一种用于空间目标的组合激光测距式跟瞄装置及方法

本申请属于空间碎片清除及小行星防御中的航天器对空间目标跟瞄，具体涉及一种用于空间目标的组合激光测距式跟瞄装置及方法。

背景技术：

1、空间碎片清除、小行星防御任务中的总体方案的核心内容主要由以下几项：有效清除或有效防御功能系统、探测跟瞄系统、平台、清除或防御策略等。其中，探测跟瞄系统主要是负责目标碎片或目标小行星的发现和将功能系统的有效作用元素准确投送到空间目标上。

2、探测跟踪系统分为探测和跟踪两部分，分别用于大视场远距离发现目标碎片和中距离持续跟踪及定轨。当前天基探测手段分为三大类：微波雷达、被动光学(包括红外)和主动光学(激光雷达等)。

3、微波雷达是一种主动的探测方式，通过向空间发射微波信号，由接收器接收信号回波来确定空间碎片的位置和速度。微波雷达作用范围大，不受光照和天气条件限制，可全天时全天侯的进行空间碎片检测，并且可以精确地获取其位置和速度。但是，微波雷达存在以下缺点：(1)由于其设备体积大，重量大，尤其是天线尺寸太大，不适合天基部署；(2)其能量转换效率低，总功率要求高，同样影响了天基部署。

4、被动光学系统是利用空间碎片对太阳光的反射，采用高敏感度高分辨率的被动光学系统对碎片进行监测。对于可见光波段，在太阳照射背景黑暗时，可以用望远镜探测空间碎片。对于天基测量而言，如果采用合适的观测方向，避免地球亮背景、太阳和月亮的影响，可见光监测器看到的背景基本为深空黑背景，可不受地面日照时间限制长时间探测碎片。对于红外波段，由于目标是较小尺度的碎片，其红外辐射较小，相对难以发现。

5、激光雷达需要自身发射激光波束，通过接收空间碎片反射波束，对接收信号进行处理，实现空间碎片的监测和跟踪。激光雷达不受光照条件限制，基本可实现全天时与全天候监测，并可精确地获取目标相对位置与速度信息。但是随着监测距离的增加，为了达到足够的信噪比，激光聚焦点必须足够小，这就限制了它的监测区域。在目前激光功率有限的情况下，作用距离受发射功率限制，如果要提高作用距离，必须按指数倍数提高发射功率。

6、综上所述，在瞄准空间目标方面，不论是基于光学雷达或者图像识别等现有成熟方案，其系统的体积、重量、功耗都是较大规模体量。对于追求小规模、低成本、快速实施、简单便捷的一些碎片清除或小行星防御技术在轨空间小型验证实验而言，由于其目的在于技术原理验证等基础性工作，往往为了实验整体工程的高效性，可以进行一些实验条件的简单化处理，例如空间目标可以设计为特殊的标准球形形状以简化瞄准系统，但目前常规的跟瞄系统小型化工作需要专项技术攻关，直接应用又会导致实验整体系统规模量级过大难以实现低成本，因此需要进行巧妙的设计，利用最简、最小、最成熟的功能零部件进行优化集成，以最小代价实现特殊球形形状空间目标的可靠瞄准功能。

技术实现思路

1、本申请的目的在于克服现有技术装置体积大、能耗高，计算方法复杂的缺陷。

2、为了实现上述目的，本申请提出了一种用于空间目标的组合激光测距式跟瞄装置，适用于对球形空间目标的跟瞄，所述装置包括：

3、安装在航天器上面向空间目标的4个激光测距仪；

4、所述4个激光测距仪围绕空间目标中心周向对称，其激光发射方向指向空间目标，用于测量激光测距仪到空间目标表面的距离。

5、作为上述装置的一种改进，所述装置还包括1个可见光相机；

6、所述可见光相机，用于观测打在空间目标上的4个激光测距仪光斑，判断空间目标是否被跟丢。

7、本申请还提供一种用于空间目标的组合激光测距式跟瞄方法，基于上述装置实现，所述方法包括：

8、4个激光测距仪实时测量激光测距仪到空间目标表面的距离；

9、当航天器位姿发生偏转时，根据4个激光测距仪测量的距离值和航天器与空间目标的几何关系得到航天器的偏转程度；

10、航天器的动力系统驱动航天器调整其偏转角度，直至4个激光测距仪测量的距离值相等。

11、作为上述方法的一种改进，所述航天器与空间目标的几何关系，为：

12、

13、其中，设定航天器位姿偏转后，以空间目标中心对称的两个激光测距仪a和b到空间目标表面的距离发生变化，a到空间目标表面的距离变大，b到空间目标表面的距离变小；l1表示a到空间目标表面的距离发生变化后的值；l2表示b到空间目标表面的距离发生变化后的值；θ表示在a和b发射的激光组成的平面上，航天器偏转的角度；r表示航天器质心到1个激光测距仪的距离；r表示空间目标的半径；d表示以空间目标中心对称的两个激光测距仪的距离的一半；α表示a和b的连线与a和航天器质心连线的夹角。

14、与现有技术相比，本申请的优势在于：

15、本发明的技术方案，充分利用空间目标的球形包络特点，将常规跟瞄方案中涉及到的多种观测控制反馈量减少到1个，仅仅通过激光测距仪的测距值为唯一控制反馈量，并且给出的控制反馈方程为简单的二维几何关系式，从而使得航天器的姿态控制算法极为简单，需要在轨实时进行的计算量与计算复杂度也大为降低，进而大幅降低航天器瞄准系统工作时的功耗需求，同时本方法所需的硬件均为常规成熟度较高的普通器件，研制成本低且获取方便，完全可以适应且满足碎片清除或小行星防御技术在轨空间小型验证实验等一些小型空间实验要求。

技术特征：

1.一种用于空间目标的组合激光测距式跟瞄装置，适用于对球形空间目标的跟瞄，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的用于空间目标的组合激光测距式跟瞄装置，其特征在于，所述装置还包括1个可见光相机；

3.一种用于空间目标的组合激光测距式跟瞄方法，基于权利要求1或2所述装置实现，所述方法包括：

4.根据权利要求3所述的用于空间目标的组合激光测距式跟瞄方法，其特征在于，所述航天器与空间目标的几何关系，为：

技术总结本申请提供了一种用于空间目标的组合激光测距式跟瞄装置及方法，适用于对球形空间目标的跟瞄，所述装置包括：安装在航天器上面向空间目标的4个激光测距仪；所述4个激光测距仪围绕空间目标中心周向对称，其激光发射方向指向空间目标，用于测量激光测距仪到空间目标表面的距离。本申请的优势在于：仅仅通过激光测距仪的测距值为唯一控制反馈量，控制反馈方程为简单的二维几何关系式，使得航天器的姿态控制算法极为简单，需要在轨实时进行的计算量与计算复杂度大为降低，进而大幅降低航天器工作时的功耗需求；所需的硬件均为常规成熟度较高的普通器件，可以适应且满足碎片清除或小行星防御技术在轨空间小型验证实验等一些小型空间实验要求。技术研发人员：马鑫,李明涛,周炳红,徐赤东,李丰睿,倪亮,王楷铎,李国浩受保护的技术使用者：中国科学院国家空间科学中心技术研发日：技术公布日：2024/10/10