空間星光測量技術(shù)研究發(fā)展綜述

袁利，王苗苗，武延鵬，王立，鄭然

1. 北京控制工程研究所，北京 100190

2. 空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

隨著航天技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，人類的活動(dòng)范圍已經(jīng)由地球表面延伸到外層空間，探索和開發(fā)太空資源的熱潮高漲。未來太空作戰(zhàn)的趨勢逐漸加劇，使得空間在政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等方面的戰(zhàn)略地位日益提高。以大比例尺測繪衛(wèi)星、自主導(dǎo)航衛(wèi)星、光學(xué)成像偵察衛(wèi)星、目標(biāo)監(jiān)視預(yù)警衛(wèi)星等為代表的高性能衛(wèi)星是未來空間優(yōu)勢的基礎(chǔ)，也是航天強(qiáng)國的重要標(biāo)志。如何獲取精確的姿態(tài)、指向等信息來保障高性能衛(wèi)星順利完成各項(xiàng)空間任務(wù)成為世界各國亟需解決的問題。

空間星光測量技術(shù)一般是指以已知準(zhǔn)確位置的恒星天體為基準(zhǔn)，通過光電探測方式對恒星成像并進(jìn)行圖像信息處理，最終解算空間飛行器的姿態(tài)、指向等關(guān)鍵信息的技術(shù)。包含星光測量理論方法及測量儀器，覆蓋光學(xué)、機(jī)械、電子學(xué)、熱學(xué)等多門學(xué)科，難度大且具有重要的戰(zhàn)略應(yīng)用價(jià)值。相比于其他測量手段，星光測量方式不受干擾、自主性好、可靠性高、精度高。目前測量精度已達(dá)到亞角秒級，如美國的AST-301星敏感器，測姿精度為0.54″(X/Y軸, 3σ)[1],國內(nèi)的超高精度星敏感器[2]，測姿精度為0.3″(X/Y軸, 3σ)。

新一代高性能衛(wèi)星所肩負(fù)的空間任務(wù)更加多樣化、復(fù)雜化，因此對空間星光測量技術(shù)提出了更高的要求。本文總結(jié)了典型空間星光測量敏感器及其應(yīng)用技術(shù)的研究進(jìn)展，分析了當(dāng)前存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，并展望了未來重點(diǎn)研究方向，旨在為業(yè)內(nèi)人員提供一些參考。

1 研究進(jìn)展及發(fā)展態(tài)勢

空間星光測量技術(shù)最初是基于恒星星光矢量確定航天器的慣性姿態(tài)。多年來，得益于核心技術(shù)的發(fā)展以及任務(wù)需求的牽引，典型的空間星光測量敏感器及其應(yīng)用技術(shù)均得到了迅猛發(fā)展。

1.1 星敏感器研究進(jìn)展

作為典型的空間星光測量敏感器，星敏感器的研究起步于20世紀(jì)50年代。早期的星敏感器受限于析像管探測器[3]的穩(wěn)定度、尺寸、重量、磁效應(yīng)和高壓擊穿等問題，難以進(jìn)一步發(fā)展和使用。20世紀(jì)70年代初期，電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)技術(shù)的出現(xiàn)以及集成電路的發(fā)展為星敏感器的換代提供了良好的契機(jī)，更大視場和像素陣列的CCD星敏感器研制成功[4]。此類星敏感器缺少自主星圖識別和姿態(tài)計(jì)算功能，屬于非自主式星敏感器。20世紀(jì)80年代中期，隨著高速微處理器以及大容量存儲器的出現(xiàn)，CCD星敏感器實(shí)現(xiàn)了全天區(qū)自主星圖識別和實(shí)時(shí)姿態(tài)角輸出[5-6]。20世紀(jì)90年代，有源像素傳感器 (Active Pixel Sensor, APS)技術(shù)開始應(yīng)用于星敏感器的研制[7-12]，且在重量功耗等方面更具有優(yōu)勢。自此之后，自主式CCD/APS星敏感器技術(shù)日趨成熟，成為真正意義上完全自主的姿態(tài)測量部件。2000年以后，得益于探測器技術(shù)、光學(xué)設(shè)計(jì)加工工藝以及信息處理技術(shù)的突飛猛進(jìn)，星敏感器綜合性能大幅提升，國內(nèi)外在精度、動(dòng)態(tài)性能、數(shù)據(jù)更新率、輕量化[8,13-14]等方面均取得了長足的進(jìn)展，形成了豐富的產(chǎn)品體系。

在精度提升方面，當(dāng)前主流產(chǎn)品為3″～15″(X/Y軸, 3σ)的高精度星敏感器；少數(shù)產(chǎn)品為優(yōu)于1″(X/Y軸, 3σ)的甚高精度星敏感器，即突破了亞角秒級測量精度水平。

高精度星敏感器的典型代表有：德國耶拿公司(Jena-Optronik)開發(fā)的ASTRO 15[15]、ASTRO APS星敏感器[16]，法國索登公司(SODERN)的SED16、SED26星敏感器[17]，意大利伽利略公司(Galileo)的A-STR、AA-STR星敏感器等[13]。國內(nèi)高精度星敏感器的研制和發(fā)展同樣非常活躍。北京控制工程研究所、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、上海航天控制技術(shù)研究所以及中國科學(xué)院下屬研究所等多家單位均有代表性的高精度產(chǎn)品[2]，此處不作詳述。綜合調(diào)研結(jié)果，此類產(chǎn)品一般采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，視場范圍10°～30°，重量為2～3 kg左右，壽命能夠達(dá)到10～18年， 多應(yīng)用于遙感衛(wèi)星及導(dǎo)航衛(wèi)星上，覆蓋高中低軌。選取國內(nèi)外目前在軌運(yùn)行較多的高精度CCD/APS星敏感器，其主要技術(shù)指標(biāo)對比如表1所示。

表1 國內(nèi)外典型高精度星敏感器技術(shù)指標(biāo)

通過表1中數(shù)據(jù)對比可知，APS高精度星敏感器比CCD高精度星敏感器的體積重量更小，功耗更低。國內(nèi)高精度星敏感器在精度、更新率、動(dòng)態(tài)性能、雜光抑制能力等方面與國外水平相當(dāng)，在初始捕獲時(shí)間方面優(yōu)于國際同類產(chǎn)品。

甚高精度星敏感器由于研制技術(shù)難度大、代價(jià)高，目前只有少數(shù)技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的機(jī)構(gòu)有個(gè)別產(chǎn)品具有飛行經(jīng)驗(yàn)，典型代表有：法國SODERN公司為英聯(lián)邦地球觀測SPOT系列之昴宿星(PLEIADES)研制的SED36星敏感器[18-19]；美國保爾公司(BALL Aerospace)研制的HAST星敏感器[20]成功應(yīng)用在對地觀測衛(wèi)星(Worldview)上；美國洛克西德·馬丁公司(Lockheed Martin)研發(fā)的AST-301自主星敏感器作為主要的姿態(tài)測量部件應(yīng)用在噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)的空間紅外望遠(yuǎn)鏡裝置(Space InfRared Telescope Facility, SIRTF)上[21]；中國在更高精度對地觀測等任務(wù)需求的牽引下，近年來開展了亞角秒星敏感器技術(shù)的攻關(guān)，目前已有產(chǎn)品進(jìn)行了飛行驗(yàn)證。國內(nèi)外典型甚高精度星敏感器的技術(shù)指標(biāo)對比如表2所示。

表2 國內(nèi)外甚高精度星敏感器技術(shù)指標(biāo)

這類產(chǎn)品一般選擇小視場加大面陣方案保證單星定位精度；采用分體式結(jié)構(gòu)優(yōu)化熱設(shè)計(jì)保證高穩(wěn)定性和低熱漂；采用高精度地面及在軌標(biāo)定方法提高測量精度。比較國內(nèi)外典型產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)可知，國內(nèi)甚高精度星敏感器在測量精度上已達(dá)到世界先進(jìn)水平，但動(dòng)態(tài)性能存在一定差距。

在動(dòng)態(tài)性能提升方面，法國SODERN公司研制的HYDRA星敏感器表現(xiàn)尤為突出。通過多探頭組合模式，配合高精度圖像與姿態(tài)融合處理方法，能夠?qū)崿F(xiàn)無陀螺衛(wèi)星姿態(tài)控制，可確定角速度最高達(dá)10 (°)/s，在姿態(tài)丟失的情況下，可在8 (°)/s的角速度下完成姿態(tài)捕獲，實(shí)際在軌(SPOT6衛(wèi)星)正常情況下的數(shù)據(jù)更新率為16 Hz[22]。國內(nèi)北京控制工程研究所、北京航空航天大學(xué)和清華大學(xué)在此領(lǐng)域也取得了突破性進(jìn)展[2]。

在輕量化方面，首先主流產(chǎn)品在同等精度的條件下重量功耗越來越小，其次國內(nèi)外在超高集成度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、快速星點(diǎn)提取定位算法和魯棒性更好的星圖識別算法方面取得了突破，納皮型星敏感器領(lǐng)域碩果累累[23-28]。重量低至100 g以下，精度在3″～10″(3σ)水平的超小型高精度星敏感器研制成功，典型代表包括加拿大瑞爾森大學(xué)(Ryerson University)與辛克萊星際公司(Sinclair Interplanetary)聯(lián)合開發(fā)的ST-16(也稱S3S)星敏感器[24]，國內(nèi)典型代表是清華大學(xué)研制的皮型星敏感器(PST系列)[29]，指標(biāo)先進(jìn)。

另外，國際上一些單位和機(jī)構(gòu)開展了新型星敏感器的探索開發(fā)工作，如美國恒星視覺技術(shù)公司(StarVision)開發(fā)的恒星陀螺星敏感器SG100[30]，以高達(dá)100 Hz的更新率輸出高精度姿態(tài)和衛(wèi)星角速率，可避免陀螺零漂的現(xiàn)象；美國OPC公司在美國海軍項(xiàng)目支持下研制出的基于干涉測量的新型星敏感器[31]，通過增加光學(xué)干涉前端，解耦了光學(xué)鏡頭、探測器分辨率與測量精度之間的關(guān)系；加拿大瑞爾森大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的彩色星敏感器[32]，將恒星顏色信息引入到傳統(tǒng)的幾何匹配模式中，但由此帶來的信噪比下降、星數(shù)不足等問題尚待解決。

1.2 應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展

目前國際上已將空間星光測量技術(shù)應(yīng)用于高精度空間目標(biāo)監(jiān)視與定向、載荷基準(zhǔn)監(jiān)測及標(biāo)校、激光慣性指向測量等任務(wù)中。

1.2.1 空間目標(biāo)監(jiān)視與定向應(yīng)用

基于星光測量技術(shù)進(jìn)行空間目標(biāo)監(jiān)視的原理如圖1所示：在某監(jiān)視任務(wù)時(shí)段內(nèi)，測量敏感器對指向天區(qū)恒星背景及空間目標(biāo)連續(xù)成像。通過恒星提取、識別及匹配獲得慣性姿態(tài)的同時(shí)，利用目標(biāo)與背景恒星所表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)特性差異，進(jìn)行目標(biāo)證認(rèn)。最終根據(jù)慣性姿態(tài)及目標(biāo)相對位置可確定其慣性空間指向。此處的空間目標(biāo)包括人造天體、X射線源等。

圖1 空間目標(biāo)監(jiān)視場景

國外在這方面開展過很多研究工作。如圖2所示：美國早在1996年發(fā)射的空間中段試驗(yàn)衛(wèi)星(Midcourse Space experiment, MSX)[33-34]，搭載天基可見光相機(jī)(Space-Based Visible, SBV)，進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。該相機(jī)的指向測量精度達(dá)到0.8 ″(1σ)，可對7～15等星亮度的衛(wèi)星進(jìn)行探測和定向。

圖2 美國中段試驗(yàn)衛(wèi)星上的天基可見光相機(jī)[34]

之后，美國發(fā)射了天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)(Space-Based Space Surveillance system, SBSS)的首顆衛(wèi)星，SBV正式轉(zhuǎn)為美國空間監(jiān)視網(wǎng)的一部分[35]。除此之外，NASA的自主交會(huì)技術(shù)演示衛(wèi)星(Double Asteroid Redirection Test, DART)[36]和美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)的“軌道快車”(Orbital Express, OE)任務(wù)[37]均采用空間星光測量技術(shù)進(jìn)行追蹤衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星之間距離、相對方向和姿態(tài)的測量。

美國NASA于1999年發(fā)射的Chandra X射線衛(wèi)星，如圖3所示，其上配置有保爾公司研制的方位測量相機(jī)(Aspect Camera)，能夠?yàn)樾l(wèi)星提供實(shí)時(shí)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并對X射線源定向觀測，測量精度達(dá)到0.2″(1σ)[38-39]。

圖3 Chandra X射線觀測衛(wèi)星上的方位測量相機(jī)[38]

美國海軍計(jì)劃部署天基聯(lián)合毫角秒探路者測量任務(wù)(Joint Milli-Arcsecond Pathfinder Survey mission, JMAPS)[40-41]，如圖4所示。該任務(wù)擬通過在衛(wèi)星平臺上安裝光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的方式，對14等星亮度的空間目標(biāo)進(jìn)行觀測，以期達(dá)到毫角秒級的指向確定精度，支持星間定向和衛(wèi)星定位。

圖4 美國JMAPS任務(wù)概念圖[40]

加拿大的藍(lán)寶石(SAPPHIRE)任務(wù)[42]中同樣采用了光學(xué)探測敏感器OIS來確定人造天體的慣性指向，如圖5所示。該敏感器指向測量精度優(yōu)于1 ″(1σ)。

圖5 加拿大藍(lán)寶石衛(wèi)星SAPPHIRE上的OIS相機(jī)[42]

國內(nèi)西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、北京空間機(jī)電研究所、北京控制工程研究所等多家單位均開展了目標(biāo)監(jiān)測及星間方向測量的應(yīng)用研究，一些星相機(jī)產(chǎn)品已進(jìn)行了在軌飛行驗(yàn)證。由調(diào)研情況可知，目前國內(nèi)可以對目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行捕獲識別，但在目標(biāo)定軌編目方面與國外還存在差距，尚未建立健全的空間目標(biāo)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 載荷基準(zhǔn)監(jiān)測及標(biāo)校應(yīng)用

載荷的基準(zhǔn)是否發(fā)生變化在一定程度上決定了其工作質(zhì)量。例如對地觀測相機(jī)的視軸指向與星敏感器所在姿態(tài)測量系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)基準(zhǔn)精度將直接影響衛(wèi)星的地面定位精度。一般情況下通過機(jī)械固聯(lián)方式能夠減小一部分基準(zhǔn)傳遞誤差，但無法避免軌道力、熱環(huán)境變化帶來的變形影響。目前國際上一些天文觀測衛(wèi)星已經(jīng)將空間星光測量技術(shù)應(yīng)用于基準(zhǔn)監(jiān)測及標(biāo)校。主要思路是通過主動(dòng)光源引光建立星上載荷及整個(gè)工作鏈路上測量部件之間的聯(lián)系，實(shí)時(shí)監(jiān)測和修正基準(zhǔn)漂移。

德國的X射線衛(wèi)星(Roentgen Satellite, ROSAT)[43-44]，其基準(zhǔn)監(jiān)測原理如圖6所示。通過安裝在載荷焦面的主動(dòng)光源發(fā)射光線，經(jīng)過棱鏡折轉(zhuǎn)后進(jìn)入到星敏感器的視場內(nèi)成像，從而計(jì)算得到載荷光軸和星敏感器光軸之間的實(shí)時(shí)角度關(guān)系，用于觀測數(shù)據(jù)的事后修正和處理，測量精度1″(1σ)。

圖6 德國X射線衛(wèi)星上的基準(zhǔn)光路監(jiān)測方案[43]

前蘇聯(lián)資源和偵察衛(wèi)星系列上所用的星相機(jī)產(chǎn)品，同樣通過基準(zhǔn)光路設(shè)計(jì)將基準(zhǔn)光點(diǎn)和恒星成像在同一探測器上，以實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)監(jiān)測功能，測量精度為亞角秒量級。

從以上典型實(shí)例可知，空間星光測量技術(shù)在載荷基準(zhǔn)監(jiān)測方面的應(yīng)用與目標(biāo)監(jiān)視原理基本相同，區(qū)別是載荷主動(dòng)光源發(fā)出的光線作為參考光，可以通過光學(xué)成像鏈路設(shè)計(jì)及主動(dòng)調(diào)制。國內(nèi)目前尚未有此類通過參考光的有效監(jiān)測得到姿態(tài)測量儀器與衛(wèi)星平臺、載荷之間的基準(zhǔn)傳遞關(guān)系并進(jìn)行有效標(biāo)校的應(yīng)用實(shí)例。

1.2.3 激光慣性指向測量應(yīng)用

空間星光測量技術(shù)也可直接服務(wù)于星上載荷。國際上已有基于恒星矢量確定激光測高儀發(fā)出的激光光束的慣性指向，從而進(jìn)行高精度高程定位的應(yīng)用案例。美國2003年發(fā)射的對地觀測激光測高衛(wèi)星(Ice, Cloud and land Elevation Satellite, ICESat)[45]，專門設(shè)計(jì)恒星參考系統(tǒng)(Stellar Reference System, SRS)確定激光的慣性指向。圖7給出了激光指向測量方案，即采用常規(guī)星敏感器(Instrument Star Tracker, IST)、激光參考相機(jī)(Laser Reference Sensor, LRS)以及激光輪廓敏感器(Laser Profile Array, LPA)獲取恒星及激光光斑圖像，利用圖像信息處理技術(shù)計(jì)算各光斑之間的關(guān)聯(lián)，最終確定激光光束的慣性空間指向。測量精度為1.5″(1σ)[46]，實(shí)現(xiàn)了陸地地貌、冰蓋高程變化的精確測量。

圖7 恒星參考系統(tǒng)方案[46]

后續(xù)的ICESat-2[47]衛(wèi)星采用同樣的原理確定激光慣性指向。在ICESat基礎(chǔ)上對激光指向測量方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免了ICESat衛(wèi)星因LRS激光參考相機(jī)視場較小而難以保證在載荷工作的全周期內(nèi)均有恒星可以穩(wěn)定提取的問題。ICESat2衛(wèi)星上先進(jìn)地形激光測高系統(tǒng)(Advanced Topographic Laser Altimeter System, ATLAS)的布局如圖8所示，其中激光參考相機(jī)LRS可對恒星和地面返回的激光同時(shí)成像。

圖8 先進(jìn)地形激光測高系統(tǒng)在冰二衛(wèi)星上的布局[47]

目前國內(nèi)的研究多集中在理論和應(yīng)用開發(fā)階段，尚無在軌應(yīng)用的實(shí)例。面向后續(xù)遙感衛(wèi)星的應(yīng)用需求，如何利用空間星光測量技術(shù)高精度高可靠地確定載荷激光慣性指向，將成為研究重點(diǎn)。

1.3 發(fā)展態(tài)勢

通過以上調(diào)研可知，空間星光測量技術(shù)發(fā)展迅猛，敏感器技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)均取得了豐碩成果?？偨Y(jié)其發(fā)展態(tài)勢如下：

1) APS器件光電性能已全面趕超CCD，加上其集成度高、功耗低等優(yōu)勢，已經(jīng)逐步取代CCD器件在星敏感器中得到廣泛應(yīng)用。但CCD在TDI/EMCCD等方面仍具備一定優(yōu)勢，繼續(xù)在高端產(chǎn)品中發(fā)揮作用。

2) 處理器性能以及光學(xué)設(shè)計(jì)加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，非球面技術(shù)已經(jīng)引入星敏感器中，使得產(chǎn)品指標(biāo)不斷提升。高精度、高可靠、輕量化、低功耗的星敏感器目前已廣泛應(yīng)用于多種空間任務(wù)中。高穩(wěn)定性低熱漂的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高精度誤差標(biāo)定技術(shù)的突破使得測量精度達(dá)到亞角秒量級。

3) 高幀率成像技術(shù)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)、多探頭信息融合等關(guān)鍵技術(shù)的突破，促使星敏感器動(dòng)態(tài)跟蹤能力大幅提升，最高達(dá)到10 (°)/s以上。動(dòng)態(tài)條件下的測量精度不斷提升，能夠更好地服務(wù)于衛(wèi)星高分辨率對地觀測任務(wù)。

4) 恒星陀螺、干涉星敏、彩色星敏等新型星敏感器在不斷探索中，能夠在一定程度上解決傳統(tǒng)星敏感器面臨的問題，但同樣帶來了一些新的挑戰(zhàn)。

5) 空間星光測量技術(shù)應(yīng)用已擴(kuò)展至目標(biāo)監(jiān)測、星上基準(zhǔn)監(jiān)測、激光慣性指向測量等領(lǐng)域，空間星光測量敏感器開始服務(wù)于光學(xué)載荷或者進(jìn)一步擴(kuò)展作為光學(xué)載荷存在。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題

空間星光測量技術(shù)發(fā)展至今雖然已取得了豐碩成果，但是要進(jìn)一步滿足更加精細(xì)、復(fù)雜以及多樣化的空間任務(wù)需求，尚存在一些關(guān)鍵性問題。

2.1 低頻誤差抑制及標(biāo)校問題

國內(nèi)外對星敏感器誤差的分類已經(jīng)有充分認(rèn)識，其中變化周期為幾秒至一個(gè)軌道周期的表述為低頻誤差[48-49]。近年來星敏感器高頻誤差改善明顯，而與軌道力、熱、光等空間多物理場相關(guān)的低頻誤差逐漸成為制約測量精度進(jìn)一步提升的重要因素[50-52]。

針對低頻誤差國內(nèi)外研究人員提出了較多標(biāo)校方法，一種是事后處理或離線處理方式：包括姿態(tài)控制系統(tǒng)層面的濾波方法[53-56]和基于地標(biāo)信息的離線校正方法等[57-58]，但此類方法沒有從源頭上解決問題。另一種是從星敏感器自身出發(fā)的抑制方法：主要包括通過標(biāo)定降低視場空間低頻誤差的方式和通過熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)降低溫度變化帶來的低頻誤差的方式。如法國SED36星敏感器一方面采用多項(xiàng)式校正和多區(qū)域再次校正的方法大幅降低了視場空間低頻誤差，另一方面設(shè)計(jì)了恒溫系統(tǒng)，用鈦/碳化硅結(jié)構(gòu)替代鋁合金架構(gòu)，降低了溫度交變帶來的低頻誤差；美國AST-301在地面做性能試驗(yàn)時(shí)，即通過搜集多個(gè)星場數(shù)據(jù)，基于最小二乘擬合法重新計(jì)算標(biāo)定系數(shù)。由于采集星場的隨機(jī)性，恒星的星等、數(shù)目、顏色等信息均在地面試驗(yàn)中被平差掉，因而其結(jié)果更適用于在軌情況；美國HAST星敏感器則采用圓視場標(biāo)定方法降低視場標(biāo)定殘差，采用高穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和光學(xué)設(shè)計(jì)降低光軸熱漂移；國內(nèi)隋杰等[59]開發(fā)了熱力光聯(lián)合仿真分析方法，為星敏感器光軸熱穩(wěn)定性評估提供了分析手段和設(shè)計(jì)指導(dǎo)工具；以光機(jī)電集成設(shè)計(jì)為依托，進(jìn)行了光機(jī)結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定設(shè)計(jì)，陳建峰等[60]基于Bipod結(jié)構(gòu)進(jìn)行了遮光罩安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，極大改善了結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性。

綜合以上研究現(xiàn)狀可知，目前國內(nèi)外對低頻誤差補(bǔ)償?shù)闹匾砸延谐浞终J(rèn)識，并提出了一些針對性抑制方法，取得了一些成果。但仍存在以下問題：

1) 在姿態(tài)測量系統(tǒng)層面，用于低頻誤差分析的數(shù)據(jù)源單一，沒有引入更多的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對，限制了誤差分析的精度和可信度，不適應(yīng)低頻誤差多變量影響的復(fù)雜規(guī)律建模與辨識。

2) 星敏感器低頻誤差在線辨識和補(bǔ)償研究仍停留在一階內(nèi)方位元素的水平，高階畸變和視場依賴誤差的辨識研究還存在空白。

3) 相機(jī)與星敏感器間的夾角穩(wěn)定性誤差方面考慮較少，光軸在軌監(jiān)測技術(shù)研究較為薄弱。

2.2 亞角秒級動(dòng)態(tài)測量精度問題

近年來，高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像分辨率逐漸從米級提升到亞米級，借助整星大范圍敏捷機(jī)動(dòng)能力，能通過沿軌道方向前后擺動(dòng)獲取同軌立體像對，具備了實(shí)現(xiàn)大比例尺測繪的必要條件。而星敏感器在小角速度條件下的測量精度已經(jīng)達(dá)到亞角秒級，若高動(dòng)態(tài)條件下仍能保持這一測量精度，則可為大比例尺立體測繪等任務(wù)提供超敏捷的動(dòng)中成像能力。因此，亞角秒級動(dòng)態(tài)測量精度已經(jīng)成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

就星敏感器設(shè)計(jì)而言，高動(dòng)態(tài)、高精度是相互矛盾相互制約的因素，難以兼顧。亞角秒級精度的星敏感器一般需采用小視場高分辨率以獲得較小的像元等效角來提高單星定位精度；高動(dòng)態(tài)性能則需要大視場較大的像元等效角以減小角速度運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的拖尾現(xiàn)象。若縮短曝光時(shí)間則信噪比下降，根據(jù)克拉美羅下界(Cramer-Rao Lower Bound, CRLB)，星點(diǎn)位置精度將大幅下降，實(shí)現(xiàn)亞角秒難度很大。

當(dāng)前國內(nèi)外的亞角秒星敏感器在動(dòng)態(tài)方面采取了一些積極的措施：AST301星敏感器采用自主延時(shí)積分方法進(jìn)行X軸向的圖像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，保證了2.1 (°)/s下的X軸精度；采用圖像運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)方式處理圖像拖尾，得到最佳信噪比的合成圖像，實(shí)現(xiàn)Y軸0.42 (°)/s速度下的精確跟蹤[21]。HAST星敏感器在1 (°)/s角速度條件下的0.2″(1σ)測試能力和4 (°)/s的高動(dòng)態(tài)條件下跟蹤性能，使得WorldView衛(wèi)星獲得了空前的實(shí)時(shí)性和重訪能力。多探頭星敏感器則是通過多視場組合方案，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤能力的大幅提升。就研究現(xiàn)狀而言，亞角秒級精度水平的星敏感器均未達(dá)到10 (°)/s 以上的動(dòng)態(tài)能力，尚不能滿足超敏捷衛(wèi)星動(dòng)中成像需求。

2.3 極高精度目標(biāo)指向測量及定軌問題

目前，空間星光測量技術(shù)在目標(biāo)監(jiān)測證認(rèn)方面已進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證并取得了不錯(cuò)的效果，指向測量精度達(dá)到了亞角秒水平，但是這對于目標(biāo)精確定位、跟蹤打擊等軍事應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要進(jìn)一步提升至毫角秒級指向測量精度水平，存在以下難題需要解決：

1) 毫角秒級參考基準(zhǔn)精度與毫角秒級測量精度需求之間的矛盾。一切天體和人造物體均在運(yùn)動(dòng)中，包括太陽系天體的運(yùn)動(dòng)、地球的公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)效應(yīng)、航天器的運(yùn)動(dòng)和抖動(dòng)、恒星的運(yùn)動(dòng)等，對于指向測量儀器的參考基準(zhǔn)恒星可產(chǎn)生嚴(yán)重影響，這其中的光行差、視差、引力偏折等天文效應(yīng)在牛頓笛卡爾框架內(nèi)修正，修正精度在幾十個(gè)毫角秒量級，且隨航天器和儀器指向的變化而變化。這樣的修正精度對于目前高精度及甚高精度的星光測量敏感器而言是足夠的，但是要進(jìn)一步提升至毫角秒量級，則無法滿足使用需求。

2) 呈指數(shù)增長的恒星背景與遠(yuǎn)距離空間小目標(biāo)高精度定位的矛盾。目標(biāo)尺寸小、距離遠(yuǎn)、特性未知、太陽相位角不等等因素導(dǎo)致空間目標(biāo)能量暗弱且多變。假定目標(biāo)近似球狀，相位角為0°，表面反射率0.2，視場1°×1°，要觀測10 cm@1 000 km目標(biāo)，靈敏度達(dá)到12.5 Mv，銀道區(qū)域內(nèi)恒星有500顆以上；而要觀測1 cm@1 000 km目標(biāo)，靈敏度要達(dá)到17.5 Mv，視場內(nèi)恒星有5 600顆。要獲得更高的目標(biāo)指向測量精度，一方面需要從密集恒星背景中有效提取出目標(biāo)，另一方面需要對暗弱目標(biāo)進(jìn)行極高精度的定位，傳統(tǒng)的細(xì)分質(zhì)心定位法已經(jīng)不能滿足目標(biāo)定位精度需求。這就給敏感器設(shè)計(jì)和信息流處理帶來巨大挑戰(zhàn)。

3) 目標(biāo)編目定軌和有限觀測數(shù)據(jù)的矛盾。精確編目需要長期多時(shí)段證認(rèn)數(shù)據(jù)，然而當(dāng)前儀器僅能完成有限弧段觀測，數(shù)據(jù)相關(guān)性大；目標(biāo)長時(shí)間運(yùn)動(dòng)特性復(fù)雜，或速度變化快，或曲線運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)易出視場關(guān)聯(lián)不上；不同視角目標(biāo)光變曲線給目標(biāo)提取、分類、證認(rèn)帶來現(xiàn)實(shí)困難。

3 未來重點(diǎn)研究方向

結(jié)合以上技術(shù)進(jìn)展、應(yīng)用情況以及存在的關(guān)鍵問題，可以預(yù)測到空間星光測量技術(shù)未來重點(diǎn)研究方向主要包括：

1) 極高精度。隨著美國JMAPS巡天任務(wù)的推進(jìn)，測量精度需求將進(jìn)一步提高至毫角秒水平。無論是姿態(tài)測量精度還是目標(biāo)的指向測量精度一旦達(dá)到毫角秒量級，將能夠大幅提升遙感測繪、天基攻防以及自主導(dǎo)航衛(wèi)星的性能。要實(shí)現(xiàn)由當(dāng)前的亞角秒級精度至毫角秒級精度的躍升，將面臨巨大挑戰(zhàn)。恒星參考基準(zhǔn)、多物理場的影響、地面標(biāo)定和精度測試技術(shù)均需要深入研究。

2) 高動(dòng)態(tài)。遙感任務(wù)高時(shí)間分辨率和立體成像的需求發(fā)展，對星敏感器機(jī)動(dòng)過程中測量精度要求越來越高。敏捷衛(wèi)星為實(shí)現(xiàn)立體成像，姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度大且頻繁，衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度較差，要求星敏感器能夠?qū)崿F(xiàn)高動(dòng)態(tài)條件下的高精度測量。如何顯著提升動(dòng)態(tài)測量精度，是未來所要突破的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

3) 多功能?？臻g目標(biāo)監(jiān)視、慣性指向測量等應(yīng)用需求對空間星光測量敏感器提出了更多的要求。目前多為監(jiān)視相機(jī)與傳統(tǒng)星敏感器進(jìn)行配合達(dá)到測量目的，但這種級聯(lián)方案組成復(fù)雜，可靠性低?；诂F(xiàn)有的技術(shù)積累研究慣性指向測量、目標(biāo)監(jiān)測及跟蹤、星上基準(zhǔn)監(jiān)測等多功能集成化的空間星光測量儀器也是未來主要發(fā)展方向之一。

4) 智能化。人工智能方法，可以從大數(shù)據(jù)中挖掘知識信息，具有自主學(xué)習(xí)、處理速度快的特點(diǎn)，在越來越多的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法層出不窮，以圖形處理器(Graphics Processing Unit, GPU)、并行計(jì)算架構(gòu)(Compute Unified Device Architecture, CUDA)、張量處理單元(Tensor Processing Unit, TPU)等為代表的并行計(jì)算以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件平臺技術(shù)快速發(fā)展，皆為人工智能方法在空間星光測量敏感器中的應(yīng)用提供了重要前提和保障。若采用人工智能方法，必將極大提高信息處理能力，為目前星光測量敏感器對空間環(huán)境多物理場的自我感知能力較弱、密集星場下的目標(biāo)證認(rèn)困難等問題提供新的解決方案，推動(dòng)敏感器向智能化方向發(fā)展。

4 結(jié)束語

空間星光測量技術(shù)利用星光矢量信息進(jìn)行姿態(tài)確定、慣性指向測量、基準(zhǔn)監(jiān)測，對于保證順利完成航天器各項(xiàng)空間任務(wù)具有十分重要的意義。通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研可知，星敏感器作為典型的空間星光測量敏感器，目前已達(dá)到亞角秒級精度水平。國際上對于目標(biāo)慣性指向測量、星上基準(zhǔn)監(jiān)測等應(yīng)用技術(shù)的研究促使星敏感器功能擴(kuò)展為星相機(jī)、指向參考相機(jī)等，可服務(wù)于光學(xué)載荷或者作為載荷本身存在。在當(dāng)前大比例尺測繪衛(wèi)星、高分辨率光學(xué)成像偵察衛(wèi)星、目標(biāo)監(jiān)測預(yù)警衛(wèi)星等為代表的高性能衛(wèi)星的迫切需求背景下，通過高質(zhì)量的星光測量技術(shù)獲取精確的姿態(tài)位置、目標(biāo)指向信息仍是國際上的研究熱點(diǎn)，將推動(dòng)測量敏感器不斷向更高精度、高動(dòng)態(tài)、多功能以及智能化的方向發(fā)展。