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近地目標探測的天基籬笆 版權信息
- ISBN：9787030718969
- 條形碼：9787030718969 ; 978-7-03-071896-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
近地目標探測的天基籬笆 本書特色
本書具有重要的理論和實踐價值，書中主要內容是未來我國在近地目標探測/識別和編目領域重要的思想創新。
近地目標探測的天基籬笆 內容簡介
本書重點研究一種近地空間目標的天基探測系統——天基籬笆：在太陽同步軌道上安置若干個探測平臺，每個平臺安裝兩個望遠鏡，一個向前，一個向后，使得望遠鏡視場組成一個觀測籬笆。由于它是天球上的大圓，每一個近地目標的軌道面（也是大圓），與該籬笆均有兩個交點，因此，所有目標每一圈均能觀測到兩次，其中至少有一次沒有地影，這就實現了200～1500km目標探測的全覆蓋。此外，本書對平臺高度和平臺個數的關系、望遠鏡的視場、望遠鏡的指向及天基籬笆的探測星等和探測目標的大小、目標關聯方法、新目標捕獲方法與定軌精度等關鍵問題進行了研究。 本書適合于天文和航天專業的研究生閱讀，也可供空間目標天基探測領域的專業工作者參考。
近地目標探測的天基籬笆 目錄
目錄
序
第1章 引言 1
1.1 在軌空間目標的現狀 1
1.2 空間目標觀測的需求 3
1.2.1 空間目標探測全覆蓋 3
1.2.2 新目標的及時發現 3
1.2.3 小目標的探測 4
1.3 空間目標天基探測的現狀 4
1.4 本書的研究內容 6
第2章 天基探測的基礎 7
2.1 探測平臺 7
2.1.1 平臺的經典軌道 7
2.1.2 平臺姿態和望遠鏡的安裝 9
2.1.3 目標在CCD上的坐標 10
2.1.4 有效載荷 12
2.2 順光探測的可見范圍 14
2.2.1 可見弧長 14
2.2.2 可見范圍 16
2.3 順光望遠鏡的探測能力 20
2.3.1 目標距離、視運動角速度和曝光時間 20
2.3.2 探測星等 23
2.3.3 探測目標的大小 23
2.4 提高望遠鏡探測能力的途徑 25
2.4.1 星象信噪比分析 25
2.4.2 四種提高探測能力的途徑 25
2.5天 基探測的數據處理 28
2.5.1 觀測圖像處理 29
2.5.2 動目標的提取 29
2.5.3 天文定位 30
第3章 幾種天基籬笆 34
3.1 順光籬笆 34
3.1.1 順光籬笆的平臺個數 34
3.1.2 順光籬笆的平臺軌道高度 36
3.1.3 順光籬笆的探測能力 36
3.1.4 順光籬笆的優缺點 37
3.1.5 結論 38
3.2 沿軌籬笆 38
3.2.1 平臺軌道和平臺姿態 39
3.2.2 望遠鏡安裝 39
3.2.3 平臺數量和平臺高度 39
3.2.4 沿軌方向的探測能力 42
3.2.5 沿軌籬笆方案的選擇 48
3.2.6 地影問題 51
3.2.7 沿軌籬笆與順光籬笆的比較 53
3.3 探測小碎片的天基籬笆 55
3.3.1 現在能制造的大望遠鏡 55
3.3.2 沿軌籬笆的探測能力 55
3.3.3 順光籬笆的探測能力 56
3.3.4 兩種方法比較 57
3.3.5 小結 57
第4章 軌道關聯 59
4.1 地面觀測的軌道關聯方法 59
4.1.1 初選候選目標集合 59
4.1.2 已知目標的軌道關聯-軌道比對方法 60
4.1.3 UCT數據處理-新目標的發現和捕獲 62
4.2 沿軌籬笆的軌道關聯 67
4.2.1 初選候選目標集合 67
4.2.2 已知目標的軌道關聯-軌道比對方法 77
4.2.3 UCT數據處理方法 77
4.3 兩種關聯方法比較 83
4.3.1 關聯成功率 84
4.3.2 關聯效率 84
4.3.3 UCT 處理 84
4.4 沿軌籬笆的有預報觀測 84
第5章 天基軌道改進 86
5.1 人造衛星軌道的根數系統 86
5.2 坐標系統及其轉換 86
5.3 軌道改進 87
5.3.1 軌道改進的條件方程 88
5.3.2 軌道改進的收斂條件 90
5.4 模擬計算估計定軌精度 90
5.4.1 模擬計算方法 90
5.4.2 沿軌籬笆定軌精度估計 91
5.4.3 順光籬笆與沿軌籬笆定軌精度比較 92
5.5 *佳定軌精度估計 93
5.5.1 *佳定軌精度估計方法 93
5.5.2 兩種誤差估計的比較 94
5.6 天基軌道改進的聯合定軌 98
第6章 天基籬笆近期改進 100
6.1 天基探測的主要困難 100
6.2 克服困難的方法 100
6.3 改進后的天基籬笆 101
參考文獻 103
附錄A 坐標變化矩陣 104
附錄B IAU2000歲差章動模型 112
附錄C IAU2000B ICRS到CIRS的轉換矩陣計算程序 119
附錄D 計算可見區間程序 138
后記 147
序
第1章 引言 1
1.1 在軌空間目標的現狀 1
1.2 空間目標觀測的需求 3
1.2.1 空間目標探測全覆蓋 3
1.2.2 新目標的及時發現 3
1.2.3 小目標的探測 4
1.3 空間目標天基探測的現狀 4
1.4 本書的研究內容 6
第2章 天基探測的基礎 7
2.1 探測平臺 7
2.1.1 平臺的經典軌道 7
2.1.2 平臺姿態和望遠鏡的安裝 9
2.1.3 目標在CCD上的坐標 10
2.1.4 有效載荷 12
2.2 順光探測的可見范圍 14
2.2.1 可見弧長 14
2.2.2 可見范圍 16
2.3 順光望遠鏡的探測能力 20
2.3.1 目標距離、視運動角速度和曝光時間 20
2.3.2 探測星等 23
2.3.3 探測目標的大小 23
2.4 提高望遠鏡探測能力的途徑 25
2.4.1 星象信噪比分析 25
2.4.2 四種提高探測能力的途徑 25
2.5天 基探測的數據處理 28
2.5.1 觀測圖像處理 29
2.5.2 動目標的提取 29
2.5.3 天文定位 30
第3章 幾種天基籬笆 34
3.1 順光籬笆 34
3.1.1 順光籬笆的平臺個數 34
3.1.2 順光籬笆的平臺軌道高度 36
3.1.3 順光籬笆的探測能力 36
3.1.4 順光籬笆的優缺點 37
3.1.5 結論 38
3.2 沿軌籬笆 38
3.2.1 平臺軌道和平臺姿態 39
3.2.2 望遠鏡安裝 39
3.2.3 平臺數量和平臺高度 39
3.2.4 沿軌方向的探測能力 42
3.2.5 沿軌籬笆方案的選擇 48
3.2.6 地影問題 51
3.2.7 沿軌籬笆與順光籬笆的比較 53
3.3 探測小碎片的天基籬笆 55
3.3.1 現在能制造的大望遠鏡 55
3.3.2 沿軌籬笆的探測能力 55
3.3.3 順光籬笆的探測能力 56
3.3.4 兩種方法比較 57
3.3.5 小結 57
第4章 軌道關聯 59
4.1 地面觀測的軌道關聯方法 59
4.1.1 初選候選目標集合 59
4.1.2 已知目標的軌道關聯-軌道比對方法 60
4.1.3 UCT數據處理-新目標的發現和捕獲 62
4.2 沿軌籬笆的軌道關聯 67
4.2.1 初選候選目標集合 67
4.2.2 已知目標的軌道關聯-軌道比對方法 77
4.2.3 UCT數據處理方法 77
4.3 兩種關聯方法比較 83
4.3.1 關聯成功率 84
4.3.2 關聯效率 84
4.3.3 UCT 處理 84
4.4 沿軌籬笆的有預報觀測 84
第5章 天基軌道改進 86
5.1 人造衛星軌道的根數系統 86
5.2 坐標系統及其轉換 86
5.3 軌道改進 87
5.3.1 軌道改進的條件方程 88
5.3.2 軌道改進的收斂條件 90
5.4 模擬計算估計定軌精度 90
5.4.1 模擬計算方法 90
5.4.2 沿軌籬笆定軌精度估計 91
5.4.3 順光籬笆與沿軌籬笆定軌精度比較 92
5.5 *佳定軌精度估計 93
5.5.1 *佳定軌精度估計方法 93
5.5.2 兩種誤差估計的比較 94
5.6 天基軌道改進的聯合定軌 98
第6章 天基籬笆近期改進 100
6.1 天基探測的主要困難 100
6.2 克服困難的方法 100
6.3 改進后的天基籬笆 101
參考文獻 103
附錄A 坐標變化矩陣 104
附錄B IAU2000歲差章動模型 112
附錄C IAU2000B ICRS到CIRS的轉換矩陣計算程序 119
附錄D 計算可見區間程序 138
后記 147
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近地目標探測的天基籬笆 節選
第1章引言 1.1在軌空間目標的現狀 60多年來，世界各國進行的空間發射已經超過5000次，空間目標的數量超過47000個，美國CelesTmk網站給出了目標增長情況（圖1.1)，其中，接近一半的目標已經隕落。美國國家航空航天局（NASA)給出了截至2021年1月5日的空間目標數量:在軌的空間目標有22036個，其中，近地空間目標有15724個，只有6539個是工作航天器，其余15497個均為空間碎片，現在能跟蹤的碎片大小可達5cm，但是，在編目庫中的碎片，仍然是近地空間碎片大小為10cm，同步碎片大小為1m。尺度小的空間碎片數量則要多得多，直徑大于1cm的空間碎片數量超過了11萬個，有人甚至說有40萬個。 圖1.1空間目標年增長情況 近年來，各國為了建設天基互聯網通信系統，又發射了許多大型衛星星座，平均每個星座有幾百個衛星，這也大大增加了在軌空間目標的數量，表1.1給出了這類空間目標的情況。需要特別說明的是，這些衛星星座大多選擇了太陽同步軌道，這又增加了空間目標軌道關聯的難度。如圖1.2所示，軌道傾角在90°～100°的范圍內，就集中了45%的近地空間目標。 表1.1國外大型空間目標星座簡況 圖1.3給出了近地空間目標的咼度分布。由圖1.3可見，在800km和1400km附近有兩個高峰，空間目標數量比較多。 圖1.3近地空間目標的高度分布 1.2空間目標觀測的需求 為了空間安全和航天器的安全，世界上主要的空間大國都建設了空間目標監視系統，進行空間目標編目。現在空間目標觀測的要求大致如下。 1.2.1空間目標探測全覆蓋 這里的“全覆蓋”有兩層含義：**是對空間目標的覆蓋率，*好做到所有目標都能被望遠鏡視場覆蓋到，只要望遠鏡探測能力足夠強大，目標就能被觀測到；第二是對空間目標運行每一圈的覆蓋率，這樣觀測數據就比較均勻，有利于提高軌道計算的精度。 1.2.2新目標的及時發現 這里的“新目標”指的是新發射的目標和碰撞解體的目標，也包括目標變軌后，需要及時發現并重新測定軌道的目標。*好1～2h就能發現，并測定其軌道。 1.2.3小目標的探測 考慮到航天器的安全，我們希望監測到盡量小的空間碎片，當然越小越好，*好能觀測到直徑1～2cm的空間碎片。 1.3空間目標天基探測的現狀 地面觀測系統當然不能滿足1.2節所提及的觀測要求，因此，現在世界各國均將研究重點放在空間目標的天基探測上面。 空間目標的天基探測，是指將觀測設備安裝在天基平臺上，對空間目標進行的探測。由于雷達設備需要很大的功率，一時無法進行雷達的天基探測，因此，在現階段，空間目標的天基探測是指空間目標的光學探測，也就是將光學望遠鏡安裝在衛星平臺上對空間目標進行探測的方式（圖1.4)。 圖1.4天基探測示意圖 1996年美國成功發射了MSX(Midcourse Space Experiment)衛星，它利用攜帶的天基可見光（SBV)探測器，開始了空間目標的天基探測。 SBV探測器的基本指標如下：平臺地面高度為898km，15cm離軸三反式望遠鏡，焦距為45cm，設計光譜范圍為300～900nm，用4個420x422、27的電荷親合器件（charge-coupleddevice，CCD)，視場為6.6°x1.4°，探測星等為14.5等，探測精度約為4〃。2000年，SBV探測器的觀測結果正式納入美國空間監視網（SSN)工作，對地球同步軌道（GEO)目標的編目做出了很大的貢獻。 加拿大利用MOST(Microvariability and Oscillations of Stars)衛星[5]進行對全球定位系統（GPS)衛星的觀測之后，掌握了一些天基探測技術，提出了Sapphire“藍寶石”）衛星計劃和NEOSSat(近地軌道監視衛星）計劃。2013年，加拿大發射了這兩個衛星，其平臺仍采用明暗界線太陽同步軌道，軌道高度為786km。 Sapphire衛星的探測器也是15cm離軸三反式望遠鏡，1.4°x1.4°的視場，探測星等為15等，相當于0.9m的GEO目標。 NEOSSat探測器的視場要小一些，為0.85°x0.85°，如果曝光時間為100s，可以探測19.5等的近地天體，探測的GEO目標約為13.5等。 2010年，美國提出了雄心勃勃的SBSS(Space-Based Surveillance System)計劃，平臺高度降為630km，每天工作24小時，探測目標包括近地軌道（LEO)目標、GEO目標和近地小行星；采用30cm離軸三反式望遠鏡，CCD像元數為，望遠鏡有二維轉臺，其他指標不詳。2010年首顆衛星發射后，計劃可能停了下來，估計是探測器還需進一步改進。 歐洲空間局（ESA)從2007年開始了SBO(天基光學）衛星的研究，計劃中的衛星指標為：20cm折軸施密特望遠鏡，F/2.05，視場為6°，2kx2k、18的CCD，可探測16等GEO目標，探測精度估計為3.5"。 以上這些衛星計劃的平臺均采用明暗界線太陽同步軌道。 除此以外，2013年，美國還提出了CubeSat(立方體衛星）計劃，計劃利用27個衛星，安置在GEO目標軌道上方500km的軌道上，組網對GEO目標進行觀測，望遠鏡口徑為5cm，視場為30°，由于要避開太陽，平臺需要通過調姿觀測。 從以上國外的研究情況看，天基探測平臺均采用了明暗界線太陽同步軌道。探測對象基本上均是GEO目標，探測系統也只包括一個探測平臺。 文獻[6]也對空間目標的天基探測進行了研究，其中，針對GEO目標軌道傾角可能有20°，探測區域跨越-20°～+20°的緯度范圍，以及有短期地影的問題，給出了解決方法；對于近地空間目標，探討了近地目標探測全覆蓋的問題。但是，只研究單平臺的天基探測不能滿足上述的觀測要求，因此，我們必須研究多平臺聯網的空間目標的天基探測。 1.4本書的研究內容 本書集中研究近地空間目標的天基探測，因此，本書中所說的空間目標均是近地空間目標。 本書主要研究近地空間目標的天基多平臺的聯網探測，重點研究一種近地空間目標的天基探測系統一一天基籬笆：在一個軌道上安置若干個探測平臺，它們的望遠鏡視場組成一個觀測籬笆，由于該籬笆在天球上是一個大圓，每一個近地空間目標的軌道（也是大圓）與該籬笆均有兩個交點，因此，所有近地目標每一圈都能進入這個籬笆區域兩次。可以證明，其中至少有一次沒有地影，因此，所有目標每一圈均能觀測到1～2次，實現了近地空間目標天基探測的全覆蓋，該系統有利于對空間態勢的及時掌握。 本書共分為6章和4個附錄，第1章為引言，主要討論在軌空間目標的現狀、空間目標觀測的需求、空間目標天基探測的現狀并介紹本書的研究內容；第2章為天基探測的基礎，主要研究一種探測能力較強的順光探測方式，并對順光探測方式的探測能力和優缺點做了討論；第3章為幾種天基籬笆，這是本書的重點，主要提出沿軌籬笆的概念，它是一種形狀為大圓的天基籬笆，又對沿軌籬笆的組成、望遠鏡指向、平臺個數、平臺高度等做了研究，理論和算例均說明，沿軌籬笆能實現空間目標探測全覆蓋，每個目標運行一圈，均可以觀測到1～2次，提高了新目標發現的及時性，此外，與順光籬笆做了比較，還對1～2cm的小空間碎片的探測可能性做了研究；第4章為軌道關聯，這是天基空間目標編目的重點，研究一種針對沿軌籬笆的關聯方法，該方法可以對各平臺做觀測預報，給出空間目標的觀測時間、位置和觀測平臺的序號，減少了候選目標集合的目標數，從而提高了關聯的效率；第5章為天基軌道改進，討論天基探測的定軌方法和定軌精度問題；第6章為天基籬笆近期改進，針對天基探測的現實困難，討論解決途徑，對空間目標天基籬笆的近期發展做了展望；附錄研究了在天文歷書改進后的坐標變換的復雜概念，給出了一種適合天基探測的坐標變換方法和一些Fortran程序。 希望本書能對有志于空間目標天基探測的年輕人有所幫助，促進我國空間目標探測事業的發展。
近地目標探測的天基籬笆 作者簡介
吳連大，男，中國科學院紫金山天文臺研究員，博士生導師，1941年出生，江蘇常州人。1964年畢業于南京大學天文系，歷任中國科學院天文委員會委員兼天體測量和天體力學學科組組長，創新團組首席研究員，中國科學院人造衛星觀測研究中心主任，長期從事衛星動力學的理論、測軌方法、數據處理和空間碎片探測方法的研究。
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