當(dāng)前，隨著商業(yè)航天、低空經(jīng)濟(jì)等新增長(zhǎng)引擎的快速發(fā)展，如何避免微小衛(wèi)星受到來自空間碎片的威脅？當(dāng)微小衛(wèi)星達(dá)到壽命成為空間碎片后，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)其軌道的監(jiān)測(cè)？
研究發(fā)現(xiàn)，利用激光測(cè)距探測(cè)近地空間碎片的位置，可以為微小衛(wèi)星等航天飛行器提供避免空間碰撞的重要信息。近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)長(zhǎng)春人造衛(wèi)星觀測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)春人衛(wèi)站）自主研制的激光角反射器成功實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星激光測(cè)距。
“結(jié)構(gòu)小、質(zhì)量輕、反射效率高、價(jià)格便宜……這些是我們?cè)O(shè)計(jì)的民用衛(wèi)星激光角反射器的主要特點(diǎn)。”長(zhǎng)春人衛(wèi)站副研究員溫冠宇向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，這款激光角反射器可以應(yīng)用于低地球軌道上的衛(wèi)星或火箭，滿足其精密軌道測(cè)定軌需求。
激光測(cè)距能干什么
“激光角反射器是一種能夠以較低的光能損耗，將入射激光以與其平行的方向反射出去的高精度光學(xué)器件，廣泛應(yīng)用于激光通信和光學(xué)變換等領(lǐng)域。”長(zhǎng)春人衛(wèi)站副研究員溫冠宇告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“激光角反射器主要應(yīng)用于衛(wèi)星激光測(cè)距、月球激光測(cè)距等遠(yuǎn)距離高精度測(cè)距領(lǐng)域。”
溫冠宇介紹，衛(wèi)星激光測(cè)距就是利用衛(wèi)星地面監(jiān)測(cè)站安裝的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)所發(fā)射的激光脈沖，通過測(cè)算激光經(jīng)過衛(wèi)星角反射器反射后回到地面的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出衛(wèi)星到地面監(jiān)測(cè)站的距離。
自從20世紀(jì)60年代以來，衛(wèi)星激光測(cè)距作為一種高精度衛(wèi)星測(cè)軌技術(shù)，已在天文地球動(dòng)力學(xué)、空間大地測(cè)量、地球科學(xué)和空間科學(xué)研究等方面得到廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)發(fā)展，全球的衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)在激光重復(fù)率、測(cè)距精度、作用距離、全天時(shí)觀測(cè)等方面得到長(zhǎng)足發(fā)展，并形成了一定規(guī)模的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
來自國(guó)際激光測(cè)距服務(wù)（ILRS）組織的數(shù)據(jù)顯示，長(zhǎng)春人衛(wèi)站激光測(cè)距數(shù)據(jù)數(shù)量與數(shù)據(jù)質(zhì)量常年位居世界第二位。據(jù)悉，ILRS組織的合作觀測(cè)站遍布全球，并與各國(guó)的組織機(jī)構(gòu)相互合作，提供全球衛(wèi)星和月球激光測(cè)距數(shù)據(jù)及其相關(guān)產(chǎn)品。
“衛(wèi)星角反射器能夠提高衛(wèi)星的反射效率，大幅度提高激光測(cè)距的最遠(yuǎn)探測(cè)距離與探測(cè)精度。”溫冠宇說，市面上只能采購(gòu)到角錐棱鏡，其是激光角反射器的關(guān)鍵部件，但精度相對(duì)較低，難以滿足衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
成功接收有效數(shù)據(jù)
長(zhǎng)春人衛(wèi)站從1982年開始開展衛(wèi)星激光測(cè)距的研究工作。近年來，長(zhǎng)春人衛(wèi)站激光測(cè)距研究室開展了激光角反射器的攻關(guān)和研制。溫冠宇介紹：“根據(jù)激光角反射器的應(yīng)用需求，我們自主完成了角反射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試的全部流程。”
在激光角反射器的研制過程中，科研團(tuán)隊(duì)也遇到了一些困難。
溫冠宇告訴記者，主要難點(diǎn)在于在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下，如何綜合考慮精度和成本，壓縮成本。“這需要開展大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究，從而選取適合的精度等級(jí)，既能滿足應(yīng)用需求，又能壓縮成本。”
此外，在激光角反射器整體的裝配與測(cè)試過程中，如何保證多個(gè)棱鏡角度的一致性也是該研究中的又一項(xiàng)難點(diǎn)。
溫冠宇指出：“我們不僅開展了反復(fù)修配與裝調(diào)，還模擬太空復(fù)雜的工作環(huán)境增加測(cè)試環(huán)節(jié)，希望在地面要做好充足的準(zhǔn)備，確保萬無一失。”
今年1月，微納星空搭載該激光角反射器的民用光學(xué)衛(wèi)星發(fā)射成功。3月11日，長(zhǎng)春人衛(wèi)站高重頻衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)成功接收到該衛(wèi)星角反射器的有效回波數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自主研制角反射器的衛(wèi)星激光測(cè)距在軌驗(yàn)證。
“這款激光角反射器成功實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星激光測(cè)距，標(biāo)志著長(zhǎng)春人衛(wèi)站能夠?yàn)楹献餍l(wèi)星提供從角反射器設(shè)計(jì)到跟蹤觀測(cè)的全方位衛(wèi)星激光測(cè)距服務(wù)。”溫冠宇表示，本次成功觀測(cè)不僅促進(jìn)了激光角反射器領(lǐng)域技術(shù)研究及應(yīng)用，也推動(dòng)了激光角反射器相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
實(shí)現(xiàn)高精度定位定軌
隨著衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，空間碎片日益增多，航天器的安全運(yùn)行和空間的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為科技領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。
“我們希望應(yīng)用長(zhǎng)春人衛(wèi)站現(xiàn)有激光測(cè)距系統(tǒng)開展激光測(cè)距研究，監(jiān)測(cè)并分析來自空間碎片對(duì)衛(wèi)星構(gòu)成的威脅，開展空間碎片避免碰撞的應(yīng)用研究，進(jìn)行更準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。”溫冠宇道出了開展激光角反射器的設(shè)計(jì)與測(cè)試的初衷。
此次研制的激光角反射器由長(zhǎng)春人衛(wèi)站激光測(cè)距研究室和長(zhǎng)春光客科技有限公司合作完成。長(zhǎng)春光客科技有限公司主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品的加工裝調(diào)和后續(xù)衛(wèi)星激光通信等工作，長(zhǎng)春人衛(wèi)站主要負(fù)責(zé)激光角反射器的總體設(shè)計(jì)工作。這也是雙方開展產(chǎn)學(xué)研合作的又一成果。
溫冠宇介紹：“作為一家多學(xué)科、多方向的綜合性天文研究基地，長(zhǎng)春人衛(wèi)站擅長(zhǎng)技術(shù)攻關(guān)；作為一家激光通信終端生產(chǎn)商，長(zhǎng)春光客科技有限公司的整機(jī)設(shè)計(jì)及工程化驗(yàn)證能力可以幫助我們將設(shè)計(jì)成果落地轉(zhuǎn)化。”
當(dāng)前，衛(wèi)星小型化以成為衛(wèi)星研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。微小衛(wèi)星能夠通過組網(wǎng)等方式，替代研制成本高昂的單個(gè)大型衛(wèi)星，大大加快衛(wèi)星的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。“我們?cè)?023年與微納星空達(dá)成合作協(xié)議，在其發(fā)射的衛(wèi)星上安裝我們研制的激光角反射器。”溫冠宇說，這次成功發(fā)射表明，微小衛(wèi)星通過搭載長(zhǎng)春人衛(wèi)站的激光角反射器，并利用地面激光測(cè)距系統(tǒng)，可以解決其高精度定位定軌問題。
