本發(fā)明涉及外太空空間環(huán)境探測及空間垃圾清理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于微小衛(wèi)星的空間碎片清理系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，越來越多的航天器被發(fā)射到地球軌道上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類活動在太空中留下了接近6000噸的各類物體，其中40%位于近地軌道上。NASA和ESA的研究均顯示，目前所有的空間碎片（包括故障航天器、報(bào)廢航天器、航天器撞擊形成的碎片、環(huán)繞地球運(yùn)行的隕石）減緩措施雖然能夠減少空間碎片的產(chǎn)生，但是都不足以保持空間碎片環(huán)境的穩(wěn)定。這些空間碎片不受控制，無法確定其運(yùn)動軌跡，對航天器的運(yùn)行造成很大的危害，必須采取措施給予定期清除。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于微小衛(wèi)星的空間碎片清理系統(tǒng)及方法，其包含地面觀測與分析系統(tǒng)、運(yùn)載系統(tǒng)和空間捕獲系統(tǒng)三部分，可以實(shí)現(xiàn)空間碎片獲取，自主回收，并且可重復(fù)使用的故障航天器維修處理等。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于微小衛(wèi)星的空間碎片清理系統(tǒng)，其特征是，包含：

地面觀測與分析模塊，用于確定空間碎片的軌道位置與空間碎片處理任務(wù)的目的；

運(yùn)載模塊，與地面觀測與分析模塊通信連接，其根據(jù)地面觀測與分析模塊的指示將空間捕獲模塊送入預(yù)訂軌道；

空間捕獲模塊，與地面觀測與分析模塊通信連接，其包含搭載在運(yùn)載模塊上的碎片接管小衛(wèi)星以及附著于該碎片接管小衛(wèi)星上的多個(gè)觀測與操控微衛(wèi)星；觀測與操控微衛(wèi)星用于對空間碎片進(jìn)行觀測以獲得觀測數(shù)據(jù)，碎片接管小衛(wèi)星用于根據(jù)觀測數(shù)據(jù)控制觀測與操控微衛(wèi)星對空間碎片進(jìn)行處理。

上述的基于微小衛(wèi)星的空間碎片清理系統(tǒng)，其中：

所述觀測與操控微衛(wèi)星選用主動附著的方式完成對空間碎片的連接后對空間碎片進(jìn)行處理。

上述的基于微小衛(wèi)星的空間碎片清理系統(tǒng)，其中：

所述的碎片接管小衛(wèi)星根據(jù)觀測數(shù)據(jù)得到空間碎片的運(yùn)動位置與姿態(tài)信息。

上述的基于微小衛(wèi)星的空間碎片清理系統(tǒng)，其中：所述的地面觀測與分析模塊包含：

大型光子望遠(yuǎn)鏡、地面雷達(dá)系統(tǒng)、軌道信息庫、任務(wù)分析平臺；大型光子望遠(yuǎn)鏡和地面雷達(dá)系統(tǒng)觀測得到空間碎片在可觀測時(shí)間段內(nèi)的軌道位置，通過軌道信息庫提供的軌道信息得到空間碎片的完整軌道信息，任務(wù)分析平臺根據(jù)空間碎片完整的軌道信息分析計(jì)算空間捕獲模塊的發(fā)射時(shí)間、發(fā)射位置、入軌時(shí)間及入軌位置。

上述的基于微小衛(wèi)星的空間碎片清理系統(tǒng)，其中：

所述空間捕獲模塊中，觀測與操控微衛(wèi)星上附著有4個(gè)碎片接管小衛(wèi)星。

一種空間碎片清理方法，其特征是，采用上述的基于微小衛(wèi)星的空間碎片清理系統(tǒng)來完成，該方法包含以下步驟：

S1、地面觀測與分析模塊確定空間碎片的軌道位置與空間碎片處理任務(wù)的目的；

S2、運(yùn)載模塊搭載空間捕獲模塊，將空間捕獲模塊送入預(yù)訂軌道；

S3、碎片接管小衛(wèi)星接近空間碎片后，多個(gè)觀測與操控微衛(wèi)星從不同角度對空間碎片進(jìn)行觀測獲得觀測數(shù)據(jù)；

S4、碎片接管小衛(wèi)星分析觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果控制觀測與操控微衛(wèi)星對空間碎片進(jìn)行處理。

一種基于微小衛(wèi)星的空間碎片清理方法，其特征是，所述的步驟S4具體包含：

S41、碎片接管小衛(wèi)星分析觀測數(shù)據(jù)得到空間碎片的運(yùn)動位置與姿態(tài)信息；

S42、碎片接管小衛(wèi)星根據(jù)分析結(jié)果向距離空間碎片附著點(diǎn)最近的觀測與操控微衛(wèi)星發(fā)出指令；

S43、被選定的觀測與操控微衛(wèi)星向空間碎片附著，附著后對空間碎片進(jìn)行消旋，其余觀測與操控微衛(wèi)星重新回歸碎片接管小衛(wèi)星原位置。

上述的空間碎片清理方法，其中，所述步驟S43中：

所述被選定的觀測與操控微衛(wèi)星選用主動附著的方式完成對空間碎片的連接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)對空間正在運(yùn)行的故障衛(wèi)星進(jìn)行檢測維修；可以將目標(biāo)航天器進(jìn)行離軌處理。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明的地面觀測與分析模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系框圖；

圖3為本發(fā)明的空間捕獲模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系框圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，通過詳細(xì)說明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。

如圖1、2所示，本發(fā)明公開了一種基于微小衛(wèi)星的空間碎片清理系統(tǒng)，其包含：地面觀測與分析模塊、運(yùn)載模塊以及空間捕獲模塊。地面觀測與分析模塊用于確定空間碎片的軌道位置與空間碎片處理的任務(wù)目的（任務(wù)目的包括對空間碎片進(jìn)行故障維修、變軌或者離軌處理），地面觀測與分析模塊通常通過光學(xué)和雷達(dá)對空間碎片進(jìn)行觀測，并根據(jù)任務(wù)發(fā)起單位提出的要求確定空間碎片處理任務(wù)的目的，并確定運(yùn)載模塊（搭載空間捕獲模塊）的發(fā)射時(shí)間、發(fā)射地點(diǎn)、入軌時(shí)間、入軌位置；運(yùn)載模塊與地面觀測與分析模塊通信連接，用于根據(jù)地面觀測與分析模塊的指示將空間捕獲模塊送入預(yù)訂軌道，運(yùn)載模塊可以是具有運(yùn)載功能的設(shè)備例如運(yùn)載火箭5；空間捕獲模塊與地面觀測與分析模塊通信連接，其包含搭載在運(yùn)載模塊上的碎片接管小衛(wèi)星以及附著于該碎片接管小衛(wèi)星7上的多個(gè)觀測與操控微衛(wèi)星6；觀測與操控微衛(wèi)星6用于對空間碎片進(jìn)行觀測以獲得觀測數(shù)據(jù)，碎片接管小衛(wèi)星7用于根據(jù)觀測數(shù)據(jù)控制觀測與操控微衛(wèi)星6對空間碎片進(jìn)行處理，具體的，碎片接管小衛(wèi)星7可以根據(jù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后獲得空間碎片的運(yùn)動位置與姿態(tài)信息并根據(jù)該信息來操控觀測與操控微衛(wèi)星6進(jìn)行不同操作，觀測數(shù)據(jù)包含空間碎片的運(yùn)動特性（包括軌道和姿態(tài)運(yùn)動信息）、質(zhì)量特性（包括空間碎片的質(zhì)量、慣量和質(zhì)心位置）、結(jié)構(gòu)特性（包括撓性振動情況、附著點(diǎn)情況）觀測信息。

所述觀測與操控微衛(wèi)星6選用主動附著的方式完成對空間碎片的連接后對空間碎片進(jìn)行處理，此處的附著可以是由基于范德華力的附著裝置實(shí)現(xiàn)，使得觀測與操控微衛(wèi)星6與空間碎片形成穩(wěn)定連接。

所述的地面觀測與分析模塊包含：大型光子望遠(yuǎn)鏡1、地面雷達(dá)系統(tǒng)2、軌道信息庫3、任務(wù)分析平臺4。大型光子望遠(yuǎn)鏡1和地面雷達(dá)系統(tǒng)2觀測得到空間碎片在可觀測時(shí)間段內(nèi)的軌道位置，通過軌道信息庫3提供的軌道信息得到空間碎片的完整軌道信息，任務(wù)分析平臺4根據(jù)空間碎片完整的軌道信息分析計(jì)算空間捕獲模塊的發(fā)射時(shí)間、發(fā)射位置、入軌時(shí)間及入軌位置。

本實(shí)施例中，所述空間捕獲模塊中，觀測與操控微衛(wèi)星6上附著有4個(gè)碎片接管小衛(wèi)星7。

本發(fā)明還公開了一種空間碎片清理方法，其上述的基于微小衛(wèi)星的空間碎片清理系統(tǒng)來完成，該方法包含以下步驟：

S1、地面觀測與分析模塊確定空間碎片的軌道位置與空間碎片處理任務(wù)目的；具體的，綜合利用空間目標(biāo)軌道、RCS特性、光度特性、自適應(yīng)光學(xué)成像和雷達(dá)成像手段對任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行綜合分析，通過地面觀測與分析系統(tǒng)確定空間碎片的軌道位置與任務(wù)目的；

S2、運(yùn)載模塊搭載空間捕獲模塊，將空間捕獲模塊送入預(yù)訂軌道；

S3、碎片接管小衛(wèi)星7接近空間碎片后，多個(gè)觀測與操控微衛(wèi)星6從不同角度對空間碎片進(jìn)行觀測獲得觀測數(shù)據(jù)；

S4、碎片接管小衛(wèi)星7分析觀測數(shù)據(jù)，得到空間碎片運(yùn)動特性（包括軌道和姿態(tài)運(yùn)動信息）、質(zhì)量特性（包括空間碎片的質(zhì)量、慣量和質(zhì)心位置）、結(jié)構(gòu)特性（包括撓性振動情況、附著點(diǎn)情況等），根據(jù)空間碎片特性控制距離空間碎片附著點(diǎn)最近、運(yùn)動姿態(tài)與空間碎片相近的觀測與操控微衛(wèi)星6對空間碎片進(jìn)行處理。

所述的步驟S4具體包含：

S41、碎片接管小衛(wèi)星7分析觀測數(shù)據(jù)得到空間碎片的運(yùn)動位置與姿態(tài)信息；

S42、碎片接管小衛(wèi)星7根據(jù)分析結(jié)果向某一觀測與操控微衛(wèi)星6發(fā)出指令；

S43、被選定的觀測與操控微衛(wèi)星6向空間碎片附著，觀測與操控微衛(wèi)星6具有觀測標(biāo)志點(diǎn)與合作的交會對接接口，通過觀測與操控微衛(wèi)星6對空間碎片的附著，使非合作的空間碎片變?yōu)楹献髂繕?biāo)，可由碎片接管小衛(wèi)星7對目標(biāo)進(jìn)行合作目標(biāo)的交會對接，為目標(biāo)的維修與離軌提供條件，附著后對空間碎片進(jìn)行消旋，其余觀測與操控微衛(wèi)星6重新回歸碎片接管小衛(wèi)星7原位置。

所述步驟S43中：所述被選定的觀測與操控微衛(wèi)星6選用主動附著的方式完成對空間碎片的連接。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，一個(gè)碎片接管小衛(wèi)星7上附著4個(gè)觀測與操控微衛(wèi)星6，當(dāng)碎片接管小衛(wèi)星7與目標(biāo)碎片接近之后，釋放出4個(gè)觀測與操控微衛(wèi)星6，4個(gè)觀測與操控微衛(wèi)星6上面的觀測系統(tǒng)分別從不同的角度對空間碎片進(jìn)行觀測，將觀測信息傳遞給碎片接管小衛(wèi)星7，碎片接管小衛(wèi)星7分析得到空間碎片的運(yùn)動位置與姿態(tài)信息。之后，碎片接管小衛(wèi)星7向某一個(gè)觀測與操控微衛(wèi)星6發(fā)出指令，之后該觀測與操控微衛(wèi)星6向空間碎片附著，附著之后對目標(biāo)進(jìn)行消旋，其他三個(gè)觀測與操控微衛(wèi)星6重新回歸到碎片接管小衛(wèi)星7原位置。與空間碎片附著的觀測與操控微衛(wèi)星6通過兩者之間的連接接口對故障航天器進(jìn)行檢測，并將信息傳遞給碎片接管小衛(wèi)星7，碎片接管小衛(wèi)星7對信息進(jìn)行分析，實(shí)施與合作目標(biāo)的對接，對接之后利用搭載的機(jī)械臂系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行維修，維修進(jìn)行完畢之后，空間捕獲模塊與目標(biāo)脫離，目標(biāo)繼續(xù)完成自己的任務(wù)。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。