一种用于低轨空间碎片监测的高功能密度微纳卫星

本发明提供一种包含天基光学测量与接触式测量机构双载荷的高功能密度微纳卫星，它涉及利用微纳卫星的光学传感器对低轨空间碎片进行成像观测，以及采用可在轨展开的双层薄膜传感器对低轨空间碎片微尘通量与速度进行测量，属于卫星设计领域。

背景技术：

1、目前，各类空间碎片在太空中堆积，尺寸大于10cm的数量超过3.4万个，尺寸在1～10cm的数量估计在90万个以上，而毫米、微米级碎片微尘更是数以亿计。空间碎片在轨道上与航天器的平均相对运行速度可达约10km/s的高速，即使是毫米级的碎片撞击都有可能将在轨航天器的外壳击穿，已经对航天器安全产生严重威胁。因此，对低轨空间碎片进行监测、编目有助于了解空间碎片的演化规律与分布特征，对航天器在轨运行的安全性具有重要意义。

2、空间碎片监测常采用地基远程、天基探测或接触式测量方法。地基监视系统基于地面雷达或光学成像设备进行工作，具有技术成熟、使用及维护方便等优势，如美国太空篱笆(space fence)是世界上最大的s波段相控阵雷达，其服役后可覆盖250km～2000km内10cm直径目标，并将编目数量从目前的约2万个提升到10万个；中国与亚太空间合作组织(apsco)于2011年合作成立了亚太地基光学空间物体观测系统(aposos)项目，目前已完成在巴基斯坦、秘鲁和伊朗的观测站点部署。然而现有的空间碎片地基探测手段无法达到对空域、时域的无缝覆盖，不能达到全天域、全天候、全天时探测，且由于地基设备只能在特定区域观测，因此效率不高，亟需发展天基的测量手段。

3、天基探测以天基光学方式为主，可弥补地基设备地域分布局限性的不足，提高探测频度，减少预报时限、提高预报精度。空间监视和跟踪(sst)的天基空间监视演示任务(sbss)已成功证明，小型卫星可用于探测和分类小至1毫米的近地轨道碎片和小至40厘米的地球同步轨道碎片；美国soddat空间碎片监视系统预计可实现在leo轨道1000km距离实现尺寸为1～10cm、反射率为0.1的空间碎片探测。然而，由于单个天基观测平台的资源是十分受限的，且图像传感器存在局限性，任何光学观测系统都很难在追求大视场和大孔径之间找到平衡，追求单一观测平台的发展不能够满足空间环境的覆盖式监测的需求，且大型卫星成本很高。想要提升对空间碎片的感知能力，就必须增加天基观测平台的数量，因此微纳卫星具有相当大的优势。微纳卫星的小型化设计使其制造和发射成本相对较低，与传统的大型卫星相比具有明显的经济优势。尤其是以立方星(cubesat)为代表的空间碎片监视技术，口径小视场角大，可标准化批量生产，便于发射大量卫星组网进行覆盖性观测，是一种经济、技术合理的解决方案，有望成为未来空间目标探测的重要手段。

4、然而，对于更加微小的毫米、微米级空间碎片微尘而言，其体积小，反射太阳光的强度极弱，没有任何一种光学手段能够对其进行观测，只能采用接触式探测手段对其通量与大小进行测量。常用的方法是在航天器表面粘贴敏感元件，通过撞击产生的振动或压感元件电势改变对计算碎片的通量与大小。但是地球近地轨道空间十分庞大，依靠接触式测量方法也需要大量的测量平台才能实现空间覆盖。目前尚没有能够同时对厘米级碎片进行光学观测，并具备空间碎片微尘探测能力的综合型微纳卫星。

5、综上，聚焦于低轨微小空间碎片监测任务，并为了充分发挥cubesat功能，本发明提出一种具有天基光学与接触式探测两种载荷，适用于低轨空间微小碎片监测的高功能密度微纳卫星。

技术实现思路

1、(一)发明目的：本发明的目的是提供一种用于低轨空间碎片监测的高功能密度微纳卫星，该卫星由折返式光学一体化结构，可展开式双层薄膜传感器，太阳帆板，星载实时处理系统与模块化cubesat部件组成。折返式光学结构包括卫星3u主框架和光学系统，构成卫星的主体结构，其中三分之一为折返式光学结构，该设计保证了在有限体积内最大化光学系统占比，具有较大的视场角与较强的光学观测能力；可展开式薄膜传感器收纳在立方星体内部，卫星入轨后将释放展开并监测空间微尘；星载实时处理系统由核心处理器及外围电路组成，具有实时图像处理与数据下传能力。

2、(二)技术方案

3、本发明提出一种包含光学系统与可展开薄膜两种监测载荷的3u高功能密度微纳卫星，它主要由折返式光学一体化结构，可展开式薄膜传感器，星载实时处理系统与模块化cubesat部件组成，它们之间的相互关系是：折返式光学一体化结构由光学镜片与结构主框架构成；星载实时处理系统安装在光学系统后方；可展开式双层薄膜传感器展开后在卫星侧面，其薄膜法向与卫星速度矢量方向一致，通过测量微尘穿越两层薄膜的时间、位置，实现对微尘通量、运动参数的获取。

4、所述的折返式光学一体化结构，由三片光学镜片与卫星主框架、侧板组成，它们之间的连接关系为：三片光学镜片内嵌于主框架之中，构成折返式光学成像系统，整体框架由侧板封闭，4张侧板通过螺钉固定在主框架上；

5、该卫星主框架的构造为一体化结构，被两组安装平台划分为三个舱段，其中第一段的部分留有两层平台，内部有台阶与螺纹，用于精确安装三片光学镜片，并作为镜筒使用；镜片由螺纹压环压紧固定。

6、该卫星的光学系统由光学镜片、传感器、消光绒组成，光学镜片共三片，采用折返式光路设计，在不损失成像质量与观测能力的同时大幅压缩了光学所占体积；传感器位于光学系统后方，处在光学系统的等效焦平面上；消光绒粘贴在主框架第一段内部的侧板板面上，用于消除杂光。

7、该卫星的侧板为常规铝板，其中一块侧板加厚用于安装可展开式薄膜传感器的收纳外壳，并在该侧板上开有直径约8厘米的孔，为可展开薄膜传感器提供弹出空间；同时侧板起到遮光作用。

8、所述的星载实时处理系统，由cmos成像元件、核心芯片与外围电路组成，cmos成像元件朝向光学系统安装，处于光学焦平面上；核心芯片及其余硬件连接件位于该电路板的另一面，芯片处理器搭载星图实时处理算法，将所拍摄星图直接处理为星点数据并存储，可极大压缩数据传输量。

9、所述的可展开式薄膜传感器，由双层薄膜、伸展支撑杆和锁紧-释放装置组成，在发射过程中卫星本体与锁紧机构的储存装置锁死，双层薄膜传感器折叠固定在容器内；进入既定轨道后释放机构解除锁紧，底部弹簧将双层薄膜传感器储存装置弹出，双层薄膜传感器在伸展支撑杆的作用下自动展开；卫星在轨过程中双层薄膜始终保持完全展开的状态。

10、所述的其他cubesat模块化部件，包含太阳帆板、电源分系统(如蓄电池等)、姿轨控分系统(如动量轮等)、数据传输分系统。

11、(三)优点

12、本发明提出的一种用于低轨空间碎片监测的高功能密度微纳卫星优点在于：

13、①本发明提出了一种新的可用于低轨空间碎片监测的双载荷综合型卫星，包含天基光学监测与接触式探测两种手段，集成度高，功能性强。

14、②本发明中所提出的折返式光学一体化结构设计，除光学载荷与可展开的薄膜传感器需定制外，其余模块均采用标准化设计；该微纳卫星是定制化的载荷与模块化的部件组合，生产周期快，成本低，通用性、实用性强。

15、③本发明中所提出的可展开双层薄膜传感器，折展比大，可以存储在不足1u的体积内，适应于微纳卫星极为有限的空间，为卫星构型设计和内部装置布放带来了更多的灵活性和适应性；展开后面积达到微纳卫星本体的数倍，能够通过两层薄膜的击穿测量空间微尘的通量以及相对速度信息，获取更加多维的数据，有助于加深对空间微尘演化性质的研究。

16、④本发明中所提出的星上实时处理系统，由芯片处理器搭载星图实时处理算法，将所拍摄星图直接处理为星点图像坐标数据并存储，可极大压缩数据传输量。