[论文解读] Optical technologies for the observation of low Earth orbit objects

D. Hampf, Paul Wagner+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2015

Space Satellite Systems and Control参考文献 8被引用 11

一句话总结

本文介绍了德国航空航天中心斯图加特站天文台开发的一种光学系统，该系统结合了被动光学跟踪与激光测距技术，实现了对近地轨道（LEO）碎片的高精度三维跟踪。通过使用双站视差或单站激光测距并配合亚纳秒级时间测量，系统实现了1.4角秒的跟踪精度，并可直接测量距离，显著提升了碰撞规避所需的轨道元素确定精度。

ABSTRACT

In order to avoid collisions with space debris, the near Earth orbit must be continuously scanned by either ground- or spaced-based facilities. For the low Earth orbit, radar telescopes are the workhorse for this task, especially due to their continuous availability. However, optical observation methods can deliver complementary information, especially towards high accuracy measurements. Passive-optical observations are inexpensive and can yield very precise information about the apparent position of the object in the sky via comparison with background stars. However, the object's distance from the observer is not readily accessible, which constitutes a major drawback of this approach for the precise calculation of the orbital elements. Two experimental methods have been devised to overcome this problem: Using two observatories a few kilometres apart, strictly simultaneous observations of the same object yield an accurate, instantaneous 3D position determination through measurement of the parallax. If only one observatory is available, a pulsed laser can be used in addition to the passive-optical channel to measure the distance to the object, in a similar fashion as used by the satellite laser ranging community. However, compared to conventional laser ranging, a stronger laser and more elaborate tracking algorithms are necessary. The two approaches can also be combined by illuminating the object with a pulsed laser from one observatory and measuring the return times at both observatories. These techniques are explored by German Aerospace Center in Stuttgart using its orbital debris research observatory, in cooperation with the Satellite Laser Ranging station in Graz and the Geodetic Observatory in Wettzell. This contribution will present some of the results and plans for further measurement campaigns.

研究动机与目标

• 开发并演示利用被动与主动光学方法对近地轨道（LEO）空间碎片进行高精度光学跟踪。
• 通过集成激光测距技术，克服被动光学观测中缺乏直接距离测量的局限性。
• 通过多地面站双向激光测距实现精确的三维轨道确定。
• 评估与现有SLR站合作的低成本、高精度光学系统在空间碎片监视中的可行性与性能。
• 通过提升轨道元素更新的精度与时效性，支持接近分析与碰撞规避。

提出的方法

• 采用Planewave CDK 17望远镜，口径43 cm，配备直接驱动赤道仪，实现对LEO目标的高速、高精度跟踪。
• 使用多台高灵敏度相机（Andor Zyla sCMOS、FLI ProLine、Andor iXon Ultra），分辨率低于1角秒，积分时间范围为2.5×10⁻⁵ s至3600 s。
• 通过精确天体测量技术，测量目标相对于背景恒星的二维视位置，实现被动光学跟踪。
• 引入波长为1064 nm的脉冲激光测距系统，脉冲能量100 mJ，采用单光子探测器与亚纳秒级时间测量（PicoHarp 300和White Rabbit FMC-DEL），实现精确的往返飞行时间测量。
• 通过一个站点（如Wettzell）作为发射站，另两个站点（斯图加特与格拉茨）作为接收站，实施双向激光测距，以改善基线几何结构与测量精度。
• 采用闭环控制系统，实现2角秒的跟踪精度（测试中为1.4角秒σ），确保对高速运动的LEO目标保持激光光束对准。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用高分辨率相机与精确指向，被动光学跟踪能否实现对LEO碎片目标的亚角秒级天体测量精度？
• RQ2 使用中等脉冲能量（100 mJ）的激光测距，能在多大程度上实现对非合作LEO目标的直接距离测量？
• RQ3 与单站或被动方法相比，采用多地面站的双向激光测距在提升三维轨道确定精度与可靠性方面有何优势？
• RQ4 低成本、光纤耦合的激光发射系统在长时间观测期间能否保持稳定、高精度的跟踪与测距性能？
• RQ5 单光子探测器与亚纳秒级时间测量系统的集成，如何提升空间碎片激光测距中的信噪比与测量精度？

主要发现

• 2014年3月12日，该天文台对QuikSCAT目标的跟踪精度达到1.4角秒（σ），表明系统性能接近衍射极限。
• 利用Andor Zyla sCMOS相机进行的被动光学观测，提供了高精度的二维天体测量，可准确测定LEO目标的角位置。
• 使用100 mJ脉冲激光（波长1064 nm）的激光测距实验，成功验证了对合作目标及大型非合作目标进行直接距离测量的可行性。
• 采用暗计数率低、量子效率高的单光子探测器，可探测到回波信号强度低于1%占空比的微弱信号。
• 利用PicoHarp 300与White Rabbit FMC-DEL板卡实现的亚纳秒级时间分辨率，支持精确的往返飞行时间测量，对高精度测距至关重要。
• 与格拉茨和韦茨尔SLR站的联合实验成功实现了双向激光测距，通过提升轨道元素精度，具备改善轨迹预测的潜力。