一种空间碎片的电场探测方法与流程

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本发明涉及一种空间碎片的探测方法。


背景技术：

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空间碎片是指除还在正常使用的航天器以外的所有仍留在外层空间的人造物体，包括失效的有效载荷或运载工具、有效载荷与运载工具所产生的残碎片、微粒物质和载人飞行时抛入外层空间的各种工具及废弃物等。
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据美国宇航局(nasa)对空间碎片的探测报道，尺寸大于10cm的空间碎片已达7000-15000个，如废弃卫星、末级火箭、抛弃的卫星整流罩等；尺寸在1-10cm内的碎片则多达35000-15000个；小于1cm的碎片数量则多达400万个。这些空间碎片严重危害人类的航天活动，各国的航天部门都在寻求对策，不少国家开展了有关空间碎片的研究和试验，联合国外层空间委员会的科技小组委员会已将如何探测空间碎片列入每届会议的议程。
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目前危害较大的空间碎片主要分布在800-1000km的高空，运动速度7-8km/s，相对碰撞速度可达10km/s，已有探测方法包括红外探测、雷达探测、光学探测、激光探测等。
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红外探测属于被动技术，受探测系统本身的温度影响很大，还受太阳辐射、地球辐射等空间辐射影响，探测距离一般十几千米到几十千米；雷达探测属于主动技术，地基雷达受限于波长、发射功率的影响，具有局限性，天基雷达可实现几十千米探测，但受空间辐射影响严重；光学探测与所有的光学望远镜一样，不能全天候工作，对地球阴影区的不发光物体无法观测；激光探测属于主动探测技术，但由于碎片目标不带反射镜，可接收的回波光子数极少，碎片预报轨道与真实轨道存在较大的时间和距离偏差。为此，本发明提出一种新的空间碎片探测方法，该方法可以克服光线影响、空间辐射影响和温度影响。


技术实现要素：

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本发明的目的在于提出一种新的空间碎片探测方法，该方法通过感应空间碎片运动时引起的电荷进行探测，具有不受光线影响、空间辐射影响的优点。
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为实现上述发明的目的，本发明提出的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
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1)安装6个探测极板至空间卫星6个外表平面，用于感应空间碎片运动引起的电荷，6个探测极板面积均为a，材质为导电材料；
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2)分别连接6个探测极板至6个电荷传感器，将极板感应的电荷转化为电压信号，6个电荷传感器的输入电容均为c
i
；
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3)测量电荷传感器的短路噪声，将电荷传感器的输入端与电路的地短接，此时的输出信号即是短路噪声；
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4)计算电荷传感器的输出信号大小，以其中一个探测极板为例，以该探测极板的中心为坐标原点建立三维坐标轴，假设空间碎片的位置为(x，y，z)，运动速度为v，运动方向与x轴所形成的夹角为θ，空间碎片和探测极板的距离为h，因运动摩擦产生的带电量为q0，假定t＝0时，碎片将撞上探测极板，则电荷传感器的输出信号大小为
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x＝-vt cosθ，y＝0，z＝-vt sinθ，
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5)确定空间碎片与探测极板间的最大安全反应距离，即当运动方向与x轴的夹角为θ＝90
°
时且当电荷传感器的输出信号是电荷传感器短路噪声2倍时的距离，此时是卫星能够及时做出闪避的距离；
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6)给出警示信号和极板编号，6个探测端任意一个到达最大安全反应距离，均给卫星一个警示信号和相应探测端，以便卫星能够及时做出闪避。
附图说明
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图1为本发明方法的实施流程图。
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图2为探测极板安装示意图。
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图3为电荷传感器实现框图。
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图4为碎片探测模型示意图。
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图5为探测端输出信号与时间的关系图
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图6为探测安全反应距离示意图。
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具体实施方式及实施例
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为进一步详细表述本发明的效果和优势，下面将结合一具体实施例仿真结果对本发明进行详细描述，实施流程图如附图1所示：
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1)安装6个探测极板至空间卫星6个外表平面，用于感应空间碎片运动引起的电荷，安装示意图如附图2所示，6个探测极板面积a均为1m2，材质为导电材料；
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2)分别连接6个探测极板至6个电荷传感器，将极板感应的电荷转化为电压信号，6个电荷传感器的输入电容c
i
均为10pf，电荷传感器的实现框图如附图3所示；
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3)测量电荷传感器的短路噪声，将电荷传感器的输入端与电路的地短接，此时的输出信号即是短路噪声，测试结果为0.2μv；
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4)计算电荷传感器的输出信号大小，以其中一个探测极板为例。先对碎片撞击卫星进行建模如附图4所示，以该探测极板的中心为坐标原点建立三维坐标轴，碎片的运动方向与x轴所形成的夹角为θ，假设空间碎片因运动摩擦产生的带电量q0为10-12
c，其运动的位置为(x，y，z)，v为7km/s，若t＝0时，碎片将撞上探测极板，则电荷传感器的输出信号大小为
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5)确定空间碎片与探测极板间的最大安全反应距离，即当空间碎片运动方向与x轴夹角θ为90
°
时，电荷传感器的输出信号为0.4μv时，用matlab对上述结果进行仿真，可得探测端输出信号与时间的关系图，如附图5所示，此时的最大安全反应距离h是141m，卫星约有20.15ms的反应时间以做出闪避，如附图6所示；
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6)给出警示信号和极板编号，6个探测极板任意一个到达最大安全反应距离，均给卫星一个警示信号和相应的极板编号，以便卫星能够及时做出闪避。
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上述实施例表明，本发明所提的空间碎片电场探测方法的有效性。
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需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所做出的等同变换或替换及以此为基础扩充等若干改进均落入本发明权利要求所保护的范围。