本文为中国激光第2660篇。欢迎点击在看、转发，让更多人看到。前不久，太空发生一件大事——某国进行反卫星试验，利用导弹击碎一颗报废卫星。此举可所谓大获成功，但其产生的空间碎片因部分进入国际空间站轨道，危及国家空间站，引起世界关注。虽然这些碎片最后离开了相关轨道，但再次给我们敲响了警钟——空间站时代，空间碎片的预警、防御、减缓和清除不可或缺，亟待开展深层次研究。
随着人类航天活动的愈发频繁，空间碎片严重威胁着航天任务的安全，对空间碎片轨道信息，尤其是对其空间位置和速度的精确了解，是空间安全的关键问题。全球各国都纷纷投入力量，尝试将前沿技术应用于空间碎片清理任务中。中国科学院上海技术物理研究所舒嵘研究员团队针对空间碎片激光跟踪瞄准，提出一种新的超前瞄准角计算方法，该方法有效解决了特定情况下无法短时间获得可用超前瞄准角，无法实现短时间内准确预警的问题，在空间碎片激光测距领域具有较高的应用价值。其相关结果发表在《光学学报》“空间、大气、海洋与环境光学”（SAME）专题刊上，被选为封面文章。封面解读
封面形象地展示了空间碎片激光测距系统超前瞄准的工作原理。由于目标高速运动以及光有限传播速度会产生时延影响，故需要将出射激光相对于接收光超前偏转一定角度作为补偿，这个角度就是超前瞄准角。超前瞄准角计算精度和时间极为重要，将直接影响系统跟瞄精度和碎片测距距离。文章来源：邵新博, 苑自勇, 刘夏林, 等. 基于运动信息融合的高精度超前瞄准角算法[J]. 光学学报, 2022, 42(18): 1812003.
在进行远距离空间碎片的激光测距时，由于空间碎片高速运动，光的传播速度有限，出射激光相对于接收光需超前偏转一定角度，这个角度就是超前瞄准角。由于卫星和空间碎片均处于高速运动状态，两者相遇一次仅持续数十秒的时间，因此超前瞄准角计算精度和时间极为重要，将直接影响系统跟瞄精度和碎片测距距离。在卫星和空间碎片数十秒的相遇中，为了增加有效测距的时间，应尽量压缩超前瞄准角的计算时间。原则上来讲，超前瞄准角的计算时间应小于相遇时长的三分之一。传统超前瞄准角计算精度和收敛时间难以满足项目需求，有必要寻求更优的超前瞄准角计算方法。
传统超前瞄准角计算误差过大是由定轨结果的速度误差过大而造成的。为了能在速度误差较大的情况下快速进行空间碎片跟瞄，中国科学院上海技术物理研究所舒嵘老师课题组提出了一种新的超前瞄准角计算方法：首先使用基于列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt, LM)算法的数据融合算法将激光测距系统的低帧频相机数据与高频惯性传感器数据融合，拟合出卫星本体和目标碎片相对运动的角速度信息；再将角速度信息与定轨结果中相对精确的空间碎片位置信息相结合计算出超前瞄准角度。空间碎片激光测距系统结构如图1所示，其中与超前瞄准计算相关的主要部件为粗跟踪相机和惯性单元。惯性传感器具有高采样率和低输出延时，输出数据为角速度，能反映出系统的实时振动信息。跟踪过程中的振动信息由卫星本体振动和目标碎片相对运动叠加而成。为计算高精度超前瞄准角，必须利用粗跟踪相机对本地振动数据进行辅助消除。在跟踪过程中，使用粗跟踪相机探测目标碎片的脱靶量信息，并进行引导控制，由于非合作碎片的信号较弱，需要较长时间的积分，故粗跟踪相机的输出频率较低。粗跟踪相机成像质心相对于跟踪中心的脱靶量主要由卫星平台振动造成。
图1 空间碎片激光测距系统结构示意图
数据融合算法利用惯性传感器数据和粗跟踪相机数据的相关性，计算卫星平台和空间碎片间的相对运动角速度。空间碎片为远距离非机动目标，由离心惯性驱使进行圆周运动。经过理论分析和真实数据采集验证，空间碎片在惯性条件下的运动为低频运动，其频率远低于相机和惯性传感器的信号采集频率，碎片的低频运动特性为使用数据融合算法提供了理论基础。目标相对运动速度提取问题可以等效为最佳目标轨迹拟合问题，当目标轨迹预测正确时，预测振动信息和实测振动信息能得到较好的统一。LM算法属于信赖域算法的一种，常用于解决最优化问题。最优化是寻找使得目标函数值最小的参数向量，常用于曲线拟合。LM算法同时具有梯度法和牛顿法的优点，是使用最广泛的非线性最小二乘算法。基于LM算法的数据融合算法流程如图2所示。
图2 数据融合算法处理流程图
使用60 s数据进行数据融合，结果及误差如图3所示。分别使用10、20、30 s数据进行计算，结果误差的均方根值分别为4.7499、2.3000、1.0993 μrad/s。由此可见，使用数据融合算法能够得到高精度的目标相对运动角速度，且使用数据段时间越长，结果误差越小。
图3 不同时长数据下的数据融合算法结果。（a）拟合结果；（b）拟合结果误差
新的超前瞄准角计算方法与卫星平台和空间碎片间的相对运动角速度及距离有关。假设空间碎片和卫星平台间的距离真值为2000 km，相对运动角速度真值为5000 μrad/s，基于不同时长数据，使用基于数据融合算法得到的角速度误差和基于定轨算法得到的位置误差，求解本文超前瞄准角计算方法的计算误差。在分别使用10，20，30 s数据进行计算时，本文方法的计算误差对应为0.0659，0.0334，0.0174 μrad，传统方法的计算误差对应为12.7078，2.5758，1.0735 μrad。可以看出，使用1 min以内数据进行轨道确定时，使用本文方法计算得到的超前瞄准角精度和收敛速度均优于基于传统方法得到的超前瞄准角计算结果，能够满足对空间碎片快速进行激光测距的指标需求。
团队提出的超前瞄准角计算方法有效解决了在极短弧段光学数据定轨精度不足的情况下，无法在短时间内获得可用超前瞄准角的问题，在空间碎片激光测距领域具有较高的应用价值。但是受限于时间和实验数据限制，还存在如下问题值得进一步探索：实际情况下卫星平台振动和空间目标运动的情况更加复杂，利用60 s的采样数据进行仿真，难以验证其他复杂情况下算法的有效性。实际应用中应根据具体的使用场景进一步改进算法。中国科学院空间主动光电技术重点实验室依托于中国科学院上海技术物理研究所。实验室于2010年11月筹建运行，2013年4月被批准成为中国科学院重点实验室。现实验室主任为中国科学院上海技术物理研究所王建宇院士，学术委员会主任为中国科学院上海技术物理研究所薛永祺院士。
实验室围绕国家战略需求和世界科技前沿，在空间量子、激光与光谱技术、新型主动光电探测等领域开展基础与应用基础研究，以提升我国空间主动光电探测能力为宗旨，为我国在空间科学、深空探测、对地观测等领域引领发展提供技术基础。
舒嵘，男，二级研究员，博士生导师。现任中国科学院上海技术物理研究所副所长，中国科学院空间主动光电技术重点实验室常务副主任，中国科学院量子信息与量子科技前沿卓越中心骨干研究员，上海科技大学兼职教授，中国空间学会空间遥感专业委员会副主任，上海市地理学会副理事长。
长期从事空间光电系统、信息获取与处理技术的研究。主持先导科技专项、国家重大专项等多项科研项目。任国家高分辨率对地观测系统重大专项航空分系统专家组成员、我国首次火星探测工程有效载荷火星表面成分探测仪技术责任人。成功研制国际上第一个用于空间自主着陆避障的激光三维成像敏感器，保障了嫦娥三号、四号探测器在月面的安全着陆。近5年出版《激光雷达成像原理与运动误差补偿方法》专著1本，发表论文50余篇，获得发明专利30余项。
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编辑 | 王晓琰
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