近幾十年來，人類航天活動日益頻繁，航天器發射數量不斷增加，由此產生了大量的空間碎片，包括運載工具、失效載荷以及由空間物體碰撞產生的碎片等。空間碎片的相對運動約10km/s
，能夠對航天器造成多種形式的危害
，如嚴重改變航天器的表麵性能、運行姿態和軌道，甚至可導致載人航天器的嚴重損毀，威脅航天員的生命安全。
　
　　目前太空中已編目的大於10cm 的物體約2萬個，主要為空間碎片
；1～10cm的碎片超過50萬個；小於1cm的碎片可能有幾千萬個。不同尺寸空間碎片對航天器有不同程度的威脅，通常，對於尺寸小於1cm的空間碎片，采用被動屏蔽防護結構為航天器提供保護；對於尺寸大於10cm的空間碎片

，地基探測設備可以獲得其軌道信息

，航天器根據預警信息進行規避機動；對於尺寸1～10cm的空間碎片，數量龐大，並且目前地基探測設備不具備對其跟蹤定軌的能力，是載人航天器的重要威脅。
　
　　天基探測不存在地球大氣的影響，可以近距離
、高精度探測小尺寸空間碎片，是近年來空間碎片探測的發展趨勢。根據公開報道的資料，美國
、俄(e)羅(luo)斯(si)和(he)加(jia)拿(na)大(da)等(deng)國(guo)已(yi)經(jing)開(kai)展(zhan)了(le)天(tian)基(ji)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)探(tan)測(ce)的(de)研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)。隨(sui)著(zhe)我(wo)國(guo)載(zai)人(ren)航(hang)天(tian)的(de)推(tui)進(jin)以(yi)及(ji)空(kong)間(jian)探(tan)測(ce)研(yan)究(jiu)的(de)迅(xun)速(su)發(fa)展(zhan)
，對(dui)天(tian)基(ji)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)探(tan)測(ce)係(xi)統(tong)的(de)需(xu)求(qiu)日(ri)益(yi)迫(po)切(qie)。
　　
　　一
、服務於空間站平台的空間碎片探測與清除措施分析
　　
　　天基空間碎片探測的主要技術手段包括光學探測和雷達探測兩種方式，由於雷達探測係統能夠對空間碎片進行精確定軌，“國際空間站”主要采用雷達對近距離範圍空間碎片進行監視，以滿足基本的空間碎片預報和規避需求，包括毫米波雷達和Ku頻段雷達。毫米波雷達係統能夠對“國際空間站”附近25km 範圍內0.4~8cm 的空間碎片進行跟蹤測量，觀測範圍俯仰方向為±15°

，方位相為360°

，為“國際空間站”提供衝撞警告
，以及對空間碎片的數據庫提供更新數據；Ku頻段雷達最大探測距離為400km
，能夠探測在“國際空間站”軌道麵上出現的2～10cm的空間碎片， 提前1～2個軌道得到準確的預報，為機動規避做決策和準備。但是

，進行機動規避需要與地麵通信，由地麵分析後才能給出規避策略，雷達（受限於口徑、功率）仍無法滿足對於遠距離空間碎片探測的需求。
　
　　高度400km軌道的空間碎片環境
　
　　根據對空間碎片危害的分析
，1～10cm空間碎片能夠造成航天器的損毀，並且數量龐大，空間站不可能頻繁地進行規避機動。據統計，“國際空間站”平均每年進行規避飛行14次，每次規避飛行需要付出巨大的代價：動員大量的人力、物(wu)力(li)加(jia)強(qiang)監(jian)測(ce)和(he)預(yu)警(jing)工(gong)作(zuo)，航(hang)天(tian)員(yuan)必(bi)須(xu)暫(zan)停(ting)工(gong)作(zuo)和(he)試(shi)驗(yan)項(xiang)目(mu)躲(duo)進(jin)對(dui)接(jie)的(de)載(zai)人(ren)飛(fei)船(chuan)內(nei)，並(bing)且(qie)空(kong)間(jian)站(zhan)機(ji)動(dong)需(xu)要(yao)消(xiao)耗(hao)大(da)量(liang)的(de)燃(ran)料(liao)。針(zhen)對(dui)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)
，美(mei)國(guo)進(jin)行(xing)了(le)“激光掃帚”試驗，主要目標是清除“國際空間站”軌道上對其構成威脅的尺寸為1～10cm的(de)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)。激(ji)光(guang)主(zhu)動(dong)清(qing)除(chu)方(fang)法(fa)可(ke)快(kuai)速(su)處(chu)理(li)對(dui)空(kong)間(jian)站(zhan)構(gou)成(cheng)威(wei)脅(xie)的(de)碎(sui)片(pian)

，減(jian)少(shao)對(dui)空(kong)間(jian)站(zhan)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)的(de)幹(gan)擾(rao)，降(jiang)低(di)碰(peng)撞(zhuang)概(gai)率(lv)。但(dan)是(shi)該(gai)方(fang)法(fa)能(neng)源(yuan)消(xiao)耗(hao)大(da)，探(tan)測(ce)範(fan)圍(wei)小(xiao)
，探(tan)測(ce)距(ju)離(li)短(duan)，無(wu)法(fa)長(chang)時(shi)間(jian)開(kai)機(ji)對(dui)空(kong)間(jian)站(zhan)周(zhou)圍(wei)進(jin)行(xing)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)。
　
　　綜上所述，對於空間站軌道麵上1～10cm尺寸空間碎片的探測與清除，總結如下：1）采用雷達探測方式能夠精確定軌，但是探測距離短
，為空間站提供規避機動的時間有限；2）采用激光主動清除方法清理空間碎片時效性高
，但是探測範圍小
、探測距離短，導致探測效率低，並且長時間開機會消耗大量能源；空間碎片的探測與清除都對全天時
、遠距離、大視場、低耗能的係統提出了需求，對比幾種天基空間碎片探測手段
，紅外探測係統的特性滿足上述應用需求。
　
　　紅外探測係統具有以下優點：①探測距離遠，紅外探測係統的探測能力與目標距離的平方成反比，而雷達探測係統的探測能力與目標距離的4次方成反比；②全天時探測，紅外探測係統可對地影區空間目標進行有效探測，可對空間站周圍空間碎片進行實時監視；③低(di)耗(hao)能(neng)，紅(hong)外(wai)探(tan)測(ce)為(wei)被(bei)動(dong)探(tan)測(ce)方(fang)式(shi)，不(bu)需(xu)要(yao)空(kong)間(jian)平(ping)台(tai)提(ti)供(gong)大(da)量(liang)的(de)發(fa)射(she)能(neng)量(liang)。因(yin)此(ci)
，建(jian)立(li)基(ji)於(yu)紅(hong)外(wai)探(tan)測(ce)係(xi)統(tong)的(de)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)探(tan)測(ce)與(yu)清(qing)除(chu)體(ti)係(xi)，能(neng)滿(man)足(zu)我(wo)國(guo)空(kong)間(jian)站(zhan)安(an)全(quan)防(fang)護(hu)需(xu)求(qiu)。
　　
　　二、基於天基紅外係統的空間碎片探測與清除體係的構建
　
　　空間碎片探測是一個複雜的體係，單個係統無法實現對空間站所處軌道麵上所有空間碎片進行精確定軌、編(bian)目(mu)，尤(you)其(qi)是(shi)要(yao)對(dui)危(wei)險(xian)目(mu)標(biao)及(ji)時(shi)進(jin)行(xing)激(ji)光(guang)主(zhu)動(dong)清(qing)除(chu)

，更(geng)是(shi)需(xu)要(yao)多(duo)個(ge)係(xi)統(tong)聯(lian)合(he)工(gong)作(zuo)。依(yi)據(ju)我(wo)國(guo)空(kong)間(jian)站(zhan)在(zai)軌(gui)運(yun)行(xing)安(an)全(quan)以(yi)及(ji)對(dui)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)安(an)全(quan)防(fang)護(hu)的(de)需(xu)求(qiu)，在(zai)此(ci)提(ti)出(chu)基(ji)於(yu)天(tian)基(ji)紅(hong)外(wai)係(xi)統(tong)的(de)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)探(tan)測(ce)與(yu)清(qing)除(chu)概(gai)念(nian)。
　　
　　體係構成及功能
　
　　基於天基紅外係統的空間碎片探測與清除體係利用空間站平台，聯合紅外探測係統
、雷達定軌係統、激光清除係統、數據處理係統和通信係統，可實現對遠距離空間碎片的探測與清除，為我國空間站提供空間碎片告警及安全防護服務。
　
　　（1）紅外探測係統
　
　　該係統發揮其遠距離探測的優勢，可對大視場範圍內遠距離1～10cm尺chi寸cun空kong間jian碎sui片pian進jin行xing全quan天tian時shi的de探tan測ce
，實shi時shi為wei雷lei達da定ding軌gui係xi統tong和he激ji光guang清qing除chu係xi統tong提ti供gong空kong間jian碎sui片pian的de初chu始shi軌gui道dao信xin息xi和he開kai機ji觸chu發fa信xin號hao，減jian小xiao雷lei達da係xi統tong和he激ji光guang係xi統tong的de準zhun備bei時shi間jian，提ti高gao空kong間jian碎sui片pian探tan測ce與yu清qing除chu效xiao率lv。
　
　　（2）雷達定軌係統
　
　　該(gai)係(xi)統(tong)具(ju)有(you)精(jing)確(que)定(ding)軌(gui)的(de)優(you)勢(shi)，根(gen)據(ju)紅(hong)外(wai)探(tan)測(ce)係(xi)統(tong)發(fa)出(chu)的(de)引(yin)導(dao)信(xin)息(xi)，對(dui)給(gei)定(ding)方(fang)向(xiang)的(de)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)進(jin)行(xing)探(tan)測(ce)，確(que)定(ding)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)的(de)精(jing)確(que)軌(gui)道(dao)，並(bing)進(jin)行(xing)高(gao)精(jing)度(du)碰(peng)撞(zhuang)預(yu)報(bao)，為(wei)激(ji)光(guang)清(qing)除(chu)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)精(jing)確(que)的(de)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)方(fang)向(xiang)和(he)位(wei)置(zhi)信(xin)息(xi)
，引(yin)導(dao)激(ji)光(guang)清(qing)除(chu)係(xi)統(tong)清(qing)除(chu)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)。
　
　　（3）激光清除係統
　
　　該係統根據雷達定軌係統給出的空間碎片方向和位置信息
，鎖定空間碎片，發射激光清除空間碎片。
　

　　基於天基紅外係統的空間碎片探測與清除體係
　
　　紅hong外wai探tan測ce係xi統tong連lian續xu對dui空kong間jian站zhan周zhou圍wei空kong域yu進jin行xing掃sao描miao，探tan測ce到dao視shi場chang範fan圍wei內nei空kong間jian碎sui片pian後hou，對dui其qi進jin行xing初chu定ding軌gui
，並bing進jin行xing軌gui道dao預yu報bao。確que定ding其qi可ke能neng飛fei入ru空kong間jian站zhan的de安an全quan警jing戒jie區qu域yu時shi，向xiang空kong間jian站zhan發fa出chu警jing告gao信xin號hao
，並bing由you空kong間jian站zhan下xia傳chuan至zhi地di麵mian站zhan。同tong時shi
，通tong知zhi雷lei達da定ding軌gui係xi統tong

、激ji光guang清qing除chu係xi統tong開kai機ji，根gen據ju紅hong外wai探tan測ce係xi統tong提ti供gong的de空kong間jian碎sui片pian粗cu略lve位wei置zhi信xin息xi，雷lei達da定ding軌gui係xi統tong指zhi向xiang該gai位wei置zhi並bing對dui這zhe一yi空kong域yu進jin行xing搜sou索suo，發fa現xian目mu標biao後hou對dui其qi進jin行xing精jing確que定ding軌gui，並bing確que定ding該gai目mu標biao對dui空kong間jian站zhan的de威wei脅xie程cheng度du。威wei脅xie程cheng度du超chao過guo某mou一yi閾yu值zhi時shi
，觸chu發fa激ji光guang器qi發fa射she激ji光guang清qing除chu碎sui片pian，或huo將jiang碎sui片pian推tui至zhi其qi他ta軌gui道dao。
　
　　該體係具有以下特點：
　
　　1）探測距離遠。通過采用紅外探測係統為雷達定軌係統和激光清除係統提供引導信息，探測距離可提高到1000多千米，能夠在遠距離範圍進行空間碎片探測。
　
　　2）探測視場大。通過安裝一維指向機構，紅外探測係統可在水平方向實現360°全方位的探測，擴大探測視場。
　
　　3）安an全quan防fang護hu性xing能neng高gao。紅hong外wai探tan測ce係xi統tong可ke在zai遠yuan距ju離li探tan測ce到dao空kong間jian碎sui片pian目mu標biao，為wei空kong間jian站zhan提ti供gong警jing告gao信xin息xi
，雷lei達da定ding軌gui係xi統tong可ke實shi現xian空kong間jian碎sui片pian的de精jing確que定ding軌gui
，並bing由you激ji光guang清qing除chu係xi統tong清qing除chu空kong間jian碎sui片pian，實shi現xian對dui空kong間jian站zhan的de安an全quan防fang護hu。
　
　　4）時(shi)效(xiao)性(xing)高(gao)。該(gai)體(ti)係(xi)由(you)在(zai)軌(gui)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)係(xi)統(tong)處(chu)理(li)各(ge)分(fen)係(xi)統(tong)的(de)結(jie)果(guo)
，並(bing)由(you)決(jue)策(ce)係(xi)統(tong)做(zuo)出(chu)決(jue)策(ce)，減(jian)少(shao)了(le)對(dui)地(di)麵(mian)人(ren)員(yuan)的(de)依(yi)賴(lai)，大(da)大(da)縮(suo)短(duan)從(cong)發(fa)現(xian)到(dao)清(qing)除(chu)的(de)時(shi)間(jian)，具(ju)有(you)很(hen)高(gao)的(de)時(shi)效(xiao)性(xing)。
　
　　5）能源消耗低。采用被動紅外探測係統為主動雷達定軌係統、激光清除係統提供開機觸發信號和引導信號，減少雷達、激光係統開機時間
，能夠大大降低空間站的能源消耗。
　
　　三、空間碎片探測與清除體係的關鍵技術
　　
　　基於天基紅外係統的空間碎片探測與清除體係包括紅外探測分係統、雷達分係統、激光分係統和數據處理分係統，實現對遠距離空間碎片的探測與清除，需要重點解決以下幾項關鍵技術。
　　
　　（1）紅外探測係統的空間碎片初定軌技術
　　
　　實shi現xian三san大da係xi統tong聯lian合he對dui空kong間jian碎sui片pian進jin行xing探tan測ce與yu清qing除chu。首shou先xian需xu要yao紅hong外wai探tan測ce係xi統tong為wei雷lei達da定ding軌gui係xi統tong和he激ji光guang清qing除chu係xi統tong提ti供gong引yin導dao信xin息xi，是shi空kong間jian碎sui片pian探tan測ce與yu清qing除chu的de前qian提ti。紅hong外wai探tan測ce係xi統tong在zai遠yuan距ju離li、大da視shi場chang範fan圍wei內nei搜sou索suo空kong間jian碎sui片pian，對dui發fa現xian的de空kong間jian碎sui片pian目mu標biao進jin行xing初chu定ding軌gui
，為wei定ding軌gui和he清qing除chu係xi統tong提ti供gong空kong間jian碎sui片pian的de軌gui道dao信xin息xi並bing進jin行xing軌gui道dao預yu報bao。因yin此ci
，首shou要yao問wen題ti是shi解jie決jue紅hong外wai探tan測ce係xi統tong的de空kong間jian碎sui片pian初chu定ding軌gui技ji術shu。
　
　　初軌確定一般基於非線性二體動力學模型采用近似或回歸算法

，通過迭代計算完成。通常

，初定軌方法分為Laplace 型和Gauss型(xing)兩(liang)類(lei)，而(er)隨(sui)著(zhe)觀(guan)測(ce)技(ji)術(shu)的(de)提(ti)高(gao)，初(chu)軌(gui)確(que)定(ding)已(yi)不(bu)局(ju)限(xian)於(yu)簡(jian)單(dan)的(de)三(san)次(ci)測(ce)角(jiao)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)初(chu)始(shi)軌(gui)道(dao)確(que)定(ding)，充(chong)分(fen)利(li)用(yong)大(da)量(liang)的(de)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)統(tong)計(ji)特(te)性(xing)提(ti)高(gao)初(chu)定(ding)軌(gui)精(jing)度(du)，如(ru)對(dui)測(ce)量(liang)進(jin)行(xing)中(zhong)心(xin)平(ping)滑(hua)
、利用多點測量的廣義Laplace方法，以及采用M-估gu計ji的de穩wen健jian迭die代dai方fang法fa等deng。由you於yu空kong間jian碎sui片pian的de預yu警jing時shi間jian短duan，需xu要yao較jiao高gao的de初chu定ding軌gui精jing度du。因yin此ci，需xu在zai現xian有you初chu定ding軌gui技ji術shu基ji礎chu上shang
，研yan究jiu新xin的de初chu定ding軌gui方fang法fa，以yi提ti高gao紅hong外wai係xi統tong的de初chu定ding軌gui精jing度du。
　　
　　（2）空間站安全預警模型研究
　
　　為我國空間站提供安全預警服務，需對空間站開展安全預警模型研究。目前，國際上使用的判定碰撞交彙的方法有Box區域判定法和計算碰撞概率方法。其中Box區(qu)域(yu)判(pan)定(ding)法(fa)，通(tong)過(guo)在(zai)航(hang)天(tian)器(qi)周(zhou)圍(wei)定(ding)義(yi)警(jing)戒(jie)區(qu)域(yu)和(he)規(gui)避(bi)區(qu)域(yu)，根(gen)據(ju)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)的(de)初(chu)始(shi)軌(gui)道(dao)信(xin)息(xi)和(he)軌(gui)道(dao)預(yu)報(bao)信(xin)息(xi)，計(ji)算(suan)未(wei)來(lai)航(hang)天(tian)器(qi)與(yu)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)之(zhi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)是(shi)否(fou)已(yi)經(jing)構(gou)成(cheng)碰(peng)撞(zhuang)危(wei)險(xian)。但(dan)是(shi)Box區域判定法的引入考慮到了空間碎片定位和交彙預報的誤差，因此會造成很多錯誤預警。
　
　　對(dui)於(yu)我(wo)國(guo)空(kong)間(jian)站(zhan)的(de)安(an)全(quan)預(yu)警(jing)
，應(ying)立(li)足(zu)於(yu)我(wo)國(guo)空(kong)間(jian)站(zhan)的(de)具(ju)體(ti)情(qing)況(kuang)
，對(dui)我(wo)國(guo)空(kong)間(jian)站(zhan)的(de)安(an)全(quan)特(te)性(xing)及(ji)預(yu)警(jing)需(xu)求(qiu)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)，研(yan)究(jiu)基(ji)於(yu)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)定(ding)位(wei)和(he)交(jiao)彙(hui)預(yu)報(bao)誤(wu)差(cha)的(de)碰(peng)撞(zhuang)概(gai)率(lv)，並(bing)結(jie)合(he)傳(chuan)統(tong)Box區域判定法建立我國空間站安全預警模型。
　
　　（3）激光主動清除空間碎片技術研究
　
　　對於空間站，根據“國際空間站”的經驗
，采用被動屏蔽防護措施可以應對尺寸小於1cm空間碎片的撞擊；預警-機動飛行可以躲避尺寸大於10cm空間碎片的撞擊；而對於尺寸1～10cm的de空kong間jian碎sui片pian，屏ping蔽bi措cuo施shi難nan以yi進jin行xing防fang護hu，由you於yu其qi數shu量liang龐pang大da，頻pin繁fan進jin行xing機ji動dong躲duo避bi將jiang消xiao耗hao大da量liang資zi源yuan。從cong世shi界jie各ge國guo研yan究jiu進jin展zhan來lai看kan
，從cong密mi集ji運yun行xing的de軌gui道dao中zhong移yi除chu碎sui片pian的de有you效xiao技ji術shu途tu徑jing是shi激ji光guang推tui進jin（燒蝕）方法。
　
　　激光清除空間碎片根據清理效果可分為灼燒和推進
，其中灼燒是利用強大的連續波激光照射碎片使其升華
，實現碎片清理；推(tui)進(jin)時(shi)利(li)用(yong)高(gao)能(neng)脈(mai)衝(chong)激(ji)光(guang)束(shu)照(zhao)射(she)碎(sui)片(pian)表(biao)麵(mian)，為(wei)碎(sui)片(pian)提(ti)供(gong)一(yi)定(ding)的(de)速(su)度(du)增(zeng)量(liang)來(lai)降(jiang)低(di)近(jin)地(di)點(dian)高(gao)度(du)，達(da)到(dao)縮(suo)短(duan)碎(sui)片(pian)軌(gui)道(dao)壽(shou)命(ming)的(de)目(mu)的(de)。美(mei)國(guo)進(jin)行(xing)了(le)激(ji)光(guang)主(zhu)動(dong)清(qing)除(chu)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)的(de)可(ke)行(xing)性(xing)研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)，對(dui)於(yu)大(da)多(duo)數(shu)低(di)地(di)球(qiu)軌(gui)道(dao)空(kong)間(jian)碎(sui)片(pian)來(lai)說(shuo)，改(gai)變(bian)其(qi)速(su)度(du)可(ke)以(yi)在(zai)一(yi)次(ci)過(guo)境(jing)時(shi)完(wan)成(cheng)。該(gai)技(ji)術(shu)涉(she)及(ji)到(dao)大(da)功(gong)率(lv)激(ji)光(guang)器(qi)、jiguangyukongjiansuipianzuoyongjiliyanjiuyijijiguangshaoshiyutuijindengduoxiangguanjianjishu。muqianwoguodagonglvjiguangqijishudedaolejiaodadefazhan，xuzaijiguangyukongjiansuipianzuoyongjilifangmiankaizhanjichulilunyanjiugongzuo

，weishixiankongjiansuipianjiguangqingchuxitongdiandingjishujichu。

　（來源：《國際太空》）