國外地球同步軌道目標天基光學監視策略

2017-06-07 08:24:31牛照東潘嘉蒙陳曾平

中國光學 2017年3期

牛照東，汪琳，段宇，潘嘉蒙，陳曾平

(1.國防科技大學電子科學與工程學院，湖南長沙 410073; 2.裝甲兵工程學院技術保障工程系，北京 100072)

國外地球同步軌道目標天基光學監視策略

牛照東1*，汪琳2，段宇1，潘嘉蒙1，陳曾平1

(1.國防科技大學電子科學與工程學院，湖南長沙 410073; 2.裝甲兵工程學院技術保障工程系，北京 100072)

空間目標觀測策略是決定天基光學監視系統性能的關鍵因素之一，本文對國外已服役和在研的GEO目標天基光學監視系統及其觀測策略進行了討論。首先，概述了GEO目標天基光學監視技術的發展歷程；然后，簡要分析了GEO目標的軌道特性，并在此基礎上討論了主流的GEO目標監視策略；最后，針對近年來呈現出的監視系統小型化和自主運行的發展趨勢，對SBO載荷與3U CubeSat星座的目標監視性能進行了仿真評估。實驗結果表明：SBO載荷和CubeSat衛星均可探測1 m直徑的GEO目標，單顆SBO載荷探測GEO目標比例大于51%，觀測弧長和重訪周期分別約1.2°和1.5天，CubeSat星座則可探測超過90%的GEO目標，平均觀測弧長和重訪周期分別大于67.1°和小于0.4天。由此可見微小衛星通過組網能實現對GEO目標的獨立自主監視。

地球同步軌道目標；空間監視；天基光學監視；微小衛星

1 引言

自從1957年前蘇聯發射第一顆人造地球衛星以來，人類從未停止探索并利用浩瀚太空的步伐。特別是在現代航天與信息技術的推動作用下，應用衛星在導航與通訊、地球觀測與遙感、氣象預報、空間科學實驗、偵察與預警等民用和軍事任務中發揮了不可替代的作用。然而人類在開展空間活動的同時，也產生了數以億計的空間碎片，它們不僅占用了軌道資源，而且嚴重威脅著航天資產的安全，至今已發生多起空間目標碰撞事件[1-3]。

為了應對日益嚴峻的空間安全環境，航天大國均在積極發展空間目標監視技術，通過雷達和光電傳感器對空間目標進行探測和精密定軌，實現對空間目標的全面編目與管理，增強對空間目標碰撞事件的預警能力。對于地球同步軌道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)目標，目前主要采用光學監視手段，按照平臺位置的不同，可分為地基光學監視和天基光學監視兩種方式。與傳統的地基監視手段相比，天基監視布站不受地理位置約束，可實現對地球同步目標的全面覆蓋；不受云、雨、霧等氣象條件影響，可全天時全天候工作；空間環境不存在大氣擾動和天光背景影響，目標探測靈敏度大大提高[4]。

由于天基光學監視所特有的技術優勢，發達國家投入了大量的研發精力，并取得了豐碩的成果。1996年，美國在“空間中段實驗”(Midcourse Space Experiment,MSX)衛星上搭載了天基可見光(Space-Based Visible, SBV)相機[5-8]，首次驗證了對GEO目標的天基監視編目能力，SBV相機于2000年成為空間監視網(Space Surveillance Network,SSN)的工作傳感器。之后美國于2010年發射了SBSS 10衛星接替退役的MSX衛星[9]，大大提升對GEO目標的監視性能。為降低天基空間監視成本，加拿大首先于2005年使用MOST微型衛星成功進行了GPS衛星觀測試驗[10]，開啟了微小監視衛星的研發序幕，之后于2013年發射了Sapphire[11-13]和NEOSSat[14-16]微小衛星。2007年，德國開始了AsteroidFinder載荷研發計劃[17-18]，美國則在2009年啟動了JMAPS研發任務[19-20]。近年來為實現微小衛星的自主監視，歐洲航天局(European Space Agency,ESA)論證了天基光學(Space-based Optical,SBO)載荷從低軌監視GEO目標的可行性[21-22]。美國洛克希德·馬丁公司設計了一種3U CubeSat星座從GEO墳墓軌道監視地球同步目標[23-24]。

毋庸置疑，目標觀測策略是決定上述系統監視GEO目標性能優劣的一項關鍵因素，本文結合現有監視系統對GEO目標天基光學監視策略進行了綜述。文章第二部分回顧了GEO目標監視系統的發展概況。第三部分介紹了GEO目標軌道特點以及主流的天基光學監視策略。第四部分討論了監視系統的探測性能，特別針對微小衛星自主監視的發展趨勢，對SBO載荷和3U CubeSat星座的監視性能進行了仿真和對比分析。最后對全文工作進行了總結。

2 天基光學監視衛星發展概況

2.1 大型監視衛星

早在上世紀80年代，美國就著手開始了空間目標天基光學監視關鍵技術研究工作，并在1996年4月發射的MSX衛星上搭載了全球首部空間目標監視成像器——SBV傳感器[6-7]，如圖1所示。MSX衛星運行于898 km高度太陽同步軌道(Sun Synchronous Orbit,SSO)，SBV載荷視場角為6.6°×1.4°，口徑15 cm。發射后長達18個月的時間內，SBV傳感器成功驗證了離軸雜散光抑制、低噪聲焦平面陣列成像、在軌實時信號處理等一系列天基光學監視關鍵技術，實驗表明SBV傳感器具有光學測量精度高、目標搜索視場大的優勢，能顯著提高對GEO目標的編目管理能力。

圖1 SBV傳感器 Fig.1 SBV sensor

由于SBV成像器固定安裝在衛星平臺上，需要通過調整衛星姿態來搜索目標，嚴重影響了監視系統的工作效率。1997年10月，美國國防部啟動了為期三年的先進概念技術驗證計劃[8]，進一步優化了目標監視策略、衛星姿態控制和星載信號處理性能，單日監視GEO目標的數量增加到400個，目標探測星等約15 mag。SBV載荷于2000年10月正式加入SSN監視網，成為深空目標監視的重要力量。SBV傳感器的巨大成功引發了空間目標天基光學監視領域的研究熱潮。

為了進一步增強對太空的實時態勢感知能力，美國于2004年啟動了SBV傳感器的延續項目——SBSS計劃，計劃分兩個階段實施，第一階段于2010年9月發射一顆SBSS Block 10空間監視衛星[9]，如圖2所示，用于接替已于2008年6月退役的MSX衛星。SBSS Block 10監視衛星運行于630 km高度的SSO軌道，離軸三反望遠鏡口徑增大到30 cm，CCD像元數提高到240萬個，相機安裝在兩軸萬向節上，可覆蓋四分之三的空域范圍(立體角3π sr)。Block 10衛星的監視性能顯著提升，可實時監控從近地到深空的人造目標，并聯合SSN監視網完成空間目標編目定軌、機動檢測和碰撞預警。

圖2 SBSS Block 10空間監視衛星 Fig.2 SBSS Block 10 space surveillance satellite

SBSS項目原定第二階段還將部署4顆Block 20衛星，組建空間監視衛星星座。但是處于對系統研制成本的顧慮，后續研制計劃一再延遲。2014年9月，美國空軍空間司令部在AMOS會議上透露SBSS項目后續將使用三顆小型LEO衛星監視地球同步目標，預計2017年將發射一顆MIT林肯實驗室研制的試驗衛星SensorSat來驗證相關技術，工作衛星最早將于2022年發射。SBSS計劃的變更預示著空間監視衛星在朝低成本小型化方向發展。

2.2 指令觀測微小衛星

鑒于微小衛星的低成本優勢，加拿大非常重視發展基于微小衛星平臺的天基光學監視技術。從2004年開始加拿大空間局(Canadian Space Agency,CSA)和國防研究與發展中心(Defence R&D Canada,DRDC)聯合在MOST衛星上進行深空目標觀測試驗[10]，MOST衛星是2003年6月發射的天文科學實驗微型衛星，用于對恒星進行長時間高精度的光度測量，衛星重量僅54 kg，運行在830 km高度的SSO軌道，軌道傾角98°，相機光學口徑15 cm。在數次嘗試之后，終于在2005年10月成功探測到GPS IIR-11和GPS IIR-04衛星，這是全球首次使用微型衛星對深空目標的探測試驗，極大地支撐了后續空間監視微小衛星的開發計劃。

2007年，加拿大國防部啟動了Sapphire衛星研制計劃[11-13]，衛星于2013年2月發射升空，重量150 kg，運行在786 km高度的SSO晨昏軌道，如圖3所示。相機固定安裝在衛星上，光學系統設計類似SBV載荷，口徑15 cm，視場角1.4°×1.4°，采用目標跟蹤模式探測空間目標，對6 000 km到40 000 km高度的深空目標具有良好的探測能力，探測星等能力為15 mag，單日觀測目標數量超過375個。依照加拿大和美國在2012年5月4日簽署的諒解備忘錄，Sapphire衛星將加入SSN網絡，每日按照美國指控中心的指令觀測深空目標，并將觀測數據共享給SSN網絡，加強兩國對空間資產與碎片發生碰撞的預警和規避能力。在制造Sapphire衛星的同時，DRDC與CSA成立了聯合項目辦公室合作研發NEOSSat微型衛星[14-16]，如圖4所示。DRDC將驗證微型衛星執行深空目標監視的可行性，而CSA則使用該衛星探測編目近地軌道小行星。NEOSSat衛星與Sapphire衛星同時發射，運行軌道與Sapphire相同，重量僅74 kg，光學系統口徑15 cm，視場角0.85°×0.85°，對GEO目標的探測星等約為13.5 mag。NEOSSat衛星將為加拿大的下一代天基空間監視系統提供技術儲備。

圖4 NEOSSat微型空間監視驗證衛星 Fig.4 NEOSSat space surveillance demonstration microsatellite

2009年，美國海軍部啟動了JMAPS項目[19-20]，計劃使用小型光學觀測衛星完成對全空域恒星的天文與光度測量及編目，該任務由美國海軍研究實驗室和海軍天文臺聯合承擔。衛星設計運行軌道為900 km高度SSO晨昏軌道，衛星重約180 kg，體積96.5 cm×71 cm×61 cm，光學系統口徑19 cm，視場為1.24°×1.24°，CCD像元數量約為8k×8k，對星等高于12 mag的恒星測量精度優于1 mas。在進行天體測量的同時，美國還計劃將兩顆JMAPS衛星組網，來配合SBSS系統對GEO目標實施監視，在SBSS衛星發現新目標后，由JMAPS衛星負責進行高精度測量和實時定軌。然而由于經費預算的壓縮，2011年12月，海軍部暫停了該項目，但據報道關鍵設備研發工作仍在繼續進行。

2.3 自主監視微小衛星

圖5 SBO載荷望遠鏡圖 Fig.5 Telescope of the SBO payload

隨著微小衛星技術的不斷成熟，歐洲和美國都在論證建設能夠自主編目的微小衛星監視系統。2003年到2005年，ESA啟動了“空間碎片天基光學觀測”研究計劃[21]，目的是拓展對毫米和厘米級小尺寸空間碎片的認識，建立碎片數量和尺寸分布的物理模型。芬蘭ASRO公司、瑞士伯爾尼大學天文學院和荷蘭國家航空航天實驗室組建了聯合團隊，針對LEO和GEO空間碎片，設計了可行的目標觀測策略和SBO載荷結構。2007年以來，ESA開始對SBO載荷用于GEO空間監視的可行性進行論證[22]，計劃將SBO探測器作為次要載荷安裝在對地觀測衛星上，衛星運行軌道為800 km高度SSO圓軌道，升交點地方時為早上6∶00。載荷采用45°折疊式施密特望遠鏡，口徑為20 cm，視場為6°，f/D=2.05，如圖5所示，相機分辨率為2k×2k，整機尺寸105 cm×70 cm×35 cm，重量為33 kg。研究表明當望遠鏡安裝方位角為90°，俯仰角為0°到5°時，對GEO同步帶能實現良好覆蓋，可探測1 m直徑的同步目標，重訪周期為1.5到3天。

圖6 3U CubeSat衛星示意圖 Fig.6 3U CubeSat concept design

美國洛克希德·馬丁空間系統公司在GEO空間態勢感知系統建設中重點關注低成本的立方體衛星[23-24]，其設計的監視衛星星座計劃由27顆3U CubeSat組成，如圖6所示，運行在GEO墳墓軌道上，以避免因設備故障產生新的碎片。每顆衛星上固定安裝一臺小型望遠鏡，口徑5 cm，視場角30°，重量2 kg，衛星將隨太陽相位角變化調整姿態使得望遠鏡沿軌道方向朝前或朝后凝視GEO同步帶。望遠鏡對1 m直徑目標的探測距離約為5 000 km，單日內對GEO目標的覆蓋率約為79.2%，三日內目標平均最大重訪間隔約為30 h。衛星設計使用壽命為1年。

3 GEO目標觀測策略分析

3.1 GEO目標軌道特性

GEO目標通常定義為半長軸在(42 164±2 000) km以內的近圓軌道人造物體[25]，目前在軌編目的GEO目標數量為一千余顆，其中約包含工作衛星493顆(UCS衛星數據庫)，GEO目標軌道參數分布情況如圖7所示。日月引力和地球扁率攝動會在GEO目標軌道面上產生力矩，使其軌道面沿赤道進動，進動旋轉軸與赤道面法線夾角約為7.5°，進而使得軌道傾角和升交點赤經(Right Ascension of the Ascending Note,RAAN)發生周期性變化，軌道傾角變化范圍為0°到15°，變化周期約為53年。為了對抗攝動力，地球靜止軌道衛星需要不斷進行軌道機動來維持0°傾角，而失效衛星以及其它空間碎片的軌道則會按照圖8所示規律進行周期性演變[8]。

圖7 GEO目標軌道半長軸和偏心率分布情況 Fig.7 Semi major axis and eccentricity distribution of GEO objects

圖8 GEO目標軌道傾角和升交點赤經演變規律 Fig.8 Inclination and RAAN evolution rule of GEO objects

3.2 指令觀測模式

Sapphire、NEOSSat等監視衛星接收地面控制中心制定的觀測指令，調整衛星姿態使得相機對準待跟蹤目標將出現的空域，并按照設定的曝光時間拍攝目標，然后控制衛星姿態對其它目標切換觀測。監視衛星拍攝目標主要有兩種方式：一是目標跟蹤方式，相機曝光時需要控制衛星姿態或相機指向來補償已知目標的運動，使得空間目標在圖像中為點像，這種方式有利于目標能量累積探測和高精度定位。另一種是恒星跟蹤模式，通過補償恒星運動使得其在圖像中為點像，而目標則形成條紋，該方式對監視系統跟蹤性能要求低。指令觀測模式通常只用于已知目標的編目維持，不適合發現新目標。

3.3 同步帶掃描模式

圖9 GEO目標軌跡匯聚的收縮點區域[8] Fig.9 Pinch-point region with a high concentration of GEO objects[8]

林肯實驗室學者認為GEO目標的軌道攝動特性使得它們會在24 h內穿越天球坐標系中0°赤緯65°赤經和0°赤緯245°赤經附近的兩個區域，這兩個區域被稱為“收縮點”區域，如圖9所示發散的GEO目標軌跡在“收縮點”區域會形成匯聚。利用這一特點，SBV載荷每日按照固定時間間隔對“收縮點”區域進行12次掃描觀測，每次掃描在赤經方向覆蓋范圍為30°，在赤緯方向覆蓋范圍為3°，從而實現對整個GEO軌道帶的覆蓋監視，掃描模式參見圖10。這種策略的目標監視效率可觀，但對平臺控制提出了很高的要求，此外隨著時間的演變，GEO目標升交點赤經的取值范圍在逐漸增大，“收縮點”匯聚區域也相應擴大，“收縮點”觀測策略將難以覆蓋到所有的GEO目標。

圖10 SBV載荷“收縮點”搜索模式示意圖[8] Fig.10 Pinch-point searching mode of the SBV payload[8]

低成本微小衛星巡天監視GEO目標時，通常固定安裝望遠鏡以自然交會方式進行觀測，此時需要結合平臺軌道特點優化設計望遠鏡安裝方式。例如ESA科學家設想將SBO望遠鏡固定安裝在對地定向的SSO晨昏軌道衛星上，觀測視場背離太陽對準地球同步軌道帶，隨著衛星運動望遠鏡可實現對GEO目標的全面覆蓋，圖11給出了SBO望遠鏡安裝方位角為90°俯仰角為-5°時在一天時間內對地球同步軌道帶的覆蓋區域。這種監視策略不用調整望遠鏡姿態，并且具有良好的太陽相位角，特別適合低成本微小監視衛星的應用需求。

圖11 SBO望遠鏡覆蓋的地球同步軌道帶區域 Fig.11 Covered region in the GEO belt from the SBO telescope

美國洛克希德·馬丁空間系統公司則將27顆3U CubeSat組成微型衛星監視星座，運行在GEO上方500 km高的墳墓軌道，采取對地定向方式，每顆衛星上固定安裝一臺小口徑大視場望遠鏡。衛星將依據太陽相位角調整姿態使得望遠鏡沿飛行方向朝前或朝后監視GEO軌道，圖12展示了CubeSat星座配置和目標監視場景。這種監視策略對GEO目標的覆蓋時間長，但觀測相位條件不可控。

圖12 3U CubeSat星座結構和GEO目標監視場景 Fig.12 3U CubeSat constellation architecture and GEO objects surveillance scenario

4 目標監視性能評估

早期的天基光學監視系統主要配合地面觀測網絡完成重點GEO目標的日常觀測，望遠鏡視場不大，探測星等約15 mag，單日觀測量為數百個目標。隨著衛星和載荷技術的不斷進步，近年來呈現出微小衛星自主監視的發展趨勢，對此，本文使用STK軟件對SBO載荷和3U CubeSat星座的監視性能進行仿真評估，仿真場景中包含的GEO目標數量為1 150個。設定的4個典型場景時間為2015年3月19日0點到23日24點(春分)、6月19日0點到23日24點(夏至)、9月19日0點到23日24點(秋分)以及12月19日0點到23日24點(冬至)。仿真評估的性能指標有監視系統探測星等和尺寸、目標覆蓋和探測數量、重訪周期和觀測弧長等。

4.1 目標探測星等與尺寸

圖13 SBO觀測GEO目標的距離和角速度分布 Fig.13 Distance and angular velocity distribution of GEO objects detected by the SBO sensor

圖14 不同星等GEO目標成像SNR隨天光背景星等變化 Fig.14 SNR of GEO object with different visual magnitude as function of sky background brightness

假定目標是反射系數為0.2的朗伯散射球體，當目標極限探測星等為15.5 mag時，不同太陽相位角條件下SBO載荷探測GEO目標的直徑隨觀測距離的變化情況如圖15所示。從圖中可以看出，即便在最惡劣的太陽相位條件和最遠的觀測距離下，SBO載荷依然能夠探測直徑小于0.9 m的GEO目標。

圖15 不同太陽相位角時SBO探測目標直徑隨觀測距離變化 Fig.15 Diamater of spherical object detected by the SBO sensor under different phase angle as function of distance

美國洛克希德·馬丁空間系統公司披露有限的資料顯示3U CubeSat搭載5 cm口徑30°寬視場望遠鏡，其對1 m直徑反射系數為0.2的朗伯散射球體的探測距離預計為5 000 km[24]。按照目標探測星等模型可以推算出3U CubeSat在其它觀測距離下的目標探測能力，如圖16所示。

圖16 不同觀測距離下3U CubeSat衛星載荷探測目標直徑 Fig.16 Diamater of spherical object detected by the 3U CubeSat as function of distance

4.2 覆蓋與探測目標數量

望遠鏡成功覆蓋GEO目標必須滿足以下約束條件：太陽與望遠鏡視線夾角足夠大、目標出現在望遠鏡視場中且不能位于地影區域。進一步結合傳感器的星等探測能力，可以估計出SBO載荷和3U CubeSat星座對GEO目標的探測數量。表1給出了單顆SBO載荷和27星3U CubeSat星座在春分、夏至、秋分和冬至四個典型時間段內對GEO目標的覆蓋和探測情況，從表中可以看出，SBO載荷性能優良，只是受限于望遠鏡的視場和數量，對GEO目標的覆蓋和探測存在季節性起伏。比較而言CubeSat星座能夠全季節覆蓋GEO目標，但由于難以探測到直徑在60cm以下的目標，因而探測數量比覆蓋數量下降約6.5%。

表1 SBO載荷與CubeSat星座覆蓋和探測GEO目標的數量

4.3 重訪周期與觀測弧長

圖17展示了SBO載荷與CubeSat星座對每個GEO目標的平均觀測弧長和重訪周期，其中SBO載荷對GEO目標的觀測弧長集中分布在0.8°到1.6°之間，重訪周期平均值小于1.5天，對絕大多數目標的重訪周期不超過2天。由于CubeSat軌道接近GEO軌道，因而對目標具有極長的覆蓋時間，春分和秋分時段目標平均觀測弧長分別為68.2°和67.1°，夏至和冬至時段目標平均觀測弧長則分別達到115.7°和114.0°。同時由于CubeSat星座包含的衛星數量龐大，對GEO目標可以實現快速重訪，各時間段的平均重訪時間均小于0.4天。CubeSat監視系統具備的長弧段觀測和短周期重訪特性對于實現GEO目標編目維護與空間突發事件的快速響應有極大裨益。

圖17 SBO載荷與CubeSat星座對GEO目標觀測弧長和重訪周期 Fig.17 Covered arc length and reacquisition period of GEO objects detected by the SBO payload and the CubeSat constellation

5 結束語

為應對日益嚴峻的空間安全環境，GEO目標天基光學監視技術得到迅猛發展，近年來監視衛星系統呈現出低成本小型化和自主監視的發展動向。基于此本文首先回顧了GEO目標天基光學監視衛星的發展概況。然后分析了GEO目標的軌道運動特性，并對現有的GEO目標監視策略進行了綜述。最后對新進提出的兩種自主運行微小衛星監視系統的目標探測性能進行了仿真評估。實驗結果表明，SBO載荷與3U CubeSat星座都能實現對1 m直徑GEO目標的有效探測。單顆SBO載荷已經具有很可觀的目標監視能力，但受限于望遠鏡視場，難以實現對GEO目標的全季節覆蓋。比較而言CubeSat監視星座充分利用了軌道特點和集群優勢，可實現目標超長弧段觀測和短周期快速重訪，但GEO衛星星座建設難度較大。

在空間目標天基光學監視領域，我國與西方發達國家差距較大，這引起了國內學者的高度重視。近年來，科研機構在空間目標天基監視策略設計方面進行了積極探索[4,26-28]，隨著微小衛星平臺、大視場光學望遠鏡、科學級天文相機和低功耗實時信息處理等相關技術的不斷完善發展，研制自主工作的天基光學監視微小衛星將成為可能，對促進我國空間目標編目定軌與碰撞預警發展會產生巨大的推動作用。

[1] 張景旭.國外地基光電系統空間目標探測的進展[J].中國光學,2009,2(1):10-16. ZHANG J X. Progress in foreign ground-based optoelectronic detecting system for space target detection[J].ChineseOptis,2009,2(1):10-16.(in Chinese)

[2] NASA Orbital Debris Program Office. Satellite collision leaves significant debris clouds[EB/OL].[2016-10-15]. https://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/quarterly-news/newsletter.html.

[3] 王秀紅,李俊峰,王彥榮.天基照相機監測空間目標定軌方法及精度分析[J].光學精密工程,2013,21(6):1394-1403. WANG X H,LI J F,WANG Y R. Orbit determination and precision analysis of space object with space-based camera[J].Opt.PrecisionEng.,2013,21(6):1394-1403.(in Chinese)

[4] 吳連大.人造衛星與空間碎片的軌道和觀測[M]. 北京：中國科學技術出版社,2011. WU L D.OrbitandObservationofArtificialSatelliteandSpaceDebris[M]. Beijing:China Science and Technology Press,2011.(in Chinese)

[5] HUEBSCHMAN R K. The MSX spacecraft system design[J].JohnsHopkinsAPLTechnicalDigest,1996,17(1):41-48.

[6] DAVID C H,JOSEPH C C. The space-based visible sensor[J].JohnsHopkinsAPLTechnicalDigest,1996,17(2):226-236.

[7] GRANT H S,CURT V B,RAMASWAMY S,etal.. The space-based visible program[J].LincolnLaboratoryJournal,1998,11(2):205-238.

[8] JAYANT S,GRANT H S,CURT V B,etal.. Toward operational space-based space surveillance[J].LincolnLaboratoryJournal,2002,13(2):309-334.

[9] The Boeing Company. Space based space surveillance revolutionizing space awareness[EB/OL].[2016.08.20]. http://www.boeing.com/assets/pdf/defense-space/space/satellite/MissionBook.pdf.

[10] Defence Research and Development Canada. Space-based observations of satellites from the MOST microsatellite[R]. Ottawa:DRDC,2006.

[11] PAUL M,LORNE O. Sapphire.Canada′s answer to space-based surveillance of orbital objects[C]. Advanced Maui Optical and Space Surveillance Conference,Hawaii,USA,2008:1-8.

[12] HACKETT J,BRISBY R,SMITH K. Overview of the Sapphire payload for space surveillance[J].SPIE,2012,8385:83850W-11.

[13] SCOTT A,HACKETT J,MAN K. On-orbit results for Canada's Sapphire optical payload[C]. Advanced Maui Optical and Space Surveillance Conference,Hawaii,USA,2013:1-7.

[14] WALLACE B,PINKNEY F,SCOTT R,etal.. The near earth object surveillance satellite(NEOSSat)[J].SPIE,2004,5578:1-7.

[15] WALLACE B,SCOTT R,BEDARD D,etal.. The near-earth orbit surveillance satellite[J].SPIE,2006,6265:626526-10.

[16] SCOTT R,WALLACE B,SALE M,etal.. Toward microsatellite based space situational awareness[C]. Advanced Maui Optical and Space Surveillance Conference,Hawaii,USA,2013:1-10.

[17] KRUTZ U,JAHN H,K HRT E,etal.. Radiometric considerations for the detection of space debris with an optical sensor in LEO as a secondary goal of the Asteroid Finder mission[J].ActaAstronautica,2011,69:297-306.

[18] FINDLAY R,E MANN O,GRUNDMANN J T,etal.. A space-based mission to characterize the IEO population[J].ActaAstronautica,2013,90:33-40.

[19] United States Naval Observatory. Joint Milli-Arcsecond Pathfinder Survey(J-MAPS) Mission:the application of high metric accuracy astrometry to space situational awareness[R]. Washington:USNO,2006.

[20] United States Naval Observatory. The Joint Milli-Arcsecond Pathfinder Survey(J-MAPS) Mission:Application for Space Situational Awareness[R]. Washington:USNO,2008.

[21] FLOHRER T,PELTONEN J,KRAMER A,etal.. Space-based optical observations of space debris[C]. Proceedings of the Fourth European Conference on Space Debris,Darmstadt,Germany:ECSD,2005:165-170.

[22] FLOHRER T,KRAG H,KLINKRAD H,etal.. Feasibility of performing space surveillance tasks with a proposed space-based optical architecture[J].AdvancesinSpaceResearch,2011,47:1029-1042.

[23] MORRIS K,RICE C,WOLFSON M. CubeSat integration into the space situational awareness architecture[C]. Advanced Maui Optical and Space Surveillance Conference,Hawaii,USA:AMOS,2013:1-11.

[24] MORRIS K,RICE C,LITTLE E. Relative cost and performance comparison of GEO space situational awareness architectures[C]. Advanced Maui Optical and Space Surveillance Conference,Hawaii,USA:AMOS,2014:1-11.

[25] FLOHRER T,SCHILDKNECHT T,MUSCI R. Proposed strategies for optical observations in a future European space surveillance network[J].AdvancesinSpaceResearch,2008,41:1010-1021.

[26] 周美江,朱振才,楊根慶,等.天基光學同步帶目標監視跟蹤模式[J].中國空間科學技術,2015,32(3):35-43. ZHOU M J,ZHU Z C,YANG G Q,etal.. GEO objects surveillance and tracking mode of space-based optical system[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2015,32(3):35-43.(in Chinese)

[27] 陳冰兒,熊建寧.空間碎片天基光學觀測平臺設計[J].天文學報,2016,57(2):228-240. CHEN B E,XIONG J N. The platform design of space-based optical observations of space debris[J]. Acta Astronomica Sinica,2016,57(2):228-240.(in Chinese)

[28] HU Y P,LI K B,XU W. A novel space-based observation strategy for GEO objects based on daily pointing adjustment of multi-sensors[J].AdvancesinSpaceResearch,2016,58:505-513.

Review of foreign space-based optical surveillance strategies for GEO objects

NIU Zhao-dong1*, WANG Lin2, DUAN Yu1, PAN Jia-meng1, CHEN Zeng-ping1

(1.CollegeofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China; 2.DepartmentofTechnicalSupportEngineering,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China)

In view of the importance of the space object observation strategy in determining the performance of space-based optical surveillance systems, we discuss and analyze some overseas surveillance systems in service or under development and their relevant observation strategies in this paper. To start with, the development history of the space-based optical surveillance technology for GEO objects is summarized. Then, based on the analysis of the orbital characteristics of GEO objects, the mainstream surveillance strategies of GEO objects are discussed. Finally, on the ground of the trend of miniaturization and autonomization in the development of surveillance systems, the target surveillance performance of the SBO payload and the 3U CubeSats are evaluated. Experimental results show that the SBO payload and the 3U CubeSats can both detect GEO spherical objects with a diameter of 1 m. The coverage ratio of GEO objects detected by the SBO payload is more than 51%, and the average observation arc and detection gap between subsequent observations is around 1.2° and 1.5 days respectively. The CubeSat architecture can detect more than 90% GEO objects, and the average observation arc and revisit cycle is more than 67.1° and less than 0.4 days respectively. In conclusion, by forming constellation, minisatellites and microsatellites are able to implement autonomous surveillance of GEO objects.

GEO objects;space surveillance;space-based optical surveillance;minisatellite and microsatellite

2017-01-09；

2017-02-28

國家自然科學基金資助項目(No.61605243) Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61605243)

2095-1531(2017)03-0310-11

P171.3

10.3788/CO.20171003.0310