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长春站国内首次获得白天近红外空间碎片激光测距数据
2023-04-10    |    发布:

2023330日,长春人造卫星观测站激光测距研究室科研人员在新建1.2m激光测距望远镜试验平台上开展1064nm近红外波段高重复率空间碎片白天测距试验,于当日北京时间下午356分成功获取到CZ-2C R/BNORAD编号:28222)空间碎片目标的漫反射回波数据,国内首次实现白天近红外非合作目标测距。此次试验成功对于激光测距技术领域意义重大,是国内首次同时将高重复率测距和1064nm波长测距结合在白天实现非合作目标漫反射激光探测。空间碎片测距的有效观测时段由晨昏向白天的成功拓展将解决空间碎片白天过境弧段激光数据缺失问题,是现有技术能力的重要提升,其对于进一步提高空间碎片的精密定轨、高精度编目和预报精度,提升空间碎片的短时轨道改进能力至关重要。 

空间碎片目标28222为我国于2004418日发射的CZ-2C火箭上面级,轨道周期95min、轨道倾角97.8°、轨道高度约510km、雷达散射截面积约12m2。本次观测使用两行根数(TLE)为初始预报轨道,在太阳高度角20°、目标与太阳夹角约88°时成功实现对空间碎片目标28222的激光测距,有效观测弧段30s、有效回波点数823,经数据预处理后的单次测量精度为537mm(RMS)、时间偏差95.6ms、距离偏差-54.3m

1.2m空间碎片白天测距试验平台为长春人造卫星观测站激光测距研究室与长春光机所光电探测部联合研制,试验中采用的回波探测器为长春人卫站采用PGA-200-1064型号InGaAs/InP雪崩光电二极管自主研制的单光子探测器,其量子效率优于20%、探测器光敏面直径80μm、时间抖动小于40ps、暗噪声优于80kHz、工作温度为-50、采用三级TEC制冷;采用的自主研制高重复频率距离门发生器,其硬件架构为FPGA+DSP、时间分辨率10ns、工作频率1Hz-10kHz,具备锁存主波和自动规避后向散射功能;采用的1.2m激光测距望远镜,其主光学接收口径1200mm@420nm-800nm)、激光发射口径400mm、短波导星口镜400mm@900nm-1700nm);激光光源采用1064nm Nd-YAG短脉冲纳秒激光器,输出功率200W、重复频率400Hz、脉冲宽度优于8ns 

近年来1064nm波长测距技术在天空背景噪声抑制、大气传输透过率、激光出射脉冲能量及激光器寿命等方面表现出优异的特性。在1064nm近红外1.2m激光测距望远镜系统的研制过程中,长春人卫站科研人员打破技术壁垒,先后攻克了1064nm单光子探测关键器件研制、高重复频率距离门发生器研制、距离偏差修正测距控制、白天激光光束的监视与调整、低信噪比数据识别等关键技术,在此次白天测距试验中发挥了重要作用,保障了空间碎片快速过境过程的成功测距。 

当前,空间碎片问题严峻,对航天器的安全发射和在轨运行构成了严重威胁,同时也极大地限制了有限近地轨道资源的可持续性利用。将高精度卫星激光测距技术应用于空间碎片探测能够有效提升其定轨和预报精度。空间碎片测距需重点解决漫反射回波信号微弱、初轨预报偏差大等技术难点,且目前主要局限在晨昏前后时段进行观测,存在数据弧段时间分布不均的问题。为了使高精度激光数据更好地应用于空间碎片精密测定轨,更好地服务于空间碎片碰撞预警、减缓移除等实际空间应用,对于空间碎片白天激光数据弧段提出了迫切需求。近年来国内外多个激光测距台站相继开展非合作目标白天测距试验研究,空间碎片的白天测距技术是当前领域内的研究热点和重点攻克技术难题。此次试验成功对长春站白天测距关键技术的有效性及自研关键器件的指标优越性进行了充分验证,同时也为进一步开展空间碎片白天测距新方法和新技术的探索研究,最终实现该技术的成熟化与实用化应用提供了坚实的平台和成果基础。 

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