當前，隨著商業航天、低空經濟等新增長引擎的快速發展，如何避免微小衛星受到來自空間碎片的威脅？當微小衛星達到壽命成為空間碎片后，如何實現對其軌道的監測？
研究發現，利用激光測距探測近地空間碎片的位置，可以為微小衛星等航天飛行器提供避免空間碰撞的重要信息。近日，中國科學院國家天文臺長春人造衛星觀測站（以下簡稱長春人衛站）自主研制的激光角反射器成功實現了衛星激光測距。
“結構小、質量輕、反射效率高、價格便宜……這些是我們設計的民用衛星激光角反射器的主要特點。”長春人衛站副研究員溫冠宇向《中國科學報》介紹，這款激光角反射器可以應用于低地球軌道上的衛星或火箭，滿足其精密軌道測定軌需求。
激光測距能干什么
“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器件，廣泛應用于激光通信和光學變換等領域。”長春人衛站副研究員溫冠宇告訴《中國科學報》，“激光角反射器主要應用于衛星激光測距、月球激光測距等遠距離高精度測距領域。”
溫冠宇介紹，衛星激光測距就是利用衛星地面監測站安裝的衛星激光測距系統所發射的激光脈沖，通過測算激光經過衛星角反射器反射后回到地面的時間，進而計算出衛星到地面監測站的距離。
自從20世紀60年代以來，衛星激光測距作為一種高精度衛星測軌技術，已在天文地球動力學、空間大地測量、地球科學和空間科學研究等方面得到廣泛應用。隨著技術發展，全球的衛星激光測距技術在激光重復率、測距精度、作用距離、全天時觀測等方面得到長足發展，并形成了一定規模的觀測網絡系統。
來自國際激光測距服務（ILRS）組織的數據顯示，長春人衛站激光測距數據數量與數據質量常年位居世界第二位。據悉，ILRS組織的合作觀測站遍布全球，并與各國的組織機構相互合作，提供全球衛星和月球激光測距數據及其相關產品。
“衛星角反射器能夠提高衛星的反射效率，大幅度提高激光測距的最遠探測距離與探測精度。”溫冠宇說，市面上只能采購到角錐棱鏡，其是激光角反射器的關鍵部件，但精度相對較低，難以滿足衛星領域的應用需求。
成功接收有效數據
長春人衛站從1982年開始開展衛星激光測距的研究工作。近年來，長春人衛站激光測距研究室開展了激光角反射器的攻關和研制。溫冠宇介紹：“根據激光角反射器的應用需求，我們自主完成了角反射器結構設計、制造、測試的全部流程。”
在激光角反射器的研制過程中，科研團隊也遇到了一些困難。
溫冠宇告訴記者，主要難點在于在滿足技術指標的前提下，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驗研究，從而選取適合的精度等級，既能滿足應用需求，又能壓縮成本。”
此外，在激光角反射器整體的裝配與測試過程中，如何保證多個棱鏡角度的一致性也是該研究中的又一項難點。
溫冠宇指出：“我們不僅開展了反復修配與裝調，還模擬太空復雜的工作環境增加測試環節，希望在地面要做好充足的準備，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衛星發射成功。3月11日，長春人衛站高重頻衛星激光測距系統成功接收到該衛星角反射器的有效回波數據，實現自主研制角反射器的衛星激光測距在軌驗證。
“這款激光角反射器成功實現衛星激光測距，標志著長春人衛站能夠為合作衛星提供從角反射器設計到跟蹤觀測的全方位衛星激光測距服務。”溫冠宇表示，本次成功觀測不僅促進了激光角反射器領域技術研究及應用，也推動了激光角反射器相關產業的發展。
實現高精度定位定軌
隨著衛星產業的發展，空間碎片日益增多，航天器的安全運行和空間的可持續發展已經成為科技領域的前沿熱點。
“我們希望應用長春人衛站現有激光測距系統開展激光測距研究，監測并分析來自空間碎片對衛星構成的威脅，開展空間碎片避免碰撞的應用研究，進行更準確的風險評估。”溫冠宇道出了開展激光角反射器的設計與測試的初衷。
此次研制的激光角反射器由長春人衛站激光測距研究室和長春光客科技有限公司合作完成。長春光客科技有限公司主要負責產品的加工裝調和后續衛星激光通信等工作，長春人衛站主要負責激光角反射器的總體設計工作。這也是雙方開展產學研合作的又一成果。
溫冠宇介紹：“作為一家多學科、多方向的綜合性天文研究基地，長春人衛站擅長技術攻關；作為一家激光通信終端生產商，長春光客科技有限公司的整機設計及工程化驗證能力可以幫助我們將設計成果落地轉化。”
當前，衛星小型化以成為衛星研究領域的一個重要方向。微小衛星能夠通過組網等方式，替代研制成本高昂的單個大型衛星，大大加快衛星的產業化進程。“我們在2023年與微納星空達成合作協議，在其發射的衛星上安裝我們研制的激光角反射器。”溫冠宇說，這次成功發射表明，微小衛星通過搭載長春人衛站的激光角反射器，并利用地面激光測距系統，可以解決其高精度定位定軌問題。
