空间碎片的存在对在轨运行航天器的安全构成严重的威胁, 同时空间碎片的不断产生对有限的轨道资源也将构成严重威胁。采用激光测距技术可实现空间碎片的实时高精度定轨, 从而可有效规避其对航天器的撞击。为了开展高精度小尺寸空间碎片激光测距, 研制了可快速平稳跟踪400 km以上空间目标的53 cm双筒望远镜, 然后结合低功率高重频亚纳秒激光器和单光子探测技术, 在该望远镜上研究和实现了空间碎片激光测距技术。结合激光测距方程, 分析研究系统的空间碎片探测能力, 当碎片距离为1 000 km时, 能探测到回波光子的碎片最小尺寸约为478.5 cm。实际观测表明: 该激光测距系统具有探测米级空间碎片(约1 000 km远)的能力。

厘米级空间碎片对在轨航天器的威胁极大, 高能激光辐照使其降轨进入大气层烧毁是近年来的研究热点。针对空间站附近厘米级空间碎片, 利用天基平台搭载高能激光器, 提出了多脉冲激光降轨的计算方法。仿真结果表明, 天基平台激光清除厘米级空间碎片的前提是空间碎片处于“清除窗口”, “清除窗口”的选择是能否实现空间碎片降轨的关键; 根据已有的激光器及天基平台参数, 空间碎片多脉冲激光降轨可以达到清除效果; 多脉冲降轨结果表明, 空间碎片偏心率变化较大, 造成其半长轴与远地点变化幅度很小而近地点变化幅度很大, 而轨道倾角变化幅度很小; 当降轨幅度相同时, 需要施加的多脉冲速度增量总和与一次性施加的单脉冲速度增量基本相同, 但降轨效果相差较大, 不能通过一次单脉冲计算近似表示多脉冲降轨效果。通过上述问题的研究, 为进一步实现空间碎片天基激光探测清除一体化仿真研究奠定基础。

通过选取LEO区域中两种典型材料的小尺度空间碎片, 分别建立了相应的强激光与靶材的冲量耦合模型, 研究了高能脉冲激光与靶材作用下碎片速度的变化规律。在此基础上建立了激光辐照作用下小尺度空间碎片的变轨模型。通过仿真分析, 对假定功率激光器作用下两种典型材料空间碎片轨道参数的变化规律进行了数值模拟, 并讨论分析了碎片自旋角速率及不同功率的激光器对碎片清理效能的影响规律。研究结果表明, 在假定功率的天基平台激光器作用下能在一个飞行周期内辐照两种典型材料碎片达到降轨清除效果, 为天基平台激光清除空间碎片技术的应用提供了必要的理论基础。

日益增长的太空碎片为载人空间站和卫星带来严重的安全挑战。2011年, NASA提出使用地面连续激光照射空间碎片, 利用其微弱的光压力效应, 通过长期积累, 改变其轨道, 从而预防其与航天器可能的碰撞。这一碰撞避免方法并不把太空碎片拉回大气层内, 而是防止碰撞, 由于不需要航天器机动, 且光压的温和作用也对激光器发射功率没有太高要求, 因此这种避碰方法受到广泛关注。然而, 该方法的提出者采用的迎面照射控制律尽管简单但非最优, 故需要设计最优控制律。通过建立两点边值问题模型, 以两物体之间距离的最大化为控制目标, 求解了最优性条件。仿真显示, 经优化后控制律的避碰效果提高程度非常显著, 提高幅度与初轨有关, 通常为25%~125%。

超短脉冲激光烧蚀靶材产生的冲量耦合效应在激光烧蚀微推力器、激光清除空间碎片等航天应用中有广泛的应用前景, 而高精度的冲量测量方法是研究冲量耦合效应的必须手段。采用基于激光干涉法的扭摆系统测量激光烧蚀靶材产生的冲量, 并构建测量系统。研究扭摆系统纵轴振动和初始误差角对冲量测量产生的影响, 扭摆系统纵轴高频振动导致了激光干涉条纹间距出现不均匀现象; 此外, 扭摆初始误差角越大, 明条纹出现时间将前移, 条纹数目变大, 导致测量系统精度不高。通过建立的附加高频振动和初始误差角的误差分析模型, 提出了基于最小二乘法的实验数据分析方法, 该方法能够有效滤除高频测量噪声, 解决了冲量测量精度不高的问题, 进一步完善了冲量测量方法。

空间碎片高精度测量是提升碎片目标精密监测与预警的重要途径。作为空间碎片地基光电探测技术, 激光测距具有高精度测量特性。根据空间碎片激光测距特点以及瞄准国际技术发展, 研制高性能高功率激光器、突破高效率激光信号探测等, 国内首先建立了60 cm口径空间碎片激光测距系统, 实现了碎片目标测量距离从500~2 600 km, 目标截面积从小于0.5 m2到大于10 m2, 具备了空间碎片常规测量能力。根据空间碎片激光测距方程, 结合实际激光回波数据, 综合考虑空间碎片过境时段等, 构建了地基激光测距系统探测仿真模型, 研究了60 cm口径空间碎片激光测距系统探测能力, 可对距离1 000 km、直径大于50 cm碎片目标进行观测, 与实际测量结果相符, 验证了仿真模型的合理性, 为未来地基激光测距系统高效运行及测量装备建设与探测效能评估奠定了基础。

稀疏数据条件下, 弹道系数是影响低轨空间碎片精确轨道确定与预报的关键因子。使用长期累积的TLE(二行根数)跟踪数据, 通过半长轴的大气阻力摄动方程, 将2 000多个轨道近地点高度低于850 km的空间碎片的弹道系数进行估算, 得到这些空间碎片的弹道系数值, 并给出弹道系数的两个应用实例。第一个应用实例关于利用弹道系数进行TLE的数据质量检测。使用质量检测方法剔除质量可疑的TLE后, 对14个面质比较大的空间碎片进行弹道系数的重新估算, 估算误差均显著减小, 其中11个新计算得到的弹道系数与参考值的相对误差小于20%。第二个实例验证弹道系数在所谓的TLE-OD/OP方法中的应用。以GRACE-B卫星为例, 精密轨道预报为参考, 结果表明利用多组TLE的TLE-OD/OP的轨道预报精度显著优于TLE/SGP4的精度。

优化了一维纳秒脉冲激光等离子体化空间碎片的流体力学模型。流体力学模型分为等离子体状态方程求解、空间碎片与激光能量耦合计算、激光推进冲量耦合系数计算三个模块。在各模块实现的基础上, 重点分析了碎片等离子体温度、速度、压强、密度的时间和空间分布规律。考虑到等离子体屏蔽效应对激光效能的影响, 提出等离子体对激光逐层吸收的计算方法, 更准确分析激光功率密度和脉宽对激光清理空间碎片效能的影响, 提出了获取最优激光效能的方法。最后与实验经验公式解相比较, 验证了优化模型的正确性。

提出了一种基于可见光相机与激光测距仪的空间碎片在轨识别与定位方法。空间碎片的相对速度、距离等因素直接影响碎片成像轨迹。为完成帧间匹配, 采用与轨迹边缘具有等价二阶中心矩的椭圆描述其特征, 并以此制定帧间匹配准则。通过帧间匹配, 即可获得图像中碎片的坐标, 解算出碎片方位角。当仅有测角信息时, 采用位置-速度滤波算法, 引导激光测距仪对目标相对距离进行测量; 当同时具备测角信息与测距信息时, 采用扩展Kalman滤波算法对目标进行滤波定位, 并获得高精度的目标运动状态信息。

相位解包在光学测量领域有着广泛的应用，其中路径相关类解包方法通常计算速度较快，但抗噪声能力较弱；而路径无关类方法的鲁棒性好，但大多存在迭代收敛慢、计算量大的问题。因此，将区域重构技术引入解包运算中，得到一种新的路径无关类解包方法。该方法对于矩形区域数据能够直接求解解包相位，无需迭代过程；设计了采样-重组加速方法使运算量大幅减小，计算速度优于同类解包方法；使用Gerchberg式迭代过程能够解决不规则孔径内的数据解包问题，可在少量迭代后收敛。通过仿真验证了该方法在矩形区域内的直接求解精度和加速法的效能，通过对实验数据的解包验证了算法处理不规则孔径数据的能力。