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“天宫一号"的自主陨落

中国学术期刊网【学术要闻】 编辑:天问 科学通报孙明国等 2017-10-26“天宫一号"的自主陨落原文刊载在《科学通报孙明国等》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

天宫一号空间目标飞行器是中国首个空间实验室,于2011年9月29日在酒泉卫星发射中心发射。它实际上也是中国空间站的雏型,运行期间先后与神舟八号、九号和十号飞船完成空间交会对接,多位航天员曾进入天宫一号工作和生活并开展空间科学实验。该飞行器已于2016年3月正式终止了数据服务,成为空间轨道上的“空间碎片”。
天宫一号所处的轨道空间,高度约400 km,是天宫二号航天器、国际空间站等载人航天器以及一系列对地测量卫星运行的重要区域。空间碎片严重威胁着有效卫星和航天器的运行安全,对于失效后的天宫一号目标,我国采取了两方面应对措施: 一是加强了该目标的地面监测和预警; 二是在飞行器轨道寿命末期,使天宫一号主动离轨,重返大气层烧毁。

天宫一号空间目标飞行器质量为8500 kg、全长10.4 m、最大直径为3.35 m、有效横截面积为34.87 m2。轨道周期约90 min, 目标星等约1.3,肉眼可见。天宫一号体积庞大且轨道较低,它在自由运行状态下,轨道衰减非常明显。

例如: 2016年3月20日,天宫一号目标近地点高度为378590.3 m,远地点高度为399500.1 m,而到了2017年8月20日,近地点高度为313514.9 m,远地点高度为340253.4 m。也就是说在过去的一年半的时间内,以平均每天大约110 m的速度迅速下降。空间目标的临界高度为120 km,也就是说当轨道降低到约120 km时,空间目标才会陨落。可以看出,如果仅仅依靠自然衰减陨落,存在碰撞危险的周期太长了,只有自主离轨才是最高效的清除方法。


要想对空间目标准确控制,就必须对空间目标进行严密的跟踪和精确定位。目前对空间碎片的监测和跟踪主要采用地基的光学望远镜和雷达。
雷达设备一般兼有对弹道导弹的预警任务,所以数据是非开放的。光学设备观测技术成熟,运行费用相对较低,适合长期的常规观测,例如中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站某光学望远镜在天宫一号目标发射和数次空间交会对接过程中一直参与跟踪定位和碰撞预警任务。空间目标只要有足够的星等,即可被光学设备跟踪定位,光学资料比较丰富,然而光学定轨精度不高,一般在百米的量级。


卫星激光测距(satellite laser ranging,SLR)是目前空间目标观测手段中精度最高的一种,测量精度可达厘米量级。
近年来,空间碎片激光测距技术在许多国家得到迅速发展。2002年10月,澳大利亚的Greene在报告中称位于堪培拉的Stromlo激光测距站已实现对1250 km、大小为15 cm的空间碎片进行测距。2011年奥地利Graz激光测距站和法国Grasse激光测月站先后获得空间碎片的激光测距有效数据。作为空间大国,为了满足载人航天安全和可持续利用空间资源的要求,中国也在不断发展空间碎片跟踪监测的新技术和新方法。2008年上海天文台佘山观测站(卫星激光测距系统编号: 7821)利用高功率的Nd:YAG测距试验系统,开始空间碎片的激光跟踪和测距试验,并获得了火箭残骸的漫反射激光测距数据。随后,2010年云南天文台也获得了数十圈的空间碎片激光测距数据。2013年末国家天文台长春站(卫星激光测距系统编号: 7237)完成了空间碎片激光测距系统的安装与调试,2014年初开始获得空间碎片的激光测距数据。



卫星激光测距是通过测量激光信号从地面站到空间目标的往返时间,获得空间目标距离信息的技术。
卫星激光测距系统在跟踪目标的同时,发射激光并接收回波信号。接收的光信号一部分用于成像跟踪目标,一部分提供给单光子雪崩二极管(C-SPAD),用于确定回波时间。为了保证观测精度同时减小空间背景噪声的影响,C-SPAD要求门控信号和有效光子的间隔大于50 ns,这要求轨道预报必须有足够的精度。否则即使在视场内发现目标,在调整距离门的过程中,没有收到回波信号目标已经丢失。天宫一号目标的轨道低、角速度快、过境时间短,如果轨道预报不精确,成功探测的几率将会大大降低。



长春人造卫星观测站60cm卫星激光测距望远镜


在天宫一号即将陨落的最后时期,各有关单位本着充分利用、挖掘潜力的原则,继续开展相关的科学实验。从2016年3月开始, 国家天文台长春站(7237)和上海天文台佘山站(7821)以及紫金山天文台空间碎片观测与研究中心对天宫一号空间目标成功进行了联合激光测距。激光测距精密定轨可以使目标的定轨精度得到显著提高,内符合精度可以达到10 cm,外符合精度约50 m,这对于空间目标的轨道预报和碰撞预警具有重要意义。

目前,天宫二号空间实验室已经取代了天宫一号的位置,最终我国还要建立真正意义上的空间站。卫星激光测距技术不仅为天宫一号的自主陨落提供高精度的数据支持还能为天宫二号的安全运行提供强有力的技术支撑。
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