近地空間全天時星敏感器技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展綜述

張輝，周向東，汪新梅,3，田宏

1.中國科學(xué)院 光電技術(shù)研究所，成都 610209

2.中國科學(xué)院 空間光電精密測量技術(shù)重點實驗室，成都 610209

3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

星敏感器是一種以恒星為參考源的姿態(tài)測量設(shè)備，因具備自主性好、被動測量隱蔽性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、定姿定向精度高、誤差不隨時間累積等優(yōu)勢，成為衛(wèi)星、導(dǎo)彈、艦船和飛機(jī)等平臺姿軌控系統(tǒng)不可缺少的姿態(tài)測量設(shè)備之一。

星敏感器技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代，早期基于光電倍增管的框架式星跟蹤器在艦船、導(dǎo)彈等平臺得到成功應(yīng)用；20世紀(jì)70年代電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)的出現(xiàn)以及集成電路的發(fā)展，促使固定探頭星敏感器技術(shù)得到快速發(fā)展；20世紀(jì)90年代大規(guī)模集成電路技術(shù)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)加工工藝的日趨成熟，使CMOS APS(Active Pixel Sensor)星敏感器在衛(wèi)星等平臺得到成功應(yīng)用。總之，星敏感器在大氣層外太空環(huán)境以及大氣層內(nèi)晴好夜空環(huán)境平臺上得到廣泛應(yīng)用。然而，在近地空間大氣層內(nèi)，由于白天強(qiáng)烈天空背景光的干擾，全天時星敏感器技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用受限。

本文介紹了近地空間全天時星敏感器的基本工作原理及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析并概括了全天時星敏感器實現(xiàn)的主要技術(shù)途徑，最后梳理了下一步研究方向。

1 近地空間全天時星敏感器工作原理

星敏感器以恒星為參考源，經(jīng)過光電成像、星點提取、質(zhì)心計算、星圖識別及姿態(tài)確定等步驟，最終獲取姿態(tài)信息。近地空間全天時星敏感器工作原理如圖1所示。與星載星敏感器不同，近地空間全天時星敏感器工作在大氣層內(nèi)，一方面大氣會衰減來自恒星的輻射，導(dǎo)致信號減弱；另一方面大氣散射太陽輻射、大氣和地表的熱輻射，形成天空背景輻射。因此，在白天強(qiáng)天光背景下，提高恒星背景對比度，實現(xiàn)對暗弱恒星目標(biāo)的探測是全天時星敏感器的關(guān)鍵問題。

圖1 近地空間全天時星敏感器工作原理示意圖

2 國外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代，美國等國家就已經(jīng)開始晝夜星體跟蹤器技術(shù)的研究。目前，美國、意大利等國家針對艦船、地面望遠(yuǎn)鏡、飛機(jī)以及高空氣球等平臺的應(yīng)用，研發(fā)了多種型號的全天時星敏感器。下面對國外有代表性的產(chǎn)品及應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

2.1 ?；脚_應(yīng)用

2005年，美國Microcosm公司針對航天器平臺，研發(fā)了MicroMak微型星敏感器[1]，采用三視場共孔徑結(jié)構(gòu)，3個4°×4°方視場與孔徑中心軸夾角均為30 °，視場間方位夾角為120°，分別成像于3個面陣探測器上，其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，重量不到100 g。MicroMak的三視場共孔徑光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。DayStar星敏感器是MicroMak的衍生產(chǎn)品，采用3個獨立的望遠(yuǎn)鏡，每個望遠(yuǎn)鏡口徑均為76.2 mm，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[2]。2006年3月，Microcosm公司宣布該系統(tǒng)白天在海平面能拍攝到7.1等恒星；在觀測時間段內(nèi)幾乎都能觀測到恒星，基本上可以持續(xù)更新姿態(tài)和導(dǎo)航。

圖2 三視場共孔徑MicroMak[1]

圖3 DayStar敏感器[2]

2.2 陸基平臺應(yīng)用

意大利國家天體物理學(xué)院射電天文學(xué)院研發(fā)了一款ST(Star Tracker)星跟蹤器[3]，安裝在32 m射電望遠(yuǎn)鏡上，旨在建立精確指向模型和對天線進(jìn)行動態(tài)跟蹤。其光學(xué)系統(tǒng)使用Maksutov-Cassegrain結(jié)構(gòu)折反望遠(yuǎn)鏡，口徑為180 mm，焦距為1 800 mm,視場為19.5′×19.5′；采用FingerLake CM9-1E型帕爾帖冷卻型相機(jī)，CCD型號為KAF-0261E(像素規(guī)模為512×512像素，像素大小為20 μm×20 μm)，滿阱電荷為500 ke-。ST在夜晚對暗星的觀測，可以通過增加積分時間實現(xiàn)：當(dāng)用10 s曝光時，可探測到亮于12等的恒星(信噪比S/N>20)。ST在白天進(jìn)行觀測時，需在CCD相機(jī)正前方加入近紅外濾光片。圖4為使用了Planet IR PRO 807濾光片、10 ms曝光條件下對金星的觀測結(jié)果，觀測時刻為7月25日15:00 UT，此時金星為-3.6等星。

圖4 使用Planet IR PRO 807的金星圖像[3]

2.3 飛機(jī)平臺應(yīng)用

大約從20世紀(jì)60年代開始，飛機(jī)平臺就開始使用恒星輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[4-8]，例如美國ANS天文/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[5]、NAS系列導(dǎo)航系統(tǒng)[6]以及LN-120G高精度綜合導(dǎo)航系統(tǒng)[8]等。

1) 美國NAS-26星跟蹤器

美國Northrop Grumman公司從20世紀(jì)50年代 開始天文/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)，1977年第四代導(dǎo)航系統(tǒng)NAS-26成功進(jìn)行了飛行試驗[6]。NAS-26關(guān)鍵部件是天文慣性儀器：一個三框架參考平臺，帶一個集成的兩自由度星跟蹤器。星跟蹤器采用光電倍增管作為敏感元件，望遠(yuǎn)鏡筒直徑為50.8 mm，鏡筒長度為63.5 mm，瞬時視場為40″。其內(nèi)部星表有61顆導(dǎo)航星，同一觀測時刻至少有2顆星可選用，大多為6～10顆。 跟蹤星的選取需要滿足12.5°太陽規(guī)避角以及3°大行星以及月亮規(guī)避角等條件。星跟蹤器對選出的恒星進(jìn)行螺旋形搜索(如圖5所示)，并根據(jù)恒星星等以及測量得到的天空背景亮度設(shè)置掃描速率，最終確認(rèn)目標(biāo)恒星。試驗結(jié)果表明：星跟蹤器可以分別在8 000 fL(foot-lamberts, 1 fL=3.426 cd/m2)和430 fL天空背景，觀測到-1.46等和+3.5等的恒星；在任何高度能實現(xiàn)全天時每分鐘平均跟蹤3顆星，并以此對慣性平臺進(jìn)行誤差校正；最終得到恒星指向測量標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于3 ″。該導(dǎo)航系統(tǒng)曾經(jīng)裝備在美國B-1、B-2隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī)上，并得到成功應(yīng)用。

圖5 NAS-26星跟蹤器搜索方式[6]

2) 美國LN-120G星跟蹤器

美國Litton公司(2001年被Northrop Grumman公司收購)對天文慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研究始于1961年，并于1963年研發(fā)了白天星跟蹤器。1975年，美國空軍開始使用LN-20系統(tǒng)[7]。天文導(dǎo)航模塊采用框架式小視場星跟蹤器,望遠(yuǎn)鏡采用改進(jìn)型卡塞格林反射系統(tǒng)，主鏡口徑為95.3 mm，焦距為347.2 mm，瞬時視場約6′，光學(xué)原理如圖6所示。選用EEV P86000 CCD陣列作為傳感元件(385像素×288像素，22 μm×22 μm)，滿阱電荷為400 ke-；由于視場很小，僅使用30×30像素大小的面陣，像元分辨率為13″。星跟蹤器內(nèi)置57顆星的導(dǎo)航星表，包含2.5等或更亮的恒星。系統(tǒng)積分時間為10 ms，可以探測到2.5等星(1 000 fL天空背景)和0.8等星(3 000 fL天空背景)。天文慣性基準(zhǔn)單元頂部是一個直徑228.6 mm的扁平石英窗，星跟蹤器可在俯仰角35°～85°范圍內(nèi)掃描。2006年系統(tǒng)升級換裝成LN-120G綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，2007年5月，Northrop Grumman公司向美空軍交付首套LN-120G生產(chǎn)型系統(tǒng)，后又交付30套 該系統(tǒng)用于裝備RC-135系列飛機(jī)。LN-120G導(dǎo)航系統(tǒng)可進(jìn)行晝夜跟蹤恒星，利用恒星信息改進(jìn)慣導(dǎo)的位置信息，為飛機(jī)提供的航向精度可達(dá)20″；星慣模式定位精度為900 m/h(CEP)[8]。

圖6 LN-20星跟蹤器光學(xué)原理圖[8]

2.4 高空氣球應(yīng)用

高空氣球平臺是一種低成本、可靠的科學(xué)研究平臺。氣球平臺及有效載荷都需要全天時的高精度姿態(tài)信息。

1) 美國HERO星相機(jī)

20世紀(jì)末，美國NASA的Marshall Space Flight Center為新一代硬X射線望遠(yuǎn)鏡HERO(High Energy Replicated Optics)系統(tǒng)研發(fā)了一款星相機(jī) (如圖7所示)，用于在35～42 km 的高空進(jìn)行氣球?qū)嶒瀃9-10]。該相機(jī)選用Kodak KAF 1401e CCD探測器(1 340像素×1 037像素，6.8 μm ×6.8 μm)。選擇商用Nikon IF ED鏡頭及自制遮光罩,光學(xué)口徑為64.29 mm，焦距180 mm， 視場為2.84°×2.23°；使用了Wratten #25 Red filter濾光片，工作波段為610～1 000 nm。為減少來自太陽、明亮天空和被照亮氣球的雜散光，設(shè)計遮光罩長度為2.86 m，包含9個內(nèi)部擋板以減少內(nèi)部反射，實現(xiàn)對來自視場外部光的衰減達(dá)到6.23×10-6。HERO系統(tǒng)2000年和2001年飛行試驗結(jié)果表明：實際觀測極限星等達(dá)到8.77等，指向精度達(dá)10″。

圖7 HERO星相機(jī)單元[9]

2) 美國BLAST星相機(jī)

21世紀(jì)初，美國賓夕法尼亞大學(xué)和加拿大多倫多大學(xué)等多家單位在NASA的資助下，聯(lián)合研制了氣球平臺大口徑亞毫米望遠(yuǎn)鏡BLAST(Balloon-borne Large-Aperture Submillimeter Telescope)，其上使用了一對冗余星相機(jī)ISC和OSC進(jìn)行精確定位[11]。ISC使用Qimaging PMI1401相機(jī)、Kodak KAF-1401 CCD探測器(1 312像素×1 024像素， 6.8 μm×6.8 μm)，滿阱電荷為45 ke-；OSC使用Qimaging Retiga EXi相機(jī)、SonyICX285 CCD探測器(1 360像素×1 036像素，6.45 μm×6.45 μm)， 滿阱電荷為18 ke-。PMI 1401具有更深的像素阱，因此ISC相機(jī)適合在亮背景條件下探測恒星；RediGa EXI具有更大的系統(tǒng)增益(bit/e-),因此OSC在暗光條件下更敏感。兩個星相機(jī)的光學(xué)鏡頭都使用Nikon lens，口徑為100 mm， 焦距為200 mm，視場為2°×2.5°。 使用Nikon R60 filter濾光片，將600 nm以下波段截止，工作波段為600～850 nm。遮光罩長度1.22 m，遮擋大于7°的直接入射光，內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)消除大于10°的初級反射光。星相機(jī)裝配結(jié)構(gòu)如圖8所示。BLAST于2003—2007年間進(jìn)行了3次飛行試驗，結(jié)果表明在典型白天條件下，ISC可觀測9等恒星，可提供絕對姿態(tài)指向精度<5″、數(shù)據(jù)更新率為1 Hz的實時定位信息。

圖8 BLAST星相機(jī)組件機(jī)械圖[11]

3) 美國EBEX星相機(jī)

EBEX(The E and B Experiment)是一個氣球平臺望遠(yuǎn)鏡，用于探測宇宙微波背景中的偏振信號。EBEX的姿控系統(tǒng)包含兩個冗余的星相機(jī)XSC0和XSC1，用來實現(xiàn)三軸姿態(tài)的絕對、高精度測量[12]。美國哥倫比亞大學(xué)、JPL以及英國盧瑟福實驗室等多家單位聯(lián)合設(shè)計了該型星相機(jī)。星相機(jī)選用Redlake Megaplus II 1603相機(jī)，使用Kodak KAF-1603E CCD探測器(1 536像素×1 024像素， 9 μm×9 μm)，滿阱電荷為100 ke-。光學(xué)鏡頭為Canon鏡頭，口徑為111 mm，焦距為200 mm， 視場為4.05°×2.70°。星相機(jī)使用了Hoya 25A 紅光濾光片，截止波長為600 nm。氣球飛行高度在32～40 km之間，天空背景仍然較亮。2013年1月完成了南極科學(xué)數(shù)據(jù)收集飛行任務(wù)，星相機(jī)輸出數(shù)據(jù)頻率較低，周期40～100 s，姿態(tài)精度為橫偏角約1.5″，滾動角約48″。圖9為XSC1三維模型剖面圖。

圖9 XSC1三維模型剖面圖[12]

4) 美國WASP平臺星敏感器

美國NASA沃洛普斯飛行實驗室研發(fā)了一個氣球載角秒級精度定向平臺WASP(Wallops Arc Second Pointer)。2011—2014年間共進(jìn)行了5次測試飛行試驗，對32 km高度的WASP平臺上的DayStar星敏感器和CARDS(Celestial Attitude Reference and Determination System)星敏感器的性能都進(jìn)行了驗證。

美國NASA探空火箭常用ST5000星體跟蹤器，其主要技術(shù)參數(shù)為：采用768×484面陣CCD探測器，光學(xué)口徑52.6 mm，焦距50 mm，視場5°×7°，能夠在太空環(huán)境中探測8等星，數(shù)據(jù)更新率為10 Hz，俯仰和偏航姿態(tài)精度為0.5″，滾動精度為10＂(RMS)。2011年5月，在平流層的高空氣球測試實驗結(jié)果表明：ST5000夜間姿態(tài)測量精度為俯仰0.24″、偏航0.53″；而在日出前30分鐘 探測器飽和，無法實現(xiàn)白天姿態(tài)測量。DayStar星敏感器是由科羅拉多大學(xué)設(shè)計完成的，旨在30 km高度提高ST5000的白天測星能力。其設(shè)計參數(shù)為：選用Fairchild Imaging的CIS2051科學(xué)級CMOS傳感器，光學(xué)口徑為117.5 mm，視場為6.26°×5.28°， 采用Wratten Deep Red 620 nm長波通濾光片，預(yù)估白天平臺指向精度為0.145″。其測試飛行件使用了Olympus鏡頭，口徑為75 mm，焦距為150 mm，如圖10所示。2012年9月，試飛結(jié)果表明：DayStar星敏感器在與太陽垂直方向上，白天能看到3顆星，并沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[13-14]。

圖10 DayStar試飛用Olympus相機(jī)鏡頭[14]

CARDS星敏感器采用Sony ICX674 CCD傳感器(1 936像素×1 456像素，4.54 μm×4.54 μm)，光學(xué)鏡頭口徑60.7 mm，焦距為85 mm，視場為5.9°×4.4°，使用了650 nm長波通濾光片，遮光罩保護(hù)角20°。實物如圖11所示。在2014年10月飛行試驗中，CARDS星敏感器提供了星等為3.9的恒星的跟蹤單位矢量，并提供了白天觀測4.3等星的星圖，為WASP控制系統(tǒng)提供了低成本的姿態(tài)輸入解決方案[15]。

圖11 CARDS白天星敏感器[15]

2.5 其他全天時星敏感器技術(shù)

1) OWLS星敏感器

早在20世紀(jì)80年代末，美國Northrop Grumman公司提出了1種光學(xué)廣角鏡頭星體跟蹤器(Optical Wide-angle Lens Startracker, OWLS)方案，其光學(xué)廣角鏡頭采用全息照相鏡頭[16-17]。OWLS采用經(jīng)過多次曝光在全息片中形成的全息光學(xué)元件(Holographic Optical Elements, HOE)得到多視場望遠(yuǎn)鏡，每一個望遠(yuǎn)鏡都能全口徑接收信號,這種透鏡系統(tǒng)可以通過光刻工藝進(jìn)行加工實現(xiàn)。圖12給出了1種簡單的OWLS系統(tǒng)示意圖，每個視場透鏡指向空間的某一方向，并將該方向的星光聚焦至1個CCD焦平面陣列；焦平面中使用的傳感器數(shù)目取決于天空背景亮度。對于工作在18 km以上的飛行器，天空背景噪聲大大降低，可以使用較少焦平面?zhèn)鞲衅?。設(shè)計了適用于高空的包含3個嵌入式望遠(yuǎn)鏡的OWLS，每個視場為3°×3°，具備5等星的探測能力，因此在總視場中平均只有兩顆星(3°×3°×3個望遠(yuǎn)鏡×0.075顆星/度2)，將3個望遠(yuǎn)鏡聚焦在1個百萬像素的焦平面上是可行的。該系統(tǒng)能夠為飛機(jī)的慣導(dǎo)系統(tǒng)提供角秒量級水平的指向。Northrop Grumman公司認(rèn)為OWLS在艦船、商用飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)略飛機(jī)、遙感飛行器、超音速飛行器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖12 多焦面聚焦單片全息透鏡[16]

2) Mini-OWLS

1993年，美國Northrop Grumman公司提出了一種微型光學(xué)廣角鏡頭星跟蹤器(Miniature OWLS, Mini-OWLS)概念設(shè)計[18]，如圖13所示。Mini-OWLS的星跟蹤器的功能是測量3個垂直載體軸上的姿態(tài)漂移。它由3個寬視場斯密特望遠(yuǎn)鏡組成，3臺望遠(yuǎn)鏡共用1個復(fù)用HOE，可以在無轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的條件下實現(xiàn)對多個不同方向星光的同時探測。每個望遠(yuǎn)鏡的視場為4°×4°，方位相隔120°，與天頂方向夾角30°，構(gòu)成1個48平方 度的視野，全部嵌入到1個外殼中。Mini-OWLS光學(xué)鏡頭體積小于20 cm3，重量小于55 g， 工作波段為可見光或附近波段，波段寬度約300 nm。星跟蹤器分辨率預(yù)估為5″～10″，取決于所用質(zhì)心算法。Mini-OWLS是1種小型、輕量化、低成本、高性能的星體跟蹤器，可用于多種平臺實現(xiàn)對慣性測量單元校準(zhǔn)和對準(zhǔn)等。

圖13 Mini-OWLS三視場復(fù)用斯密特望遠(yuǎn)鏡[18]

3) 美國Daytime Stellar Imager

2008年，美國Trex Enterprises公司提出1種通過觀測恒星的K或H波段近紅外光來進(jìn)行晝夜導(dǎo)航的全天時星相機(jī)，并給出兩種優(yōu)選方案，如圖14所示[19]。一種是多孔徑方案，采用3個相對大口徑望遠(yuǎn)鏡剛性安裝在載體平臺上，與垂直方向均成45°、方位互成120°，視場均為0.4°×0.5°；采用3個 320×256面陣的InGaAs探測器相機(jī)實現(xiàn)同步測量。通常亮度大于6.4等(H波段)的恒星可用，導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度可達(dá)30 m。該方案設(shè)備較大、較重，體積約1 m3，重約27 kg，但是沒有運動部件，可靠性高，適用于艦船和飛機(jī)等平臺。第2種是小孔徑跟蹤式方案，望遠(yuǎn)鏡口徑通常小于100 mm。為解決口徑減小帶來的信噪比降低、探測能力減弱問題，可采用兩種技術(shù)進(jìn)行補償：一是采用兩軸精密轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)對15°×15°范圍內(nèi)的亮星觀測；二是選用低讀出噪聲的探測器，積分時間很短時，探測器噪聲成為主要噪聲來源。該方案在機(jī)械結(jié)構(gòu)上比多孔徑方案復(fù)雜，但體積較小、重量較輕，特別適用于飛機(jī)和導(dǎo)彈的導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)。

圖14 Trex公司白天星相機(jī)[19]

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)于20世紀(jì)90年代初開始空間目標(biāo)的白天探測技術(shù)研究工作，多基于面陣CCD圖像傳感器，采用長焦距、大口徑光學(xué)鏡頭以及光譜濾波方法，實現(xiàn)了白晝條件下對恒星目標(biāo)的探測[20-22]。近年來，國內(nèi)多家科研院所和高校也都圍繞飛機(jī)、臨近空間飛行器等平臺應(yīng)用開展了全天時星敏感器技術(shù)的相關(guān)研究工作。

北京航空航天大學(xué)(北航)的樊巧云和李小娟對全天時星敏感器的可探測極限星等、探測概率以及探測精度與各影響因素的關(guān)系進(jìn)行了理論分析，并針對基于CCD的視場為3°×3°的光學(xué)系統(tǒng)在不同海拔高度條件下的3顆星探測概率等進(jìn)行了仿真分析[23]。王文杰等提出了一種短波紅外(Short-Wave Infrared, SWIR)的全天時星敏感器導(dǎo)航星表的建立方法，該方法能在星表容量較小時保證星表完整性及恒星分布均勻性[24]；還針對短波紅外星圖中條紋非均勻性噪聲和缺陷像素特征，提出了一種基于相鄰像素信息的一維特征點描述符的噪聲抑制方法[25]。此外，針對20 km臨近空間應(yīng)用，北航開展了短波紅外星敏感器技術(shù)的建模、仿真和試驗研究工作，研制了短波紅外白天星敏感器原理樣機(jī)(如圖15所示)，主要參數(shù)為：口徑70 mm，焦距92 mm，視場8°×8°，重量1.8 kg；外場觀星試驗驗證了探測模型的正確性[26]。

圖15 北航白天星敏感器[26]

華中光電技術(shù)研究所(717所)梁娟設(shè)計了一款適用于白天星敏感器的短波紅外晝光恒星成像光學(xué)系統(tǒng)，其工作波段為2.0～2.5 μm、相對孔徑為1.4、焦距為140 mm，指出該鏡頭能實現(xiàn)全天候測星[27]。此外，717所采用光軸過天頂跟蹤技術(shù)、多重消雜光等技術(shù)途徑，實現(xiàn)跟蹤器小型化，并實現(xiàn)晝夜跟蹤星體；采用多孔徑技術(shù)、近紅外傳感器、大視場星圖匹配等技術(shù)實現(xiàn)跟蹤器小型化，來滿足白天測星能力和導(dǎo)航精度需求[28]。

北京控制工程研究所(502所)徐卿等提出了機(jī)載白天星敏感器的星像模擬方法，建立了天空背景輻射和恒星輻射的計算模型[29]。孫大開等對基于短波紅外波段(900～1 700 nm)的白天恒星探測的技術(shù)方案及影響因素進(jìn)行了理論分析，并開展了驗證試驗[30]。502所針對多種平臺應(yīng)用研發(fā)了全天時星敏感器原理樣機(jī)(如圖16所示)，并成功進(jìn)行了地面試驗驗證。其中適用于飛機(jī)平臺的全天時星敏感器，單星測角精度優(yōu)于5″，正午時分天空有薄云仍可以提取星點[31]。

圖16 502所機(jī)載全天時星敏感器[31]

中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所(成光所)在已有成熟的星載星敏感器技術(shù)基礎(chǔ)上，針對機(jī)載、彈載、臨近空間飛行器等大氣層內(nèi)的多任務(wù)平臺的應(yīng)用，研發(fā)了多種型號的全天時星敏感器[32-35]。針對飛機(jī)平臺應(yīng)用需求，成光所突破了小視場、長焦距無熱化光學(xué)設(shè)計、光譜濾波優(yōu)化技術(shù)、自適應(yīng)星點提取及識別技術(shù)、大動態(tài)恒星捕獲及穩(wěn)定跟蹤技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了系列機(jī)載全天時星跟蹤器。從2013年研發(fā)成功第1臺XG-01型星跟蹤器(600～1 000 nm)以來(如圖17所示)，至今已有4種 型號產(chǎn)品問世。2018年，成光所的XG-03型短波紅外星跟蹤器配合總體單位，開展了全天時天文/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)的試飛和地面跑車試驗。試驗結(jié)果表明：XG-03型短波紅外星跟蹤器在地面天氣晴好條件下實現(xiàn)了全天時恒星探測，單星測角精度優(yōu)于3″(1σ)；組合導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度為450 m/10h(CEP)。此外，成光所還研發(fā)了用于臨近空間飛行器的輕小型全天時匹配式星敏感器，已成功完成飛行任務(wù)。

圖17 成光所XG-01型全天時星跟蹤器

中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所(安光所)魏合理等對白天條件下的CCD星敏感器的可探測極限星等值以及白天觀星對比度等進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：對于全波段,在25 km高度、3°×3° 視場、太陽視線20°以外,可探測極限星等為6.3等[36-37]。孫曉兵等為了解決白天天體觀測能力受限問題,提出采用光譜偏振成像技術(shù)提高白天強(qiáng)背景下天體探測信噪比和對比度，并利用100 cm天文望遠(yuǎn)鏡開展光譜偏振成像實驗[38-39]。實驗結(jié)果表明：對于一顆6.33等的恒星，使用光譜偏振成像能夠明顯改善目標(biāo)背景對比度(從0.001 9提高到0.01)；光譜偏振成像技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于白天天體天文觀測研究，為白天天文觀測數(shù)據(jù)獲取提供了一條有效的技術(shù)途徑。

此外，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所(長光所)[40-46]、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所(西光所)[47]、上海航天控制工程研究所(航天803所)[48]等機(jī)構(gòu)[49-54]也都對近地空間全天時星敏感器技術(shù)開展了理論和試驗研究。

總之，國內(nèi)全天時星敏感器技術(shù)研究起步較晚，與國外研究水平存在較大差距，主要表現(xiàn)在兩個方面：① 國內(nèi)研究大多數(shù)針對機(jī)載平臺應(yīng)用需求、采用傳統(tǒng)星跟蹤器方式實現(xiàn)對恒星的探測，技術(shù)手段相對單一；② 國內(nèi)開展的空間飛行試驗很少，缺少天光背景輻射、大氣湍流等空間環(huán)境實測數(shù)據(jù)，產(chǎn)品可靠性、空間環(huán)境適應(yīng)性等能力不足。

4 全天時星敏感器主要技術(shù)途徑

近地空間全天時星敏感器面臨的最大難點在于：如何在平臺資源受限條件下，實現(xiàn)對天光背景及噪聲的抑制，從而實現(xiàn)對暗弱恒星目標(biāo)的探測。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，全天時星敏感器多采用如下技術(shù)手段：

1) 光譜濾波技術(shù)

根據(jù)瑞利散射理論,空氣分子散射強(qiáng)度與波長的四次方成反比關(guān)系。因而可以利用大氣散射、太陽輻射以及恒星目標(biāo)輻射的光譜譜特性差異，對光譜進(jìn)行濾波，選擇最佳工作波段，抑制大氣散射背景光而保留星光，從而提高恒星背景對比度及恒星探測信噪比。目前全天時星敏感器使用的工作波長主要集中在兩個波段。一是600～1 000 nm波段，同時選取G型、K型、M型等峰值波長在800 nm附近的恒星作為導(dǎo)航星；相應(yīng)地探測器選取在近紅外波段仍有較強(qiáng)光譜響應(yīng)的CCD或CMOS敏感器。二是900～1 700 nm SWIR波段，實現(xiàn)對背景的進(jìn)一步抑制；選取2MASS(The Two Micron All Sky Survey)星表的J波段(1.24 μm)或H波段(1.65 μm)的亮星；相應(yīng)地選擇InGaAs探測器作為敏感器。實際使用過程中，結(jié)合天空背景輻射亮度分布規(guī)律、大氣透過率曲線、探測器光譜響應(yīng)曲線以及導(dǎo)航恒星光譜分布曲線等，可以對上述工作波段進(jìn)一步優(yōu)化。國外地基、海基、機(jī)載以及高空氣球平臺等實用的型號星敏感器產(chǎn)品絕大多數(shù)都選用600～1 000 nm波段，在實際應(yīng)用中取得了很好的效果；國內(nèi)全天時星敏感器在兩種工作波段均有相應(yīng)的產(chǎn)品問世。此外，國內(nèi)對基于2.0～2.5 μm波段的白天星敏感器的光學(xué)鏡頭設(shè)計等方面也開展了部分研究工作。

2) 減小像元立體角方法

恒星輻射張角一般小于0.01″，恒星可視為點光源，星光可近似為平行光；而天空背景則向各個方向均有輻射，可視為有限遠(yuǎn)面光源。因此可利用恒星和天空背景的輻射張角差異，通過光學(xué)手段減小成像像元立體角，實現(xiàn)在像面上對天空背景的進(jìn)一步抑制。受探測器像素規(guī)模和像元數(shù)目的約束，可以通過小視場、長焦距的光學(xué)鏡頭來減小像元所張立體角。

國外成功應(yīng)用的高空氣球平臺星敏感器以及機(jī)載平臺天文導(dǎo)航系統(tǒng)等大多采用該方法實現(xiàn)對天光背景的進(jìn)一步抑制。當(dāng)天光背景足夠亮?xí)r，單個小視場內(nèi)無法探測到足夠數(shù)量的恒星進(jìn)行星圖識別，可以采用“小視場+機(jī)械掃描”的方式實現(xiàn)大空域范圍內(nèi)對恒星的掃描、捕獲和跟蹤，此即為星跟蹤器,例如NAS-26、LN-120G天文導(dǎo)航系統(tǒng)?！靶∫晥?機(jī)械掃描”方式的星跟蹤器固然能較容易實現(xiàn)對導(dǎo)航恒星的探測，但由于瞬時視場內(nèi)只有一顆恒星，因此需要慣導(dǎo)系統(tǒng)對其進(jìn)行指向引導(dǎo),其自主性差、可靠性相對較低。

3) 多視場探測技術(shù)

為擺脫星跟蹤器對慣導(dǎo)系統(tǒng)的依賴，可采用多視場探測方案：在保證單個小視場探測能力的同時，采用多個視場來提高對多顆恒星同時探測的概率，以得到滿足匹配需求的導(dǎo)航星數(shù)，實現(xiàn)全自主姿態(tài)測量，如美國DayStar星敏感器的三視場探測方案。然而，多視場探測方案需要每個視場都有一定的大小，否則無法保證恒星探測概率，因此體積重量相對較大?？梢圆捎霉灿每讖降墓鈱W(xué)及結(jié)構(gòu)設(shè)計方案達(dá)到減小體積和減輕重量的目的，例如MicroMak、OWLS和Mini-OWLS的光學(xué)設(shè)計思路。

4) 光譜偏振成像技術(shù)

大氣散射光主要來源于太陽光穿過大氣層時受到的大氣氣溶膠粒子的散射。根據(jù)瑞利分子散射理論，入射光為自然光的條件下，散射光有很高的偏振度，尤其是在散射角為90°附近，天光偏振度為100%；而在其他散射角位置,天光偏振度在0～100%之間變化；散射角大于40°區(qū)域的大氣偏振度都較大。而恒星星光偏振相對較弱，一般都遠(yuǎn)小于大氣散射光偏振度。因此，白天恒星偏振圖像信息中包括恒星目標(biāo)直射分量信息和大氣散射分量信息，利用恒星與大氣散射光偏振特性的差異，可以提高恒星背景對比度，從而提高恒星探測概率。該方法的局限性在于當(dāng)太陽與恒星夾角很小時，大氣散射偏振度較小，不利于目標(biāo)信號的提取。在實際應(yīng)用中，導(dǎo)航恒星一般會選取太陽角大于某個角度(比如30°)的恒星。

5) 圖像噪聲抑制算法

采用光譜濾波技術(shù)以及減小像元立體角等方法雖然濾除了大部分背景光，但由于全天時星敏感器工作環(huán)境的光照條件復(fù)雜，因此拍攝的星圖仍存在背景灰度分布不均勻、背景變化復(fù)雜、出現(xiàn)干擾星等現(xiàn)象。短波紅外圖像還含有較嚴(yán)重的條紋非均勻性噪聲和缺陷像素等，都不利于星點提取和質(zhì)心計算精度。對于星跟蹤器，常采用背景相減法抑制噪聲。通常先控制光學(xué)系統(tǒng)指向目標(biāo)恒星附近方向(比如偏離1°)，獲取平均背景圖像；之后短時間內(nèi)指向目標(biāo)恒星，拍圖并獲取減去平均背景的星點圖像；再減去分布在視場周邊(比如圖像4個角)的多個像素的平均值，對殘余背景進(jìn)一步抑制；最后可按照常規(guī)方法對視場內(nèi)星點進(jìn)行提取及質(zhì)心計算。對于固定探頭星敏感器，不同探測敏感單元會帶來不同特征的噪聲。常采用多幀疊加方法[29]，對非相關(guān)的隨機(jī)噪聲進(jìn)行抑制。采用基于相鄰像素信息的一維特征點描述符的噪聲抑制算法[25]能夠自適應(yīng)、有效地抑制短波紅外星圖像中條紋不均勻性和缺陷像素的影響，有利于獲得更高的星點質(zhì)心定位精度。

5 全天時星敏感器技術(shù)發(fā)展趨勢

根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及差距分析，梳理近地空間全天時星敏感器技術(shù)發(fā)展方向：

1) 天文/慣性深組合導(dǎo)航技術(shù)。星敏感器與慣導(dǎo)的傳統(tǒng)組合方式屬于一種簡單組合方式，慣導(dǎo)獨立工作，星敏感器輸出信息用來修正慣導(dǎo)誤差。而近地空間全天時星敏感器可以考慮與慣導(dǎo)信息進(jìn)行深組合導(dǎo)航方式：慣導(dǎo)提供初始指向和高精度增量輸出信息，輔助星敏感器進(jìn)行星點提取和識別等處理；同時，星敏感器前后時刻的原始星圖信息及匹配的星像點坐標(biāo)可用于實現(xiàn)對慣導(dǎo)常值漂移等誤差的標(biāo)定；最后對兩類輸出信息進(jìn)行融合處理，高頻次輸出高精度姿態(tài)角及角速度信息等，從而實現(xiàn)傳感器級的組合導(dǎo)航。

2) 全天時全自主匹配式星敏感器技術(shù)。與帶轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的星跟蹤器相比，匹配式星敏感器在自主性、可靠性、測量精度等方面更有優(yōu)勢。適用于近地空間，尤其是機(jī)載平臺的輕小型全自主星敏感技術(shù)是當(dāng)前一大難題和重要研究方向。將微納光學(xué)設(shè)計與加工技術(shù)引入星敏感器技術(shù)領(lǐng)域，克服傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計手段不足，是一種可能的輕小型全天時匹配星敏感器的實現(xiàn)方式。

3) 近地空間全天時星敏感器環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)。全天時星敏感器是近地空間應(yīng)用平臺不可或缺的導(dǎo)航方式之一。然而不同應(yīng)用平臺面臨不同的環(huán)境特性和不同平臺運動特性等，因此開展星敏感器的氣動光學(xué)效應(yīng)抑制技術(shù)、大動態(tài)及高低溫環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)等相關(guān)研究工作；擇機(jī)開展空間飛行驗證試驗，采集實測試驗數(shù)據(jù)、完善理論模型等，是全天時星敏感器走向工程應(yīng)用的基本前提。

6 結(jié) 論

以美國為代表的近地空間全天時星敏感器已經(jīng)在多類平臺得到很好應(yīng)用。這些星敏感器除采用光譜濾波技術(shù)之外，不同平臺的產(chǎn)品還有不同的特點：

1) 海基、地基等平臺白天處在最強(qiáng)烈的天空背景中，星敏感器系統(tǒng)受體積、重量約束較小，可以通過大口徑、長焦距、小視場的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行背景抑制。

2) 30～40 km高度的飛行器所處的天空背景相對較暗，可以采用中等視場(3°×3°左右)光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合高性能探測器實現(xiàn)對瞬時視場內(nèi)多顆恒星的探測。

3) 處于8～10 km高度的機(jī)載平臺，受到明亮天空背景以及平臺資源受限的雙重約束，多采用帶掃描機(jī)構(gòu)的小視場星跟蹤器方式實現(xiàn)對恒星的全天時探測。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，目前仍處在試驗驗證階段，部分機(jī)載產(chǎn)品已完成試飛試驗。