空间碎片旋转运动演化规律研究

The research on the rotational motion of the space debris has been a new hot topic with the traction of the demand of Active Debris Removal. The project aims to obtain the more systematic and complete law of the rotational motion of the space debris and establish the pattern characteristic database of the rotational motion information. The main researches include: the modeling of the eddy current torque and the air torque, and the effects of the torques on the evolution of the rotation; the establishing method of the rotational pattern characteristic database; the correlation analysis between the observational time-series information and the rotation, and the iterative verification of the theoretical models. The research in the project will be based on the combination of the theoretical method, the observation and the experiment. The effects of the induced electromotive force in the eddy current, the air torque and the non-rigid parts are taking into account in the theoretical method. The rotational pattern characteristic database of large samples with various types and evolution periods is built based on the observation and the experiment, which can be helpful to the modification of the theoretical models about the rotational motion of the space debris, and to the selection of the Active Debris Removal targets. And the theoretical models are modified by the iterative process, which will enrich the results of the evolution of the rotational motion of the space debris, and can be used to explain the special phenomena in the observation such as the rotary acceleration, periodic hop of the frequency etc. The project will promote the development of the space debris study from the particle dynamics to the rigid body dynamics, and expand the research field of the applied celestial mechanics.

在主动清除需求的牵引下，空间碎片旋转运动研究成为新的热点。项目目标为：给出较为系统和完整的空间碎片旋转运动规律，建立旋转运动信息的模式特征库。主要研究内容包括：涡电流和大气力矩模型刻画及旋转演化效应分析；旋转特征样本库的建立方法；观测时序信息与旋转相关性分析及理论模型的迭代校验。本项目将通过理论、观测和实验相结合的手段开展，理论研究中将考虑涡电流中的感生电动势、大气力矩以及非刚体部件的影响效应；将通过观测和实验，建立不同类型、不同演化时间段的大样本旋转模式库；通过迭代过程，完善理论模型和解释观测特征。本项目建立的模式特征库，可以支撑空间碎片旋转运动理论模型的改进及主动清除目标的筛选；理论研究结果可丰富和完善空间碎片旋转演化规律研究的内容，并有望解释旋转加速及频率周期性跳变等特殊观测现象。本项研究将带动空间碎片研究从质点动力学向刚体动力学的延伸，拓展应用天体力学的研究内涵。

本项目针对项目计划书拟定的研究内容逐项开展研究。.在旋转动力学理论方面，深入开展了涡电流力矩模型研究，结合欧拉运动学方程得到了空间坐标系下平均涡电流力矩的理论表达式；研究了重力梯度力矩对空间碎片旋转角动量的影响，并提出了一种可用于反演绕非主轴旋转的空间碎片旋转状态的方法；开展了大气力矩模型研究，由陨落目标的精密轨道数据来反演低热层大气密度，并基于天宫一号旋转运动变化提出了新的大气作用力矩模型。.在旋转信息数据提取与观测方法方面，提出基于大数据与机器学习，通过海量实测星像建模观测中的点扩散函数，并利用其提升图像的天体测量水平；基于数学形态学滤波降低背景不均匀的影响，提出了一套面向空域巡天的多目标图像检测方法；针对传统测光系统与流程无法获取高精度光变曲线的难题，提出了一套基于背景恒星传递较差的快速光变测量方法；开展空间目标多色测光分析；建设了空间目标光学特性测量地面仿真实验系统，用于地面仿真空间目标的光学观测，并针对CZ-4缩比模型进行数据采集；综合实测与仿真数据，建立一套集光度、多色、光谱等多种信息的模式特征数据库。.在光学时序信息与旋转状态的相关性研究及应用方面，调研整理现有的光学时序信号历史数据，依据空间碎片的类型、在轨时间进行分类，进行研究目标的筛选与观测；基于Envisat卫星光学观测数据反演其旋转及进动状态，得到目前国际最优结果，并利用epoch method得到转轴指向新的分布特征；基于光学与激光联测数据成功反演了天宫一号再入前旋转状态及演化规律；基于YORP效应模型，利用北斗G2卫星过去10年的光度观测数据成功反演其旋转运动演化规律，并证认了6次异常事件。.本项研究将带动空间碎片研究从质点动力学向刚体动力学的延伸，拓展应用天体力学的研究内涵，为空间碎片的特征识别供参考信息，为我国未来清除空间碎片奠定技术基础。