[发明专利]一种空间碎片探测系统及方法

说明书

本发明公开一种空间碎片探测系统及方法，其利用地域上广泛分布的、现成的FM广播站作为发射信号源，不需要额外建设雷达发射站，大大减少建站成本；低频射电望远镜阵列由双极化偶极子天线组成，天线可以组成台站，几个台站可以组成阵列，这种方便灵活的组合布局适合大规模异地部署，每个台站既可以单独工作，也可以协同工作，形成干涉阵列。与传统的被动雷达相比，本发明的系统探测视场范围较大，灵敏度高，能够探测的目标在视向范围更大。

技术领域

本发明涉及空间碎片探测技术领域，具体涉及一种空间碎片探测系统及方法。

背景技术

空间碎片是指人类在太空活动过程中的产物。主要包括已完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭残骸、执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间的碰撞与风化产生的碎块等，是空间环境主要的污染源，因此又称为太空垃圾。这些空间碎片一般分布在距离地球高度约100km至40,000km之间的轨道上。随着空间碎片的不断堆积累加，空间碎片之间的碰撞机率大大增加，导致空间碎片的数量急剧增加。更严重的是，空间碎片与活动卫星等航天器之间发生碰撞的可能性也随之增加，给这些造价昂贵且具有战略意义的资产造成了重大损害与威胁。为了减少航天器的这种风险，需要获得这些空间碎片的详细分布情况(大小、质量和轨道分布等)。因此，空间碎片的探测具有重大而深远的意义。

目前，探测空间碎片的主要途径有地基雷达和光学望远镜。光学望远镜是通过接收空间碎片反射的太阳光信号进行探测，主要探测高度约为35786km的地球同步轨道等高轨道的空间碎片，这种方法受太阳光的影响较大。相反，地基雷达探测不受太阳光的影响，但受距离的限制较大。所以地基雷达更适用于近地轨道(2000km高度以下的轨道范围)的空间碎片探测。根据例行空间探测任务的统计分析知，光学望远镜对地球同步轨道上空间碎片的探测极限大约为30cm到1m，而地基雷达对近地轨道空间碎片的探测极限大约为5到10cm。

此外，被动雷达也被考虑用来探测空间碎片。被动雷达实际是双站雷达的一种特殊情况，这种雷达系统没有发射器，只通过接收目标散射其他发射源的信号来进行探测。这些发射源可能是广播电台或者通讯台站等。由于空间碎片散射的信号比较微弱，而外界干扰信号强且多，被动雷达获得的探测结果并不是很理想。而且，这种方法依赖于大型地面阵列，才得以有足够的灵敏度和分辨率接收到更精确的空间碎片散射信号。近年来，虽然不断有类似的探测方案或方法的提出，但均处于理论研究和算法测试阶段，实用性还远远不够。

发明内容

本发明所要解决的是现有被动雷达探测空间碎片技术中，接收空间碎片散射信号能力弱，发射站造价高和探测结果不理想的问题，提供一种空间碎片探测系统及方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种空间碎片探测系统，包括FM广播站群和低频射电望远镜阵列数据接收与处理系统；上述FM广播站群作为系统的发射端，由L个FM广播站组成；上述低频射电望远镜阵列数据接收与处理系统作为系统的接收端，由低频射电望远镜阵列、波束合成器、接收机、相关器和数据处理模块组成；低频射电望远镜阵列由M个台站组成，每个台站又进一步由N个双极化偶极子天线组成，每个双极化偶极子天线接收X和Y两个极化方向的信号，并输出X和Y极化方向的信号；波束合成器的数量与台站的数量相同，即为M个；每个波束合成器包含2×N个输入端和2个输出端，其2×N个输入端分别接入N个双极化偶极子天线的X和Y极化方向的信号，其2个输出端分别输出X和Y极化方向的波束；接收器包含2×M个输入端和2×M个输出端，其2×M个输入端分别接入M个波束合成器输出的X和Y极化方向的波束，其2×M个输入端分别输出2×M路复数信号；相关器具有2×M个输入端和1个输出端，其2×M个输入端分别接入接收器输出的复数信号，其输出端输出观测数据；相关器的输出端与数据处理模块的输入端连接；其中L、M和N均为设定值。