。该卫星由光学一体化结构系统、图像处理平台部件和反光标识组成，光学一体化结构系统包括卫星主框架和光学系统，其构成卫星的外部结构，其中近三分之二的空间为光学系统，保证光学镜片安装方位和精度要求，提高光学监测能力；图像处理平台部件由中央处理板及外围电路组成，具有星上基于光学测量的二次星图匹配处理系统；反光标识用于增强卫星识别性，便于未来卫星退役后被识别、回收处理。
9.(二)技术方案
10.本发明一种面向近地轨道空间碎片监测的微纳卫星，是由光学一体化结构系统、图像处理平台部件和反光标识组成；它们相互之间的关系是：光学一体化结构系统包括卫星主框架和光学系统；图像处理平台部件安装在光学系统后部；反光标识粘贴在光学一体化结构表面。
11.所述的光学一体化结构由卫星主框架、光学系统、上侧板、下侧板四部分组成，它们的相互关系是：光学系统内嵌、固接于卫星主框架，上下侧板通过螺丝连接在主框架上。
12.卫星主框架的形状构造是：卫星主框架整体为中空、仅有左右两面封闭的长方体，内有两块支撑板将其分隔为三个舱段。
13.光学系统由光学镜筒、光学镜片、传感器和消光绒组成。光学镜筒的形状构造是：光学镜筒为台阶式圆筒结构，内部有台阶和螺纹，用于精确定位五片光学镜片的安装方位，通过支撑板将其与主框架相连；光学镜片共有五片，通过螺纹套筒精确安装于光学镜筒中；传感器安装在光学镜筒后部；消光绒包裹在光学镜筒外部。
14.上下侧板的形状构造是：上下侧板为长方体薄板结构，有四个安装孔位，用于将其固定在主框架上。
15.主框架与光学镜筒的材料均为硬铝；上下侧板的材料为透明塑料板。
16.图像处理平台部件由中央处理板及外围电路组成，具有星上基于光学测量的二次星图匹配处理系统。基于光学测量的二次星图匹配的工作流程主要如下：利用已有数据划分天区建立各天区导航星库；卫星通过星载光学系统拍摄得到星图，进行图像处理，若匹配
成功，可区分视野内已编目目标，并确定未编目空间碎片，对其定轨，后可作为已知目标参与导航星库建立；若匹配失败，则需重新扫描天区再次匹配。
17.反光标识粘贴在光学一体化结构表面，增强卫星识别性，便于未来卫星退役后被识别、回收处理。其材料为pvc反光晶格。
18.其余部件为模块化部件，主要包括太阳帆板、姿轨控分系统(如飞轮等)、电源分系统(如蓄电池等)。
19.(三)优点
20.本发明一种面向近地轨道空间碎片监测的微纳卫星的优点在于：
21.①
本发明中提出了一种新的面向近地轨道空间碎片监测的微纳卫星。
22.②
本发明中提出的面向近地轨道空间碎片监测的微纳卫星，采用了光学一体化结构，
23.光学系统占据了卫星结构的近三分之二，光学镜片径向尺寸大，相比传统结构，有效减轻卫星的重量。
24.③
本发明中提出的面向近地轨道空间碎片监测的微纳卫星，光学一体化结构表面粘贴反光标识，便于未来卫星退役后被识别、回收处理。
25.④
本发明中提出的面向近地轨道空间碎片监测的微纳卫星，具有星上基于光学测量的二次星图匹配处理系统，使数据下传量大幅下降。
附图说明
26.图1a是本发明所述的微纳卫星的内部安装图。
27.图1b是本发明所述的微纳卫星的结构轴测图。
28.图2是本发明所述的微纳卫星的整体结构图。
29.图3是本发明所述的微纳卫星的光学设计图。图4是发明所述的微纳卫星的星图匹配流程图。
30.图中产品代号说明如下：
31.1.光学一体化结构
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1a.主框架
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1b.光学系统
32.1c.上下侧板
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2.图像处理平台部件
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2a.中央处理板
33.3.反光标识
具体实施方式
34.下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
35.参见图1、图2本发明一种面向近地轨道空间碎片监测的微纳卫星，是由光学一体化结构1、图像处理平台部件2、反光标识3组成；它们相互之间的关系是：图像处理平台部件2安装在光学一体化结构1上,反光标识3粘贴在光学一体化结构1左右侧外表面。
36.所述的一体化结构1由主框架1a、光学系统1b和上下侧板1c三部分组成，它们的相互关系是：主框架1a和光学系统1b中的光学镜筒一体化制造加工而成，光学系统1b中的光学镜片通过螺纹套筒安装在光学镜筒上，光学系统1b中的传感器安装在光学镜筒后部，光学系统1b中的消光绒包裹在光学镜筒外部。光路设计参见光学设计图3；上下侧板1c各有四个安装孔位，用于将其固定在主框架1a上。主框架与光学镜筒的材料均为硬铝，上下侧板的
材料为透明塑料板。
37.所述的图像处理平台部件2是中央处理板2a及外围电路组成，具有星上基于光学测量的二次星图匹配处理系统，通过四根连接杆固定在卫星主框架1a上。星图匹配流程参见图4。
38.所述的反光标识3粘贴在光学一体化结构1左右侧外表面，其材料为pvc反光晶格。

技术特征：
1.一种用于近地轨道空间碎片监测的微纳卫星，是由光学一体化结构、图像处理平台部件和反光标识组成；它们相互之间的关系是：光学一体化结构系统包括卫星主框架和光学系统；图像处理平台部件安装在光学系统后部；反光标识粘贴在光学一体化结构表面。所述的光学一体化结构由卫星主框架、光学系统、上侧板、下侧板四部分组成，它们的相互关系是：光学系统内嵌、固接于卫星主框架，上下侧板通过螺丝连接在主框架上。卫星主框架的形状构造是：卫星主框架整体为中空、仅有左右两面封闭的长方体，内有两块支撑板将其分隔为三个舱段。光学系统由光学镜筒、光学镜片、传感器和消光绒组成，它们的相互关系是：光学镜片通过螺纹套筒精确安装于光学镜筒中；传感器安装在光学镜筒后部；消光绒包裹在光学镜筒外部。光学镜筒的形状构造是：光学镜筒为台阶式圆筒结构，内部有台阶和螺纹，用于精确定位五片光学镜片的安装方位。通过支撑板将其与主框架相连。上下侧板的形状构造是：上下侧板为长方体薄板结构，有四个安装孔位，用于将其固定在主框架上。图像处理平台部件由中央处理板及外围电路组成，集成有基于光学测量的二次星图匹配算法。基于光学测量的二次星图匹配的工作流程主要如下：利用已有数据划分天区建立各天区导航星库；卫星通过星载光学系统拍摄得到星图，进行图像处理，若匹配成功，可区分视野内已编目目标，并确定未编目空间碎片，对其定轨，后可作为已知目标参与导航星库建立；若匹配失败，则需重新扫描天区再次匹配。反光标识粘贴在光学一体化结构表面，便于未来卫星退役后被识别、回收处理。2.根据权利要求1所述的一种用于近地轨道空间碎片监测的微纳卫星，其特征在于：图像处理平台是基于光学测量的星上数据处理系统，可以自主确定空间碎片的位置，使数据下传量大幅下降。3.根据权利要求1所述的一种用于近地轨道空间碎片监测的微纳卫星，其特征在于：卫星外表面包含反光标识，便于未来卫星退役后被识别、回收处理。

技术总结
一种用于近地轨道空间碎片监测的微纳卫星。该卫星由光学一体化结构系统、图像处理平台部件和反光标识组成，光学一体化结构系统包括卫星主框架和光学系统，其构成卫星的外部结构，其中近三分之二的空间为光学系统，保证光学镜片安装方位和精度要求，提高光学监测能力；图像处理平台部件由中央处理板及外围电路组成，具有星上基于光学测量的二次星图匹配处理系统；反光标识用于增强卫星识别性，便于未来卫星退役后被识别、回收处理。本发明提出了一种新的面向近地轨道空间碎片监测的微纳卫星，采用了光学一体化结构，有效减轻卫星的重量；其表面粘贴反光标识，便于未来卫星退役后被识别、回收处理；具有星上基于光学测量的二次星图匹配处理系统，使数据下传量大幅下降。使数据下传量大幅下降。使数据下传量大幅下降。


技术研发人员：陈培 黄成菲 武旭 周佳怡 谢洋
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/6/27