系统组成及功能简介

图12-2　空间碎片ATP 示意图

典型的ATP 系统结构如图12-3 所示。ATP 系统以跟踪回路为中心，通过跟踪传感器测出目标位置信息（跟踪误差），并输入跟踪控制器进行回路补偿，再经速度回路由驱动装置（伺服电机）驱动机架以跟踪目标。系统捕获时则先由大视场捕获装置发现目标，然后将目标信息送至跟踪回路并转入跟踪，也可以由其他设备或者目标理论轨迹引导捕获目标。瞄准则根据各种传感器测量的数据对跟踪系统机架进行修正控制，也可直接控制转动轴或者瞄准轴，以对准目标［2-3］。

图12-3　典型的ATP 系统结构

电子束系统在空间应用时，所搭载的航天器是不间断运动的，空间碎片与搭载航天器又是相对运动的。捕获跟踪瞄准系统首先需要确定平台的位置和空间碎片目标出现的不确定区，在探测空间碎片目标阶段，因为碎片目标出现的位置不是精确确定的，可能会超出探测器探测范围，所以需要对碎片目标进行扫描搜索，从而捕获碎片目标，并通过一定的优化方案来确定扫描方式、扫描速度等参数；捕获到碎片目标后，要对碎片目标进行精确跟踪。由于平台和空间碎片都是高速运动体，而探测信号在两者之间传输时有延时，需要考虑运动平台和空间碎片目标之间的相对运动，即通过超前瞄准装置来补充两者之间的相对运动［2-3，5］。

通过上述分析，可以将运动平台捕获跟踪瞄准系统的工作过程分为以下三个部分：①运动平台ATP 主控单元获得平台和碎片目标的轨道信息，计算出天线初始指向传送给扫描搜索系统；②捕获到碎片目标并达到一定精度后，转入跟踪碎片目标状态；③当满足一定跟踪精度时，经过超前瞄准装置，发射电子束至空间碎片。

ATP 系统具有捕获、跟踪和瞄准三种基本功能，三种功能各有其特点，下面分别进行简要介绍。

1.捕获功能

捕获系统的基本技术问题主要有捕获距离、捕获视场、捕获时间、捕获碎片目标的特性以及背景特性等。增大捕获距离和视场，减小捕获时间是对捕获技术的主要要求。为可靠捕获空间碎片目标并对其进行精确跟踪，系统应具备几个不同视场的接收装置，大视场用于捕获，中视场用于粗跟踪，小视场用于精跟踪［2，4］。

捕获时间是指从空间碎片目标进入捕获接收装置视场直至接收装置输出碎片目标位置信息所需的时间，主要由接收装置响应和信号处理所需的时间确定。影响空间碎片目标捕获的主要因素是背景辐射及干扰、空间碎片目标辐射和几何特性以及接收装置灵敏度等［2］。

（1）背景辐射和干扰所带来噪声会降低信噪比，导致提取空间碎片目标信号困难，加大空间碎片目标捕获的难度。

（2）在相同的距离和对比度条件下，空间碎片目标特性辐射越强，信噪比越高，也就越容易捕获。而且空间碎片目标的几何特性对信号处理时间影响很大，几何特性越复杂，所需的信号处理时间就越长。(www.xing528.com)

（3）接收装置灵敏度对于空间碎片目标的捕获也具有重要的影响。传感器灵敏度越高，目标捕获难度越小。同时，背景和目标辐射特性对传感器灵敏度的影响也是不可忽略的。

在空间环境下常用的捕获方法有微波雷达捕获和光电捕获。微波雷达捕获在天基监视雷达中应用广泛，它的任务是对太空和地球进行大范围的监视，探测的目标既有高速的卫星、弹道导弹及空间碎片，也有低速的飞机和巡航导弹，还有慢速的坦克、舰船及不动的地面和静止目标［7］。光电捕获在空间激光通信中大量应用，在建立链路的过程中，首先通信链路的一方发出一束较宽的激光（信标光），另外一方在不确定区域搜索该信标光，一旦该光束进入探测器视场并且被正确探测到，即完成对通信目标的捕获［4］。采用光学相机进行目标捕获也是光电捕获的一种，但是存在观测距离、自然光等条件限制。

2.跟踪功能

跟踪功能要实现对目标的精密跟踪，其技术问题可以概括为以下几个方面［2］。

（1）目标特性（目标形状、运动轨迹、速度和加速度等）。

（2）跟踪角度范围（方位角、俯仰角、横倾角等）。

（3）跟踪角速度、角加速度。

（4）跟踪精度。

（5）过渡特性。

上述指标均要求跟踪系统能够精确测量出空间碎片目标与跟踪瞄准轴之间的偏差，实现对空间碎片目标的快速跟踪；同时减小由于空间碎片运动以及各种扰动引起的跟踪误差，提高跟踪精度和响应速度，保证系统跟踪的稳定性。其中，跟踪精度和响应速度不仅是跟踪系统的关键指标，也是决定整个跟踪系统设计的重要因素；而跟踪稳定性则是保证系统可靠工作的必要前提。如何在系统稳定的前提下提高系统的跟踪精度和响应速度，是跟踪系统设计中的重要问题之一［2，5-6］。

3.瞄准功能

瞄准是在跟踪的基础上，输入有关跟踪数据，并基于设定的跟踪策略，通过伺服系统调整各转动轴的位置，减小瞄准误差，使得瞄准轴最终对准希望清除或驱离的空间碎片。瞄准系统的误差来源主要有以下几方面：跟踪轴与瞄准轴之间的视差，轴系或者结构变形引起的误差，测量点与跟踪点之间的偏差，电子束传输时间引起的误差，等等［2］。因此，如何减小瞄准误差，是制约系统最终跟踪精度和跟踪性能的关键。