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原文传递空间碎片激光智能定位驱离系统及智能定位驱离方法

专利名称：	空间碎片激光智能定位驱离系统及智能定位驱离方法
摘要：	本发明属于空间碎片探测定位驱离技术领域，具体涉及一种空间碎片激光智能定位驱离系统及智能定位驱离方法。定位驱离系统包括光电搜索系统和激光探测定位驱离系统。本发明定位采用新型测轨技术，数字测距与模拟测角同时进行的技术，测量精度高，实时性强；驱离采用动态跟踪技术，通过对碎片外形的测量，选择最佳冲击角发射驱离激光，测量与驱离一气呼成，驱离效果好，可用于碎片测轨，也可用于碎片驱离。
专利类型：	发明专利
申请人：	北京国宇星辰科技有限公司;上海国宇智链航天科技有限公司;国宇星辰(山东)航天科技有限公司
发明人：	金凤;郁麒麟;陈雯雯;张龙
专利状态：	有效
申请日期：	2023-10-16T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-17T00:00:00+0800
申请号：	CN202311329076.4
公开号：	CN117068404A
代理机构：	沈阳友和欣知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	杨群
分类号：	B64G4/00;G01S17/42;G01B11/24;G01B11/00;G01C21/16;B;G;B64;G01;B64G;G01S;G01B;G01C;B64G4;G01S17;G01B11;G01C21;B64G4/00;G01S17/42;G01B11/24;G01B11/00;G01C21/16
申请人地址：	100080 北京市海淀区京仪科技大厦D座2003;;
主权项：	1.空间碎片激光智能定位驱离系统，其特征在于，包括光电搜索系统和激光探测定位驱离系统（1），激光探测定位驱离系统（1）包括第一激光发射器（11）、激光接收器（12）、控制器（13）、惯性测量组件（14）、光波指向操控器（15）、第二激光发射器（17）、共轴光学系统（16）、第一分光器（18）、第二分光器（19）、接收目镜（20）、F-P滤光器（21）、滤光片（22）和光谱分析仪（23），光电搜索系统与控制器（13）连接；在第一激光发射器（11）的激光发射方向上顺次设置第一分光器（18）、第二分光器（19），光波指向操控器（15）设置在第二分光器（19）反射光的路径上，共轴光学系统（16）设置在光波指向操控器（15）反射光的路径上，激光接收器（12）设置在第一分光器（18）反射光的路径上，在第一分光器（18）与激光接收器（12）之间，按照距离第一分光器（18）越来越远的顺序依次设置光谱分析仪（23）、接收目镜（20）、F-P滤光器（21）、滤光片（22），惯性测量组件（14）设置在光波指向操控器（15）远离共轴光学系统（16）的一侧，第二激光发射器（17）设置在第二分光器（19）远离光波指向操控器（15）的一侧，控制器（13）分别与第一激光发射器（11）、激光接收器（12）、惯性测量组件（14）、光波指向操控器（15）、第二激光发射器（17）连接。 2.根据权利要求1所述的空间碎片激光智能定位驱离系统，其特征在于，所述激光接收器（12）包括多象限光电探测器（26）、放大电路组（27）和模数转换器（28）；多象限光电探测器（26）接收所述第一分光器（18）的反射光，放大电路组（27）包括多个放大电路，多象限光电探测器（26）的每个象限分别连接一个放大电路，每个放大电路均与模数转换器（28）连接。 3.空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，基于权利要求2所述的空间碎片激光智能定位驱离系统，具体包括如下步骤： 1）根据TLE目录或者预设的空域，利用所述光电搜索系统搜索特定空域的潜在空间碎片； 2）搜索到潜在空间碎片后，将潜在空间碎片空域位置传输给所述激光探测定位驱离系统（1）； 3）激光探测定位驱离系统（1）根据收到的潜在空间碎片空域位置，进行扫描测量，直至确定空间碎片的精确位置，得到精确位置后，缩小扫描范围； 4）激光探测定位驱离系统（1）根据空间碎片精确位置，选取最佳冲击角发射驱离激光波，直至满足设定的发射次数或发射时间，或空间碎片离开后停止； 5）所述惯性测量组件（14）在整个过程中实时测定激光探测定位驱离系统（1）的航向与姿态，并传递给所述控制器（13）。 4.根据权利要求3所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，步骤3）包括如下步骤： 301）所述控制器（13）接收到所述光电搜索系统发送的潜在空间碎片空域位置后，控制所述第一激光发射器（11）发射高重频测量激光波，高重频测量激光波经过所述第一分光器（18），进入第二分光器（19），经第二分光器（19）折射至所述光波指向操控器（15），所述光波指向操控器（15）调整测量激光波的方向，再经过所述共轴光学系统（16）进行扩束，最终发射向潜在空间碎片空域位置进行测量； 302）通过潜在空间碎片空域位置反射回来的回波信号再反向依次经过共轴光学系统（16）、光波指向操控器（15）、第二分光器（19）、第一分光器（18）后，再经过所述光谱分析仪（23）分析回波信号以判断碎片材质，经过所述接收目镜（20）调节焦距，经过所述F-P滤光器（21）、所述滤光片（22）进行滤光，然后进入所述激光接收器（12）进行处理，激光接收器（12）将回波信号转换成电信号，发送给控制器（13），控制器（13）根据回波信号的电信号计算出空间碎片的距离值、飞行轨道并获得空间碎片的动态剖面特征图库；所述步骤4）包括如下步骤： 401）控制器（13）根据空间碎片距离值、飞行轨道和动态剖面特征图库，设定所述第二激光发射器（17）的参数，控制第二激光发射器（17）发射驱离激光波； 402）驱离激光波经过第二分光器（19）、光波指向操控器（15）、共轴光学系统（16），以最佳冲击角向空间碎片精确位置发射，直至满足设定的发射次数或发射时间，或空间碎片离开后停止。 5.根据权利要求4所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，步骤302）中，空间碎片距离值的计算方法为：在所述控制器（13）中设置最大测距范围，所述第一激光发射器（11）每发射一个测量激光波的脉冲信号，通过所述激光接收器（12）得到最大测距范围内的多象限单帧信号，控制器（13）利用如下测距方法一或测距方法二处理多象限单帧信号以得到空间碎片距离值：测距方法一：首先对多象限单帧信号，按象限在时域里进行累积运算，产生多象限单帧和信号；再对多象限单帧和信号进行滤波运算，得到滤波多象限单帧和信号；从滤波多象限单帧和信号中鉴别得到目标空间碎片信号，由目标空间碎片信号计算测量激光波往返目标空间碎片的时间，由往返时间计算目标空间碎片的距离值；测距方法二：参照测距方法一得到滤波多象限单帧和信号；对靠近的两个测距周期或多个测距周期的滤波多象限单帧和信号进行互相关运算，得到滤波多象限多帧和信号；从滤波多象限多帧和信号中鉴别得到目标空间碎片信号，运算后得到测量激光波往返目标空间碎片的时间，由往返时间计算目标空间碎片距离值。 6.根据权利要求5所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，步骤302）中，目标空间碎片飞行轨道的计算方法包括如下步骤：根据目标空间碎片距离值，所述控制器（13）调用所述接收目镜（20）变焦移动距离值，控制接收目镜（20）变焦；对所述激光接收器（12）得到的多象限单帧信号，运用代数或积分方法，求解光斑的能量中心，即质心，获得质心坐标值，质心坐标值用笛卡尔坐标中的偏移量或极坐标形式表达；坐标原点设置在接收光轴的轴上，对同一时间测量的目标空间碎片距离值与质心坐标值进行组合，得到目标的三维坐标值；由相邻帧质心的坐标值时间顺序，得到目标空间碎片的移动方向，由多个连续的质心坐标值，求得质心的移动轨迹，即目标空间碎片的飞行轨迹，再将飞行轨迹的坐标通过所述惯性测量组件（14）转化成地球坐标，形成目标空间碎片飞行轨道。 7.根据权利要求5所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，步骤302）中，目标空间碎片的动态剖面特征图库的获得方法包括如下步骤：所述光波指向操控器（15）对着可能存在空间碎片的一定空域范围，按照设定的方式进行扫描；在扫描过程中，光波指向操控器（15）中的两维精密角度测量传感器不断测量光波指向操控器（15）的扫描位置，所述第一激光发射器（11）与光波指向操控器（15）的扫描位置一一对应发射激光波，进行目标空间碎片距离值、角度值与质心的连续测量，并把每帧目标空间碎片多象限单帧信号进行存储；所述控制器（13）根据判定阈值，对每帧目标空间碎片多象限单帧信号进行鉴别，得到串目标空间碎片多象限单帧信号，由串目标空间碎片多象限单帧信号的脉冲数量和脉冲周期，结合目标空间碎片距离值和角度值，通过Radon变换与反变换或hough变换与反变换，对空间碎片进行层析成像，得到空间碎片外形宽度和轮廓；由串目标空间碎片多象限单帧信号不同扫描方向上的外形宽度及变化规律，结合目标空间碎片外形宽度和轮廓，得到目标空间碎片飞行状态；由不同扫描方向得到多组串目标空间碎片外形宽度和轮廓，由多组动态的串目标空间碎片外形宽度和轮廓解得目标空间碎片的旋转周期和旋转轴坐标，时间轴层析图像、旋转周期、旋转轴坐标、飞行速度；由空间碎片的位置坐标、外形宽度和时间轴层析图像、旋转周期、旋转轴坐标、飞行速度，组合成目标空间碎片动态剖面特征图库。 8.根据权利要求7所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，步骤402）中，最佳冲击角的确定方法为：定义与测量激光波传输方向近似垂直的平面为正面，与测量激光波传输方向近似平行的平面为侧面，测量的串目标空间碎片多象限单帧信号最大宽度和幅度的目标空间碎片反射面定为正面；由测量的空间碎片动态剖面特征图库中的图形，通过空间碎片面形变化规律，判断空间碎片旋转轴位置状态与方向：如果空间碎片面形宽度和信号幅度由小变大，或由大变小，则判定旋转轴处于垂直于测量激光波传输方向的平面内；如果空间碎片面形宽度和信号幅度基本不变，则判定旋转轴与激光传输方向平行；如果测量的串目标空间碎片面形宽度与信号幅度都变化，则根据剖面特征图，反演出空间碎片旋转轴的位置状态与方向；碎片旋转轴相对在所述激光探测定位驱离系统（1）参考点的位置，由碎片的空间三维坐标确定，串目标空间碎片多象限单帧信号宽度和幅度由大变小，再由小变大的时间，则为碎片的旋转周期，按照驱离激光最佳冲击角，由目标空间碎片动态剖面特征图库中的图形计算最佳冲击面。 9.根据权利要求7所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，所述第二激光发射器（17）的驱离激光发射方法为：首先分析目标空间碎片动态剖面特征图库中的图形，确定最佳冲击角的最佳冲击面；根据目标空间碎片飞行速度与轨迹，确定扫描空域范围；控制所述光波指向操控器（15）操控测量激光波，在确定的扫描空域循环扫描，扫描的同时，进行距离测量与目标空间碎片外形测量；所述控制器（13）根据空间碎片距离值、飞行轨道和动态剖面特征图库，设定第二激光发射器（17）的输出功率、束散角和工作频率参数；判断碎片状态是不是达到设定的最佳冲击角，一旦碎片状态满足预定要求，立即发射驱离激光波，如果不满足，回到扫描测量步骤，进入下一扫描周期，继续扫描与测量；目标空间碎片多次到达最佳冲击角，多次发射了驱离激光波后，判断是否满足设定的发射周期或时间，如果满足，结束驱离激光波发射，如果不满足，继续驱离激光波，循环往复，直至满足；光波指向操控器（15）按每次发射一次驱离激光波，移动一个与目标空间碎片飞行速度和方向相对应的增量进行扫描，扫描周期的长短，由目标空间碎片飞行速度确定；扫描方式为左右与上下扫描，或非正交扫描方式，根据目标空间碎片旋转情况，调整扫描方式。 10.根据权利要求4所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，步骤302）中，所述接收目镜（20）调节焦距的方法为：根据光斑质心测量精度要求，计算目标空间碎片距离值与光斑直径对应视场的关系，根据光斑直径对应视场计算接收目镜（20）变焦的移动距离，将目标空间碎片距离与接收目镜（20）变焦移动距离值一一对应，按表格形式存储在所述控制器（13）中；所述光波指向操控器（15）的误差校正方法为：先将光波指向操控器（15）的原始指向调成与光轴一致或调节成一个固定偏差，将固定偏差存在所述控制器（13）中；使用过程中定时将光波指向操控器（15）的偏转角度值与光斑质心坐标值进行比较，两者应该一一对应；如果两者存在差值，将偏差存储下来，在计算目标轨迹时予以修正。
所属类别：	发明专利