空間碎片激光測距與光學(xué)測角一體化觀測試驗*

于 涌，李 巖，毛銀盾，曹建軍，唐正宏，張忠萍

(中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030)

空間碎片激光測距與光學(xué)測角一體化觀測試驗*

于 涌，李 巖，毛銀盾，曹建軍，唐正宏，張忠萍

(中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030)

在空間碎片監(jiān)測領(lǐng)域，漫反射激光測距技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用前景。目前，漫反射激光測距處于試驗階段，僅靠單臺設(shè)備獲得的短弧測距數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)目標(biāo)定軌，這制約了漫反射激光測距技術(shù)的應(yīng)用。根據(jù)軌道理論，如果在測距的同時，能夠提供目標(biāo)的切向約束，可顯著提高目標(biāo)定軌的成功率和可靠性。提出激光測距和光學(xué)測角一體化技術(shù)的方案，以上海天文臺60 cm激光測距望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過增加短焦距、大視場的光學(xué)照相設(shè)備，建立一套激光測距與光學(xué)測角一體化的試驗平臺，并以Ajisai衛(wèi)星為目標(biāo)開展了觀測?，F(xiàn)階段試驗?zāi)康臑椋疾煲惑w化觀測的可行性，評估測角精度。結(jié)果表明，激光測距與光學(xué)測角一體化技術(shù)方案可行，Ajisai衛(wèi)星的測角精度達(dá)到5″。

激光測距；照相天體測量；精度分析

空間碎片是人類航天活動遺留在空間的廢棄物，它的存在嚴(yán)重威脅著在軌運行航天器的安全。為了保障航天活動的安全和航天事業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，必須不斷發(fā)展空間目標(biāo)跟蹤監(jiān)測的新技術(shù)，增強(qiáng)對空間碎片環(huán)境的分析和預(yù)警能力。

作為地基雷達(dá)觀測手段的輔助和補(bǔ)充，地基光學(xué)觀測在空間目標(biāo)監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。地基光學(xué)觀測主要采用激光測距或光學(xué)測角方式。經(jīng)過40多年的發(fā)展，衛(wèi)星激光測距技術(shù)在各方面都得到很大的提高，是空間大地測量中精度最高的技術(shù)之一。但常規(guī)激光測距是指對裝有角反射器的合作目標(biāo)進(jìn)行測距，而絕大部分的空間目標(biāo)，如空間碎片、火箭殘骸等，不攜帶角反射器，高精度的測距只能依靠漫反射激光測距技術(shù)。因此，在空間目標(biāo)監(jiān)測領(lǐng)域，漫反射激光測距技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用前景。近年來，多家研究機(jī)構(gòu)開展了漫反射激光測距試驗和研究。例如，2002年10月，澳大利亞EOS公司公布利用漫反射激光測距測到了空間碎片的回波[1]，中國科學(xué)院上海天文臺于2008年7月獲得了火箭殘骸的漫反射激光測距數(shù)據(jù)[2]，中國科學(xué)院云南天文臺也從2008年起開展漫反射激光測距研究，并于2010年6月收到火箭殘骸的回波[3]。試驗表明，盡管現(xiàn)階段漫反射激光測距的成功率還有待提高，但只要測距成功，就可獲得優(yōu)于米級的測量精度，非常有利于空間目標(biāo)的監(jiān)測。

目前，漫反射激光測距尚處于試驗階段，而且僅靠單臺設(shè)備獲得的短弧測距數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)目標(biāo)定軌，這在一定程度上制約了漫反射激光測距技術(shù)的應(yīng)用。根據(jù)衛(wèi)星軌道理論，如果在測距的同時，能夠提供目標(biāo)的高精度切向約束，即高精度測角信息，則可以顯著提高目標(biāo)定軌的成功率和可靠性。經(jīng)過分析研究，提出激光測距和光學(xué)測角一體化的技術(shù)方案，即在現(xiàn)有激光測距系統(tǒng)上增加光學(xué)照相設(shè)備，在測距時進(jìn)行照相，利用照相視場內(nèi)的恒星實施目標(biāo)的測角，以達(dá)到空間目標(biāo)精密監(jiān)測的目的。為了檢驗上述方案的可行性和實際效果，借助上海天文臺60 cm口徑激光測距望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，建立了一套一體化技術(shù)的試驗平臺，并開展觀測試驗。本文第1節(jié)介紹試驗平臺的建立，第2節(jié)說明測角觀測資料的處理方法，第3節(jié)給出試驗觀測結(jié)果，最后為結(jié)束語。

1 觀測試驗平臺的建立

一體化技術(shù)觀測試驗平臺是以上海天文臺60 cm口徑激光測距望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立起來的。2008年7月，上海天文臺利用該望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，通過關(guān)鍵技術(shù)研究，采用40 W功率激光器(2J@20 Hz, 532 nm)在國內(nèi)首次成功實現(xiàn)了空間碎片的激光測距，測距精度達(dá)到60～80 cm，目標(biāo)距離遠(yuǎn)至900 km。2010年，上海天文臺對原有目標(biāo)預(yù)報程序和望遠(yuǎn)鏡伺服跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造。改造后的目標(biāo)軌道預(yù)報精度小于1 km，望遠(yuǎn)鏡伺服跟蹤精度優(yōu)于1″，并配備了更加穩(wěn)定的10 W激光器(1J@10 Hz, 532 nm)，這使得空間碎片激光測距試驗系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提升，為開展更小尺寸、更遠(yuǎn)距離的空間碎片觀測建立了良好的條件[2]。

為了試驗一體化觀測技術(shù)，在60 cm口徑激光測距望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)上加裝一臺口徑10 cm、焦距30 cm的光學(xué)鏡頭，配備Apogee U9000 CCD相機(jī)。CCD陣列大小為1 528 pixel×1 528 pixel，像素尺寸為0.024 mm，有效視場約為7.1°。圖1為試驗平臺的實物照片。利用同一個望遠(yuǎn)鏡伺服跟蹤系統(tǒng)，在對目標(biāo)作激光測距時實現(xiàn)目標(biāo)的測角觀測。為了減小測距時激光后向散射光對測角中目標(biāo)星像的影響，在測角相機(jī)靶面之前安裝一塊532 nm帶阻濾光片。圖2為跟蹤AJISAI衛(wèi)星情況下，測角設(shè)備的觀測圖像示例?？梢?，在望遠(yuǎn)鏡跟蹤目標(biāo)測距的情況下，目標(biāo)星像呈圓點形，恒星星像拖長，利用視場內(nèi)的拖長恒星星像，可以對目標(biāo)實施天文定位。

圖1 激光測距和光學(xué)測角一體化技術(shù)試驗平臺

Fig.1 Test platform of the integration technology of laser ranging and direction measurement

圖2 跟蹤Ajisai衛(wèi)星時的測角圖像示例，其中靠近視場中央的圓形星像為衛(wèi)星Ajisai星像，其它拖長星像為恒星星像

Fig.2 An example of direction measurement: tracking of the satellite Ajisai. The round profile near the image center is of the satellite Ajisai and the prolonged profiles are of stars

2 測角資料的處理

測角資料處理過程主要包括圖像預(yù)處理、星像提取和參考星匹配、目標(biāo)天文定位等步驟。其中，星像提取采用“連通域法”[4]，參考星匹配采用“弧長匹配方法”[5]。參考星表為Hipparcos星表[6]，每幅圖像上的參考星數(shù)量平均約為80顆。針對測角設(shè)備觀測圖像的特殊性，本節(jié)主要介紹圖像預(yù)處理和目標(biāo)天文定位過程。

2.1 圖像預(yù)處理

為了降低恒星星像的拖長影響，測角設(shè)備選用了短焦距、大視場望遠(yuǎn)鏡。在月光、薄云和天空背景光等不良條件影響下，CCD觀測圖像的背景灰度分布具有較大起伏，特別是對于低仰角目標(biāo)的觀測，這種情況更加嚴(yán)重，而且，傳統(tǒng)的平場改正做法并不能完全消除觀測圖像的背景不均勻性。這非常不利于后續(xù)的星像提取和星像中心計算，有必要對觀測圖像作預(yù)處理。

圖像背景的不均勻主要占據(jù)了整個場景圖像的低頻空間，根據(jù)這一特點，采用對CCD圖像逐行、逐列多項式擬合的方法，該方法可描述為：對CCD圖像每行像素，采用多項式擬合像素強(qiáng)度值與像素序號的關(guān)系，多項式的階數(shù)視情況而定。將每行像素強(qiáng)度值除以多項式擬合值，達(dá)到消除背景不均

勻的目的，之后，對每列像素作相同處理。

對于試驗觀測圖像，預(yù)處理時多項式取到3階。表1列出一批觀測圖像(共100幅)的預(yù)處理結(jié)果統(tǒng)計，包括這批圖像預(yù)處理前后背景均方差的平均值?？梢?，經(jīng)過預(yù)處理，圖像的背景起伏可降低至原來的約1/3。仍以圖2示出的圖像為例，圖3為相應(yīng)的預(yù)處理后圖像。不難看到，圖像背景的不均勻起伏得到有效消除，星像的信噪比明顯增強(qiáng)。

表1觀測圖像的預(yù)處理結(jié)果統(tǒng)計

Table1Statisticsoftheimagesbeforeandafterthepreprocessing

圖像數(shù)目背景均方差的均值預(yù)處理前預(yù)處理后100幅7.5ADU2.7ADU

2.2 目標(biāo)天文定位

目標(biāo)天文定位的過程是將參考星由星表位置轉(zhuǎn)換至地平坐標(biāo)系中的觀測方向，計算參考星的地平理想坐標(biāo)；選定合適的底片參數(shù)模型，聯(lián)合參考星的量度坐標(biāo)和地平理想坐標(biāo)確定底片模型參數(shù)；將模型作用于目標(biāo)的量度坐標(biāo)，并經(jīng)過大氣折射改正和光行時改正，得到目標(biāo)的天文定位結(jié)果。

對于試驗所用的大視場測角設(shè)備，視場畸變嚴(yán)重，按照通常做法，歸算時需要用到高階底片參數(shù)模型。但是，對于一體化觀測，恒星星像拖長，星像中心的定位精度差；并且恒星的有效露光時間短(恒星在一個像素上停留的時間，通常短于0.1 s)，視場內(nèi)的恒星數(shù)目有限，容易造成定標(biāo)星在目標(biāo)周圍的分布不均勻，這都不利于高階底片模型參數(shù)的解算。在試驗期間，考慮到CCD相機(jī)和光學(xué)鏡頭通過卡口固定連接，CCD圖像上的畸變模式保持穩(wěn)定，因此事先通過對恒星的跟蹤觀測，利用恒星星像在線性模型下的歸算殘差統(tǒng)計，得到視場畸變模式(圖4)。利用該模式校正所有觀測圖像，消除視場畸變的主要部分。最后再用低階模型進(jìn)行歸算，得到目標(biāo)的觀測方向。

圖3 預(yù)處理后的圖像示例(圖2為原始圖像)

Fig.3 An example image after the preprocessing.(The original image is shown in Fig.2)

圖4 測角視場的畸變形式，其中“×”表示無效區(qū)域

Fig.4 Geometric distortions of the observed images for direction measurement. The crosses near the corners mark the invalid regions

得到目標(biāo)的觀測方向后，還需要扣除大氣折射的影響。與遙遠(yuǎn)天體不同，對近地空間目標(biāo)作大氣折射改正時，折射視差角的影響為數(shù)角秒，不可忽略。標(biāo)準(zhǔn)狀況下(氣溫0 ℃，氣壓1 013.25 mb)的折射視差角p計算公式為：

p=510″.2tg(90°-H)sec(90°-H)/d

(1)

式中，H為目標(biāo)的觀測俯仰(°)；d為目標(biāo)至觀測臺站的距離(km)。

3 試驗觀測結(jié)果

2012年7月至9月，利用以上海天文臺激光測距系統(tǒng)為基礎(chǔ)的試驗平臺開展了激光測距和光學(xué)測角一體化觀測試驗。試驗?zāi)康臑榭疾旒す鉁y距與測角一體化觀測的可行性，重點評估空間目標(biāo)的測角精度。為此，選擇裝有角反射器的合作目標(biāo)Ajisai衛(wèi)星作為觀測對象，其軌道高度為1 485 km，運行周期為116 min。532 nm帶阻濾光片的安裝可消除大部分激光后向散射光對測角星像的影響，因此測距和測角可同時進(jìn)行。

測角精度評估通過與Ajisai衛(wèi)星已知標(biāo)準(zhǔn)星歷的比對獲得。已知標(biāo)準(zhǔn)星歷取自觀測當(dāng)日國際激光測距服務(wù)發(fā)布的CPF預(yù)報星歷，相關(guān)文獻(xiàn)研究表明[7]， Ajisai衛(wèi)星的CPF星歷精度優(yōu)于米級，對于斜距2 000 km以上的目標(biāo)來說，在方向上的影響小于0.5″，這比一體化試驗中測角的預(yù)估精度小一個量級，因此，CPF星歷可以作為測角精度外符合的評定標(biāo)準(zhǔn)。表2列出觀測試驗期間，Ajisai衛(wèi)星測角精度的統(tǒng)計結(jié)果，共計20圈次，其中σΔA*和σΔH分別表示方位和俯仰方向上，觀測值與星歷理論值之差(ΔAcosH和ΔH)的均方差?？梢?，對于Ajisai衛(wèi)星，方位方向上測角精度約為5.4″，俯仰方向上約為4.3″。

表2 Ajisai衛(wèi)星的測角精度Table 2 Precisions of the direction measurements of the satellite Ajisai

4 結(jié)束語

以中國科學(xué)院上海天文臺60 cm口徑激光測距望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過增加短焦距、大視場的光學(xué)照相設(shè)備，建立一套激光測距與光學(xué)測角一體化的觀測試驗平臺，并以Ajisai衛(wèi)星為目標(biāo)開展了觀測試驗。結(jié)果表明，激光測距與光學(xué)測角一體化方案可行，在現(xiàn)有試驗條件下，Ajisai衛(wèi)星的測角精度達(dá)到5″。在后續(xù)工作中，將在如何提高目標(biāo)測角精度上作進(jìn)一步的探討和試驗，主要包括：

(1)提高參考星構(gòu)成的測角坐標(biāo)框架精度：激光測距時望遠(yuǎn)鏡保持跟蹤目標(biāo)，測角圖像中恒星星像拖長，而恒星星像的測量誤差是決定測角坐標(biāo)框架精度的主要因素。因此，需要改進(jìn)拖長恒星星像的定心算法，提高參考星星像的測量精度。

(2)提高目標(biāo)星像的測量精度：理想情況下，圓形目標(biāo)星像的測量精度優(yōu)于0.1 pixel(～1.7″)，但是由圖3可見，目標(biāo)星像附近仍有殘余激光束的成像，表明目前采用的帶阻濾光片不能阻擋全部激光后向散射光的入射。激光束的存在會降低目標(biāo)星像的測量精度，特別是采用大能量激光器觀測空間碎片時，激光后向散射光對星像定位的影響將更加嚴(yán)重。一方面，需要采用優(yōu)化的背景去除算法，削弱激光束的影響；另一方面，選用更合適的濾光設(shè)備，進(jìn)一步削弱激光后向散射光的入射。

(3)消除觀測時刻的授時誤差：與常規(guī)恒星照相觀測不同，空間目標(biāo)的測角精度敏感于觀測時刻的授時精度，特別是對于運動速度快的低軌目標(biāo)(500 ″/s～1 000 ″/s)，其影響更加明顯。Apogee U9000相機(jī)采用機(jī)械快門，受到機(jī)械運動的限制，快門打開和關(guān)閉時刻不可避免存在誤差，這也是影響目標(biāo)測角精度的原因。在后續(xù)工作中，擬修改CCD相機(jī)控制程序，在保持快門常開狀態(tài)下，利用電子快門實現(xiàn)照相觀測。

致謝：感謝上海天文臺“衛(wèi)星激光測距技術(shù)和應(yīng)用”研究團(tuán)組和佘山站觀測助手邢雷在觀測期間的協(xié)助。

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ExpermentalObservationsofSpaceDebrisIntegratingLaserRangingandOpticalDirectionMeasurement

Yu Yong, Li Yan, Mao Yindun, Cao Jianjun, Tang Zhenghong, Zhang Zhongping

(Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China, Email: yuy@shao.ac.cn)

In monitoring space debris the technology of diffuse reflection laser ranging has more potential applications than traditional laser ranging technologies. At present, this technology is still in an experimental stage so that the orbits of objects can hardly be determined only using ranging data from a single station. This restricts its applications. According to the theory of orbit determination the success rate and reliability of orbit determination can be improved substantially if constraints on the tangential motion of an object are available during its laser ranging measurement. We hereby present a scheme of observation integrating diffuse reflection laser ranging and object direction measurement. We have made a test system of the scheme by installing a photographic equipment with a short focal length and a large field of view to the 60cm satellite laser ranging telescope system of the Shanghai Astronomical Observatory. We carried out experimental observations with the system by choosing the satellite Ajisai as the object. The purpose of the experimental observations is to examine the feasibility of the scheme and assess the accuracy of direction measurement. The results show that the scheme is feasible and the accuracy of direction measurement for the satellite Ajisai reaches 5 arcseconds.

Laser ranging; Photographic astrometry; Precision analysis

CN53-1189/PISSN1672-7673

P123.4

A

1672-7673(2013)04-0359-06

國家自然科學(xué)基金 (11003038)；上海市空間導(dǎo)航與定位技術(shù)重點實驗室 (06DZ22101) 資助.

2012-11-02；修定日期：2012-12-24

于 涌，男，博士. 研究方向：天體測量. Email: yuy@shao.ac.cn