低軌微小衛(wèi)星及小碎片搜索/跟蹤機動式大視場光電望遠鏡

高 昕，王建立，唐 嘉，韓昌元，趙金宇，明 名

（1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094；

2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

低軌微小衛(wèi)星及小碎片搜索/跟蹤機動式大視場光電望遠鏡

高 昕1，王建立2，唐 嘉1，韓昌元2，趙金宇2，明 名2

（1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094；

2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

有效反射面積小，運動速度快的空間低軌衛(wèi)星和小碎片的日益增多對現有地基探測跟蹤技術提出了挑戰(zhàn)。本文分析了國外現有低軌小目標光電探測技術的發(fā)展現狀，結合低軌小目標的探測需求，提出了一種用于低軌微小衛(wèi)星及小碎片搜索/跟蹤探測的機動式車載大視場光電望遠鏡設計方案。介紹了該望遠鏡的光學系統(tǒng)、跟蹤架及載車，描述了它的工作模式和圖像處理，討論了系統(tǒng)的搜索和探測能力。結果表明，該望遠鏡對300 km軌道高度的目標搜索能力達到13.5星等（相當于直徑5 cm目標），可以滿足搜索和跟蹤低軌微小衛(wèi)星及小碎片探測的實際需求。

低軌；碎片；小衛(wèi)星；搜索跟蹤望遠鏡；光電望遠鏡

1 引 言

2008年4月28日和2009年9月23日，印度分別用一枚火箭發(fā)射了10顆和7顆衛(wèi)星，除了690和960 kg的兩顆大衛(wèi)星外，其余15顆均為1～16 kg的外國小型衛(wèi)星，最小的僅為1 kg。2009年8月30日和2010年6月11日，韓國兩次試圖發(fā)射輕型運載火箭，其有效載荷是韓國人自行建造的小型衛(wèi)星。在此之前，伊朗、朝鮮等國家都發(fā)射過運載火箭，試圖將本國研制的小衛(wèi)星送入地球軌道。這說明，世界上一些國家都在積極研制微小衛(wèi)星，以顯示其利用空間的能力。歐洲一些大學和研究機構力推3個30的小衛(wèi)星技術，即30 cm大小，30 kg重量和30 W功率的微小衛(wèi)星，這些低軌小衛(wèi)星的軌道高度為300～700 km，目標的尺寸小、暗弱、運行速度快。隨著這些成本低、功能簡單、應急發(fā)射的低軌微小衛(wèi)星數量的增多，快速發(fā)現、盡快識別這些低軌微小衛(wèi)星目標，并進行編目，已向研究人員提出了技術挑戰(zhàn)［1］。

另外，隨著各國航天發(fā)射活動的迅速增加和衛(wèi)星的解體與碰撞事故的發(fā)生，地球低軌軌道上產生了數量巨大的低軌空間小碎片。由于大于厘米級的碎片對在軌空間衛(wèi)星，特別是載人空間試驗站都可能產生致命的破壞，因此對低軌空間小碎片（1～30 cm）的搜索發(fā)現與跟蹤編目提出了迫切要求。

當前，地基空間目標探測與跟蹤的主要手段是雷達和光電望遠鏡。由于雷達屬于主動探測，其探測能力與作用距離的4次方成反比，而光電系統(tǒng)的探測能力與距離的平方成反比。一般情況下，雷達低軌目標探測能力為目標尺寸30 cm，1～30 cm尺寸目標則選用地基大口徑、大視場搜索望遠鏡進行探測［2］。

美國的空間目標監(jiān)視系統(tǒng)對10 cm以上的低軌目標主要依賴地基雷達，中高軌目標則依賴光電系統(tǒng)。對于1～10 cm的低軌目標，美國國防部（DOD）和宇航局（NASA）均提出了探測與跟蹤要求，其采用的手段是地基大口徑、大視場地基搜索望遠鏡。其中，美國NASA與美國空軍研究實驗室（AFRL）于2010年研制了1.25 m級搜索跟蹤望遠 鏡 （MeterClassAutonomousTelescope，MCAT）［3］，以期實現低軌1～10 cm碎片的搜索發(fā)現與跟蹤測量；美國國防部先進項目局（DARPA）正在研制口徑為3.5 m，視場為3.5°的大口徑地基搜索望遠鏡，用于低軌暗弱目標的搜索，甚至采用了曲面CCD［4］；美國空軍的3 m旋轉水銀搜索望遠鏡，也正用于低軌目標的搜索發(fā)現［5］。另外，美國天文界正在研制的用于小行星搜索發(fā)現的2～8 m級地基望遠鏡［4］，也規(guī)劃用于低軌小目標的搜索發(fā)現，如8.4 m口徑3°視場的LLST望遠鏡，4個1.8 m口徑，3°視場的PAN STARRS望遠鏡陣。

為了搜索發(fā)現微小衛(wèi)星，滿足載人航天預警的需要，同時實現對低軌空間目標撞擊等突發(fā)事件監(jiān)測，本文提出了用于低軌微小衛(wèi)星及小碎片搜索/跟蹤機動式大視場光電望遠鏡的設計方案。

2 低軌微小衛(wèi)星及小碎片搜索/跟蹤機動式大視場光電望遠鏡

2.1 總體考慮

機動式大視場光電望遠鏡光學系統(tǒng)在保證像質的前提下應盡量增大視場，提高搜索和探測能力；同時應盡量減輕整機重量，滿足車載機動式要求；另外，還應具有自動識別目標和遠程控制功能。

提出的光電望遠鏡采用主焦點光路形式，有效通光口徑為1.2 m；主鏡采用雙曲面，校正鏡采用非球面設計，2.8°視場內80％的能量集中在24 μm內；為滿足車載機動式要求，主鏡使用輕量化SiC材料，輕量化后的1.2 m口徑SiC鏡坯重量只有100 kg；為減輕整機重量，系統(tǒng)采用桁架式輕量化的地平式跟蹤架，采用車載一體化的設計思路，望遠鏡轉動部分的重量不超過2.5 t；采用Hough變換，提高系統(tǒng)搜索探測能力并實現數據的自動處理。

2.2 光學系統(tǒng)

為實現大視場設計要求，且滿足較高的光學成像質量，望遠鏡采用了主焦點光學系統(tǒng)。主鏡為雙曲面，口徑D1=1 230 mm，校正鏡為4片透鏡，其中兩片一面為二次曲面的非球面，如圖1所示。20℃時，該系統(tǒng)在2.8°視場處的彌散斑半徑（RMS）小于12 μm，其點列圖如圖2所示。20℃時，系統(tǒng)MTF軸上值為0.71（@21l p/mm），2.8°視場處的MTF平均值為0.62（@2l p/mm）（其中子午方向為0.56，弧矢方向為0.68），如圖3所示。系統(tǒng)能量集中度如圖4所示，軸上80％的能量集中在半徑為10.6 μm的圓內，2.8°視場內80％以上的能量集中在半徑為12.2 μm的圓內。

圖1 光學系統(tǒng)光路圖Fig.1 Diagram of optical system

圖2 點列圖Fig.2 Spot diagram

圖3 MTFFig.3 Diagram of modulation transfer function

圖4 能量集中度Fig.4 Diagram encircled energy

綜上所述，光學系統(tǒng)設計達到了預定的要求，設計參數如下：

入瞳口徑：1 200 mm

焦比：1.17

焦距：1 400 mm

探測視場：2.8°（對角線）

焦面尺寸：69.54 mm

MTF：0.62（@21lp/mm）

彌散斑半徑（RMS）：＜12 μm

80％能量集中度半徑：＜12.2 μm

光學筒長：1412.68 mm

后工作距離：43.89 mm2.3 光學主鏡

圖5 1.2 m SiC輕量化主鏡Fig.5 1.2 m SiC light weighted primary mirror

光學主鏡材料采用中科院長春光機所研制的RB-SiC輕型材料，圖5是輕量化設計的1.2 m SiC主鏡。與其他光學材料相比，SiC比剛度高，采用中間夾心輕量化設計，輕量化率可達70％，輕量化設計的1.2 m SiC主鏡只有100 kg，可以大大減輕主鏡支撐結構的重量，從而減輕望遠鏡整機的重量。

2.4 跟蹤架及載車

為了實現望遠鏡機動式工作的能力，望遠鏡跟蹤架采用桁架結構，底座與載車一體化設計，由此進一步減輕了重量，降低了望遠鏡高度，提高了通過性。采用輕量化設計的望遠鏡整機重量不超過4 t，如圖6所示。

圖6 望遠鏡及其載車Fig.6 Telescope and vehicle

2.5 圖像處理

圖7 信噪比為2：1時目標識別效果Fig.7 Target detection at 2：1 SNR

對于低軌運動目標的搜索，望遠鏡可處于靜止狀態(tài)，等待目標穿越視場。由于快速目標在視場內處于直線拉條狀，可以利用Hough變換識別出目標。Hough變換是由Paul Hough提出的一種經典的直線檢測方法，可實現一種從圖像空間到參數空間的映射關系。采用Hough變換，在信噪比為2：1的條件下，可以很快識別出目標，如圖7所示。文獻［5］結論是在信噪比為1：1的條件下，識別條狀衛(wèi)星圖像的概率可以達到50％。

2.6 工作模式

望遠鏡具有凝視搜索、跟蹤、軌道面攔截等工作模式。對低軌目標可以采用凝視搜索的方式，一旦發(fā)現目標后，采集幾點數據，即可用圓軌道預報方式進行引導捕獲跟蹤，進而跟蹤測量，得到目標一定弧段的數據。對于不準確的預告，可以采用沿軌道跟蹤搜索的模式調整。

2.7 搜索探測能力分析［4］

對于CCD給定圖像的任意一像素，總的探測信號強度由下面的公式給出：

式中Ssky代表天空亮背景產生的光子信號強度，SD代表暗電流信號強度，Sobv代表觀測目標的信號強度。暗電流和天空能產生不需要的背景信號。結合以上各因素，噪聲可以由下面的公式計算得到：

式中Nread表示讀出噪聲。此時信噪比由式（3）給出：

最后，求解上面的方程可以得到目標信號強度與其它因素的關系式。結果為：

這時，通過關聯在要求信噪比下所需探測的信號強度與探測目標光強度特征的關系，就能確定在給定探測器積分時間下的系統(tǒng)探測閾值。

根據上面計算公式和表1的望遠鏡及探測器等參數，分別計算出1.2 m口徑大視場望遠鏡對低軌不同軌道高度搜索探測能力為：

300 km：優(yōu)于13.5星等；

500 km：優(yōu)于14.2星等；

1 000 km：優(yōu)于15.1星等；

在信噪比為5：1，積分時間1 s時的跟蹤探測 能力不低于18星等。

表1 搜索/跟蹤機動式大視場光電望遠鏡參數Tab.1 Parameters of mobile optoelectronic telescope with large FOV for searching and tracking

3 結 論

本文提出的采用大視場光學設計、輕型主鏡材料、緊湊式結構設計，滿足車載機動式要求的大視場搜索望遠鏡方案，對300 km軌道高度的目標搜索能力達到13.5星等，相當于直徑5 cm目標的探測能力［6］，可以滿足搜索和跟蹤低軌微小衛(wèi)星及小碎片的實際需求。該大視場搜索望遠鏡可機動式全國流動觀測，平?？勺魅粘Ｓ^測，當有突發(fā)空間事件時，可以作為應急設備在短時間內到達適合觀測地點開展工作。

［1］SPENCER D R，CHARLES B，HOGGE C B，et al..Space Debris［J］，2000，2：137-160.

［2］王建立，陳濤.空間目標監(jiān)視用地基高分辨率光電成像望遠鏡總體需求及關鍵技術分析［J］.中國光學與應用光學，2008，1（1）：36-48.WANG J L，CHEN T.General requirements and key technologies of ground-based high resolution OE imaging telescope for space target surveillance［J］.Chinese J.Opt.Appl.Opt.，2008，1（1）：36-48.（in Chinese）

［3］Orbital debris optical measurements［EB/OL］.（2009-08-06）［2010-11-11］.http：//orbitaldebris.jsc.nasa.gov/measure/optical.html.

［4］MARK R A.Blind search for micro satellites in LEO：optical signatures and search strategies［C］.Proceedings of the Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference，Hawaii，Sep.2007.

［5］ROGER J H.Wide field of view satellite tracking［D］.Ottowa Royal Military College of Canada，2000.

［6］MARK K M，MATNEY M J，HEJDUK M D，et al..An investigation of global albedo values［C］.Proceeding of the Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference，Hawaii，Sep.2008.

Mobile telescope with large FOV for searching and tracking low-orbit micro-satellites and space debris

GAO Xin1，WANG Jian-li2，TANG Jia1，HAN Chang-yuan2，ZHAO Jin-yu2，MING Ming2

（1.Beijing Institute of Tracκing and Telecommunication Technology，Beijing 100094，China；2.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

As more and more small satellites and debris appeare in low orbits，it presentes a big challenge to ground-based detecting and tracking techniques for those objects with fewer effective reflecting areas and high speeds.In this paper，the present status of detecting and tracking techniques for small objects in low orbit is analyzed.An automotive truck-based telescope with a large Field of View（FOV）is designed to search/track micro satellites and small debris.The optical system and system mount in the telescope are introduced and its working mode and data processing are described.Finally，it discusses searching and detection abilities of the proposed system.The obtained results show that the telescope has the capability to search 13.5 magnitude objects（5 cm object in diameter）at the 300 km altitude orbit.It can satisfy the requirements of searching and tracking micro satellites and small debris in low earth orbits.

low orbit；space debris；small satellite；searching and tracking telescope；photoelectric telescope

2010-12-11；

2011-02-18

TH752

A

1674-2915（2011）02-0124-05

高 昕（1973—），男，天津人，博士，高級工程師，主要從事飛行器光電測控總體技術方面的研究。E-mail：gaoxin526@sina.com