小視場輕型星敏感器在白天測星中的應(yīng)用

賀 磊，張 平，劉效東，張補(bǔ)生，陳 巍

(國營第五五九廠，江蘇 無錫 214035)

引言

星敏感器是精度最高的姿態(tài)敏感器之一[1]，它通過探測天球上不同位置的恒星來確定飛行器在慣性坐標(biāo)系的三軸姿態(tài)。在航天領(lǐng)域，大口徑寬視場星敏感器的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，其通過運(yùn)用“多星矢量定位技術(shù)”可實(shí)現(xiàn)精確定位。而機(jī)載天文導(dǎo)航的應(yīng)用則受到了一定的限制，這主要是因?yàn)樵谝欢w行高度內(nèi)，受白天大氣散射和云層背景的影響，使白天觀測恒星十分困難，導(dǎo)致“多星矢量定位技術(shù)”在白天大氣層內(nèi)根本無法使用[2]。然而小視場輕型星敏感器通過系統(tǒng)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)、優(yōu)化，可在白天獲取恒星圖像。作者通過使用自主研發(fā)的小視場輕型星敏感器進(jìn)行了白天觀星實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性，為機(jī)載系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)。

1 星敏感器的白天觀星原理

為了使星敏感器在大氣層內(nèi)白天可以探測恒星，我們必須對星敏感器進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。根據(jù)星光與大氣層的物理特性以及星敏感器的構(gòu)造特點(diǎn)，可從如下兩方面考慮：

1) 利用恒星與天空背景的光譜特性差別，采用選擇探測器光譜特性和添加濾色鏡等方法，將星敏感器的工作波段限定在某個(gè)有利的區(qū)域，在保證星光能量損失不大的前提下盡量抑制背景，以便提高星光輻射的相對強(qiáng)度。圖1給出了晴天時(shí)天空背景光與G、K、M不同光譜類型恒星的光譜分布曲線，從圖中可以看出，晴天時(shí)天空背景光以短波為主，峰值大約在0.45 μm～0.55 μm波段，而G、K、M星雖然光譜分布曲線不盡一致，但其共同的特點(diǎn)是在短波段均較弱，而在長波段均較強(qiáng)，峰值在0.8 μm左右(有關(guān)天文資料表明，很多恒星具有與G、K、M星類似的光譜特性)[3]。因此，可以通過光譜濾波提高恒星的探測概率。

圖1 光譜型星有效光子及大氣光有效光子分布曲線Fig.1 Distribution curves of efficient photon for M,K,G stellars and atmosphere light

2) 利用恒星和天空兩者不同的光學(xué)特性，即恒星是理想的點(diǎn)光源，而天空可看作朗伯型面光源，通過合理選擇星敏感器的焦距、F#、工作波段、CCD量子效率、像素大小、井深等系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)法提高星光能量在一個(gè)像素中所占的比例，進(jìn)而提高恒星的探測概率，并建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，如圖2所示。

圖2 仿真界面Fig.2 Simulation interface

在仿真界面中可輸入物鏡焦距、口徑、信噪比、透過率、探測器參數(shù)、太陽高角、海拔高度、恒星光譜類型等相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)迭代計(jì)算可得出極限星等值。圖2中的曲線由左至右依次為恒星光譜曲線、大氣透過率曲線及探測器QE(量子效率)曲線、天空背景亮度曲線。

2 小視場輕型星敏感器

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論分析計(jì)算，我們自主研發(fā)了小視場輕型星敏感器，視場為2°×1.5°，具有像質(zhì)好、集光能力強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。其設(shè)計(jì)目標(biāo)為：白天、晴朗無云、大氣能見度10 km以上、在海拔3 km處可探測3等星。在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了光譜濾波技術(shù)[4]、消雜光技術(shù)、裝配定中心技術(shù)[5]、恒星圖像質(zhì)心提取技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)無熱化技術(shù)、系統(tǒng)小型化技術(shù)，通過圖像處理算法，提高了圖像的對比度，使恒星更容易被探測。

星敏感器主要由遮光罩、光學(xué)系統(tǒng)、CCD、數(shù)據(jù)處理軟件、伺服系統(tǒng)及綜合控制系統(tǒng)組成，如圖3所示。恒星經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD光敏面上，并由CCD實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，輸出電信號經(jīng)后續(xù)軟件、電路、伺服處理，完成星目標(biāo)提取、定位、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等一系列工作，從而確定星敏感器相對于慣性坐標(biāo)系的指向。

圖3 星敏感器組成Fig.3 Constitution of star sensor

3 實(shí)驗(yàn)

2013年1月上旬，在云南香格里拉高海拔地區(qū)進(jìn)行白天觀星實(shí)驗(yàn)，分別對環(huán)境數(shù)據(jù)、恒星光譜差異、觀測高度角和太陽規(guī)避角等因素對極限星等探測的影響做了大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2013年1月11日至17日，我們在香格里拉地區(qū)進(jìn)行了白天觀星實(shí)驗(yàn)，使用望遠(yuǎn)亮度計(jì)、能見度儀、溫度傳感器等設(shè)備對實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行了全程監(jiān)測，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線。圖4為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，時(shí)間8:00到17:00，海拔3.2 km。

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.4 Experiment on site

1月13日在晴朗無云、溫度-5 ℃～+3 ℃的天氣條件下使用望遠(yuǎn)亮度計(jì)所測量的天頂亮度曲線如圖5所示。由圖5可知，在11：00左右，天頂亮度達(dá)到最大值約為2 600 cd/m2，隨后逐漸下降至2 000 cd/m2保持穩(wěn)定。隨著季節(jié)、氣候、云、霧、雨雪等環(huán)境因素的變化，天頂亮度隨之改變，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)天空云層較多時(shí)，天頂亮度最高可達(dá)3 300 cd/m2。

圖5 天頂亮度曲線Fig.5 Zenith luminance curve

使用能見度儀所測量的大氣能見度曲線如圖6所示。由圖6可知，大氣能見度基本保持在10 km左右，符合實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求。圖6中出現(xiàn)的奇異點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場出現(xiàn)的煙、霧導(dǎo)致。

圖6 大氣能見度曲線Fig.6 Atmosphere visibility curve

3.2 恒星光譜差異

天文學(xué)按照恒星的溫度從高到低把星光的光譜分成O、B、A、F、G、K、M 7大類型，每個(gè)大類型中又用數(shù)字表示為10個(gè)次類型。每種類型的實(shí)際光譜的形狀(峰值輻射波長位置)取決于該種恒星的有效溫度。溫度越高，輻射峰值波長越短；溫度越低，輻射峰值波長越長[6]。隨著溫度的降低，大氣背景輻射則隨波長的增大而減小，可見溫度低的恒星有利于星敏感器的探測。為了驗(yàn)證恒星光譜差異對極限星等探測的影響，我們在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對不同光譜類型的恒星進(jìn)行了觀測，觀測記錄見表1。對不同光譜類型的恒星觀測，溫度低的恒星可觀測的極限星等高。由表1可知，星敏感器所能探測的極限星等為3.8等，光譜類型為M2II+_B6。圖7為星號為116727的恒星觀測圖像，從圖像中可以發(fā)現(xiàn)，恒星圖像的信噪比、對比度較高，符合目標(biāo)提取的需求。

表1恒星光譜差異

Table1Differencesamongspectraofstars

HP星號恒星名(中文)恒星光譜視星等觀測結(jié)果97649牛郎星A7IV?V0．765可觀測102098天津四A2Ia1．246可觀測100453天津一F8Ib2．2可觀測85670天棓三G2II2．79可觀測104732天津八G8II＿SB3．2可觀測116727少衛(wèi)增八K1IV3．21可觀測3092奎宿五K3III3．27可觀測98337左旗五K5III3．483可觀測97365左旗三M2II+＿B63．82可觀測

圖7 恒星圖像(116727)Fig.7 Star image(116727)

3.3 觀測高度角和太陽規(guī)避角

隨著所觀測恒星的觀測高度角或太陽規(guī)避角的增大，星敏感器可探測的極限星等也隨之提高。這主要是因?yàn)榇髿獗尘拜椛潆S觀測高度角或太陽規(guī)避角的增大而減小，大氣透過率隨觀測高度角的增大而增加，有利于增大恒星與背景的對比度，提高星敏感器探測能力。表2為不同觀測高度角和太陽規(guī)避角的觀測記錄。由表2可知，當(dāng)太陽規(guī)避角小于30°、觀測高度角小于32°時(shí)，星敏感器的探測能力明顯下降。

表2 觀測高度角和太陽規(guī)避角Table 2 Observed altitude angle and avoiding angle of sun solar around

4 結(jié)論

綜上所述，通過合理選擇光學(xué)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，小視場輕型星敏感器可實(shí)現(xiàn)白天對恒星的地面觀測，并進(jìn)行了觀星實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性。為星敏感器大氣層內(nèi)全天候使用提供了依據(jù)。該小視場輕型星敏感器可應(yīng)用于高海拔地區(qū)白天地面自主定位，機(jī)載天文導(dǎo)航等高精度系統(tǒng)。

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