徐 蓉,門 濤,張榮之

(中國西安衛(wèi)星測(cè)控中心宇航動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710043)

1 引 言

態(tài)勢(shì)感知是指對(duì)在一定空間和時(shí)間范圍內(nèi)的外部客觀條件的狀態(tài)及其變化趨勢(shì)的觀察、認(rèn)知和利用?？臻g態(tài)勢(shì)是指影響空間系統(tǒng)和任務(wù)的外部客觀條件,即距地球表面 20 km以上廣大區(qū)域的各種空間目標(biāo)的狀態(tài)和變化趨勢(shì)?？臻g態(tài)勢(shì)感知就是對(duì)上述狀態(tài)和變化趨勢(shì)信息的探測(cè)和識(shí)別。

空間態(tài)勢(shì)感知研究的對(duì)象主要是空間目標(biāo)和空間環(huán)境[1]。空間目標(biāo)包括軌道目標(biāo)、彈道目標(biāo)和機(jī)動(dòng)目標(biāo),軌道目標(biāo)包括偵察監(jiān)視情報(bào)衛(wèi)星、預(yù)警探測(cè)衛(wèi)星、導(dǎo)航定位衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星及有潛在軍事用途的其它航天器、空間碎片等;彈道目標(biāo)包括戰(zhàn)略導(dǎo)彈、反導(dǎo)導(dǎo)彈等戰(zhàn)略攻防武器系統(tǒng);機(jī)動(dòng)目標(biāo)包括高速、低速臨近空間飛行器等?？臻g環(huán)境是指空間中各種自然和人造的物質(zhì)及其變化,包括中性大氣、等離子體、電磁場(chǎng)和粒子等。

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展,對(duì)于空間目標(biāo)(如衛(wèi)星、空間碎片、宇宙星體等)的研究,包括空間目標(biāo)識(shí)別、軌道確定以及位置估計(jì)等變得越來越重要,它是進(jìn)入空間、了解空間以及控制空間的基礎(chǔ),是空間攻防必不可少的環(huán)節(jié)。空間目標(biāo)識(shí)別是空間攻防對(duì)抗的技術(shù)支持,空間目標(biāo)的形態(tài)特性是空間目標(biāo)的重要特征之一。目前,除了軌道識(shí)別和無線電信號(hào)特征外,獲取空間目標(biāo)的幾何形態(tài)及其紋理特征對(duì)于空間目標(biāo)的識(shí)別、軌道估計(jì)、衛(wèi)星姿態(tài)及工作狀態(tài)的判斷等具有十分重要的意義。

空間目標(biāo)探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)的主要設(shè)備包括雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)、光電探測(cè)系統(tǒng)和無線電監(jiān)視系統(tǒng)等。

2 地基平臺(tái)光電探測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀

美國空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的主要作用是高分辨率成像 (雷達(dá)成像、自適應(yīng)光電成像、紅外成像)和輻射特性測(cè)量等。美國空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的主要設(shè)備如圖1所示。

圖1 美國空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)主要設(shè)備Fig.1 Equipment of surveillance system to space targets ofUSA

星火光學(xué)靶場(chǎng)的 3.5 m望遠(yuǎn)鏡于 1995年裝備了帶有激光導(dǎo)引星的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),能對(duì)亮于 7～8星等的低軌衛(wèi)星目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和高分辨力成像,據(jù)稱該望遠(yuǎn)鏡可以分辨 1 600 km遠(yuǎn)處一個(gè)籃球尺度的細(xì)節(jié)。星火靶場(chǎng)的 3.5 m自適應(yīng)光電望遠(yuǎn)鏡對(duì)衛(wèi)星的成像如圖2所示[2],其中左圖為未校正像,右圖為經(jīng) 941單元自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正后的圖像,圖像非常清晰,衛(wèi)星上天線等部件都清晰可見。

圖2 3.5 m自適應(yīng)光電望遠(yuǎn)鏡對(duì) Seasat衛(wèi)星成像Fig.2 Imaging of satellite Seasat usingAO corrected SOR 3.5 m telescope

美國空軍毛伊島光學(xué)站 (AMOS)是美國空軍檢測(cè)網(wǎng)中的主要光學(xué)站,其任務(wù)是獲取前蘇聯(lián)航天器的情報(bào)圖像和美國衛(wèi)星的工作數(shù)據(jù)。3.67 m口徑先進(jìn)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡于 1997年開始建設(shè),可用多種手段支持空間目標(biāo)識(shí)別。通過采用一套 941單元自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),可獲得 0.7～1.0μm波段接近衍射極限分辨力的圖像,實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的高分辨力圖像形態(tài)特征識(shí)別。

毛伊島 AMOS的 1.2,1.6及 3.6 m口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡上均安裝有光度測(cè)量設(shè)備和紅外輻射/光譜測(cè)量設(shè)備,用于測(cè)量空間目標(biāo)的光度、輻射強(qiáng)度以及光譜信息,進(jìn)行空間目標(biāo)散射/輻射特性研究,支持空間目標(biāo)識(shí)別和載荷評(píng)估。

但地基光電探測(cè)平臺(tái)也有其顯著的缺點(diǎn)。自17世紀(jì)伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡以后,為提高其觀測(cè)能力,望遠(yuǎn)鏡口徑在不斷增大;然而望遠(yuǎn)鏡口徑越大,制造工藝越復(fù)雜,并且大氣湍流的動(dòng)態(tài)干擾對(duì)光學(xué)測(cè)量有影響。無論多大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡通過地球大氣進(jìn)行觀察時(shí),受限于大氣湍流,其分辨力均低于 0.1～0.2 m的望遠(yuǎn)鏡[3],因此地基望遠(yuǎn)鏡有其極限探測(cè)能力。

地球大氣對(duì)天文觀測(cè)的影響主要有三個(gè)方面。第一,大氣對(duì)光有衍射效應(yīng),一個(gè)點(diǎn)光源經(jīng)過大氣以后會(huì)變成一個(gè)衍射斑,大氣衍射效應(yīng)大大降低了地面望遠(yuǎn)鏡的分辨能力。第二,由于溫度、壓力和其他擾動(dòng)等造成產(chǎn)生大氣密度的隨機(jī)變化將導(dǎo)致大氣折射率的隨機(jī)變化,這些變化的累積效應(yīng)導(dǎo)致大氣折射率的明顯不均勻性,從而使在湍流大氣中傳輸?shù)墓馐ㄇ耙沧鲭S機(jī)起伏,由此引起光束抖動(dòng)、強(qiáng)度起伏、光束擴(kuò)展和像點(diǎn)抖動(dòng)等一系列光傳輸?shù)拇髿馔牧餍?yīng);大氣湍流使光的球面波前發(fā)生變化,波前的一些部分不同程度地被減慢了,從而使像發(fā)生畸變。第三,地球大氣中的臭氧對(duì)紫外輻射有強(qiáng)烈的吸收作用,大氣中的水汽又能吸收大部分紅外輻射,因此地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波段受到很大限制[4,5]。

為了克服地球大氣對(duì)天文觀測(cè)的影響,人們研制了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),其目的是通過恢復(fù)波前的球面形狀來消除大氣湍流影響,從而極大地提高了望遠(yuǎn)鏡的分辨力。但自適應(yīng)光學(xué)也有一些難以克服的困難,如改正圖像的光學(xué)系統(tǒng)很復(fù)雜,鏡面越大,越復(fù)雜,越難做,同時(shí)亦會(huì)損失部分望遠(yuǎn)鏡捕獲來的光。自適應(yīng)光學(xué)的另一個(gè)限制是能做改正的視場(chǎng)較小,而且分辨率越好,自適應(yīng)光學(xué)工作的范圍就越小。另外,自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)無法完全消除地球大氣湍流的影響,其觀測(cè)受到光污染、云團(tuán)、陰霾、惡劣天氣的影響,觀測(cè)時(shí)間很有限。

3 天基平臺(tái)光電探測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀

空間目標(biāo)天基觀測(cè)系統(tǒng)的研究同樣令人關(guān)注。美國已經(jīng)發(fā)射了中段空間試驗(yàn) (Midcourse Space Exper iments,MSX)衛(wèi)星,用作導(dǎo)彈跟蹤和空間監(jiān)視的試驗(yàn)驗(yàn)證,目前正在積極研制部署空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng) (STSS)等。

MSX衛(wèi)星[6,7]于 1996年發(fā)射,目的是對(duì)星載探測(cè)器進(jìn)行試驗(yàn),改進(jìn)自由滑行階段導(dǎo)彈偵查和跟蹤模式。星上裝載了 3臺(tái)光學(xué)遙感器,其工作波段從紫外到熱紅外。其中天基可見光 (SBV)的主要任務(wù)就是空間監(jiān)視,包括從空間監(jiān)視地球同步衛(wèi)星帶,從而提升了美國對(duì)深空的監(jiān)視能力?？臻g紅外成像望遠(yuǎn)鏡 (SPI R ITⅢ)則包含 1個(gè) 6波段高空間分辨力紅外輻射計(jì)和 1個(gè) 6通道高光譜分辨率Michelson干涉光譜儀。利用 SPI R IT III進(jìn)行了空間常駐目標(biāo) (RSO)編目試驗(yàn),其最終目的是確定紅外觀測(cè)在空間目標(biāo)識(shí)別和空間態(tài)勢(shì)感知的作用。

天基紅外系統(tǒng) (SB I RS)[8～10]是美國空軍研制的下一代天基紅外監(jiān)視系統(tǒng),也是美國國家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的一個(gè)組成部分,它由高軌道衛(wèi)星、低軌道衛(wèi)星和地面設(shè)施組成。其中低軌道星座命名為“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”(STSS)。STSS計(jì)劃由 21～28顆小型衛(wèi)星組成,部署在 1 600 km高的 3～4個(gè)大傾角的低地球軌道面上,衛(wèi)星將使用可見光和短波、中波、長波紅外探測(cè)器跟蹤彈道導(dǎo)彈的各飛行階段并從所有目標(biāo)中識(shí)別彈頭。

1990年 4月 24日,主鏡口徑為 2.4 m的哈勃望遠(yuǎn)鏡由“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)航天飛機(jī)送上了距離地面600 km的太空軌道,填補(bǔ)了地面觀測(cè)的缺口,已經(jīng)成為天文史上最重要的儀器。哈勃望遠(yuǎn)鏡的位置在地球大氣層之上,因此獲得了地基望遠(yuǎn)鏡所沒有的優(yōu)勢(shì)—影像不會(huì)受到大氣湍流的擾動(dòng),視寧度絕佳又沒有大氣散射造成的背景光,還能觀測(cè)會(huì)被臭氧層吸收的紫外線[11]。

天基光電探測(cè)系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴,從設(shè)計(jì)到發(fā)射至太空耗資巨大。其次,光學(xué)系統(tǒng)在太空受太陽直射和處在陰影中造成的冷熱交替的環(huán)境,易使鏡面變形,降低了圖像質(zhì)量。400～600 km的低軌空間中存在的剩余氣體分子和塵埃對(duì)太陽光也會(huì)造成衍射,在地球陰影處也會(huì)受到月光的影響。光學(xué)系統(tǒng)由于距離地球較近,使觀測(cè)視場(chǎng)受到限制。最后,天基光電探測(cè)平臺(tái)與空間碎片碰撞的幾率每年都在增加。綜合以上因素,天基光電探測(cè)平臺(tái)的觀測(cè)時(shí)間只有地基望遠(yuǎn)鏡的 1/3。

4 近空間平臺(tái)光電探測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與分析

4.1 氣球平臺(tái)光電探測(cè)系統(tǒng)

氦氣球是一個(gè)穩(wěn)定的、無振動(dòng)的光電試驗(yàn)平臺(tái),可在高空停留數(shù)天,沒有發(fā)動(dòng)機(jī)和復(fù)雜的結(jié)構(gòu),可以無人值守,價(jià)格相對(duì)便宜。

1996年,Air Force Phillips Laboratory在體積為 800 000 m3的氣球下懸掛了一臺(tái)重 2 t、口徑為80 cm的太陽望遠(yuǎn)鏡,從南極洲起飛,爬行高度達(dá)到 38 000 m,在高空中停留了兩周時(shí)間[11]。

2000年 1月,一個(gè) 80 cm口徑F數(shù)為 1.5的Ritchey-Chretien太陽望遠(yuǎn)鏡懸掛在南極洲上空同溫層中的一個(gè)氣球上飛行了 17 d。目的是獲取太陽光球和色球高空間分辨率圖像和矢量磁力圖的長期序列,飛行完全在地球大氣的湍流層上,望遠(yuǎn)鏡將能接近其 0.2 rad/s的衍射分辨率工作,同時(shí)提供小型太陽特性的高分辨率觀察。當(dāng)?shù)跖撛诘孛嬲久闇?zhǔn)線內(nèi)時(shí),通訊通過傳送指令和接收遙測(cè)數(shù)據(jù)的低速無線電線路以及接收?qǐng)D像的高速下行線路得到保證,望遠(yuǎn)鏡操作由氣球載自主式計(jì)算機(jī)控制[12]。

氣球光電試驗(yàn)平臺(tái)的最大的缺點(diǎn)是隨著其爬行高度的增大,受風(fēng)的影響增大,著陸時(shí)最大可偏離預(yù)定著陸地點(diǎn)百公里以上,望遠(yuǎn)鏡伺服系統(tǒng)的控制難度較大。

4.2 機(jī)載平臺(tái)光電探測(cè)系統(tǒng)

1974年,NASA的 KupierAirborne Observatory(KAO)使用 C-141A貨機(jī)裝載一臺(tái)口徑為91.5 cm的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了首次機(jī)載望遠(yuǎn)鏡紅外觀測(cè),飛行高度為 12 km,此飛行高度在85%的大氣分子之上,不受天氣影響,避開了99%的能吸收紅外輻射的水分子。飛機(jī)以800 km/h的速度飛行,飛行時(shí)間 6.5 h。飛機(jī)通過壓縮空氣軸承和磁場(chǎng)導(dǎo)引系統(tǒng)最大限度地消除機(jī)身振動(dòng)的影響,但由于受到機(jī)身觀察窗口的限制,望遠(yuǎn)鏡觀察視場(chǎng)受到極大限制[11]。

紅外天文學(xué)的同溫層觀測(cè)站工程 (Stratospheric Observatory for Far-Infrared Astronomy,SOF IA)是由 NASA和德國聯(lián)合研制的一項(xiàng)機(jī)載望遠(yuǎn)鏡的國際性工程,1991年該工程使用波音747飛機(jī)轉(zhuǎn)載一臺(tái)重 8 t、短焦距、2.5 m口徑的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了觀測(cè)試驗(yàn)?？偤馁Y為 1.8億美元,其中飛機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)耗費(fèi) 1.2億美元。NASA計(jì)劃該試驗(yàn)持續(xù)到 2000年,每年飛行約 160次,每次飛行時(shí)間為 5 h[13]。

第二期的 SOF IA工程于 2010年開始進(jìn)行光學(xué)觀測(cè)試驗(yàn),如圖3所示,并將持續(xù) 20年時(shí)間,到2030年結(jié)束。SOF IA的飛行高度可達(dá)13.7 km,此高度不受 99.8%吸收紅外輻射的水分子的影響,并且大氣透過率達(dá) 80%。由于配置了先進(jìn)的場(chǎng)成像遠(yuǎn)紅外線光譜儀 (FIFILS)、亞毫米外差式光譜儀 (CAS IM IR)、遠(yuǎn)紅外攝像機(jī) (HAWC)、中紅外光柵攝譜儀 (EXES)、近紅外攝像機(jī) (FL ITECAM)、高速隱蔽光度計(jì)和成像儀 (HOPI)、太赫茲陣列接收器 (STAR)等科研儀器,SOF IA的觀測(cè)范圍包含 28～1 200μm的光譜波段,可進(jìn)行遠(yuǎn)紅外及亞毫米量級(jí)的天文觀測(cè)[14～16]。

圖3 SOF IA的機(jī)載望遠(yuǎn)鏡試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Cutaway view of airborne telescope system in SOF IA

SOF IA的優(yōu)勢(shì)在于:飛行高度高,具有良好的近似于太空的大氣透過率觀測(cè)環(huán)境;載重能力強(qiáng),運(yùn)輸機(jī)可轉(zhuǎn)載大口徑的天文望遠(yuǎn)鏡;機(jī)動(dòng)性強(qiáng),可從世界范圍內(nèi)任何一個(gè)機(jī)場(chǎng)起飛對(duì)重大的天文事件進(jìn)行觀測(cè),不像地面觀測(cè)站一樣受固定的地理位置限制。但也有許多缺點(diǎn),如:高速飛行加劇了飛機(jī)周圍的大氣湍流效應(yīng),引起氣流漩渦,同時(shí)引起較大的機(jī)械扭矩,并且飛機(jī)觀測(cè)窗口周圍噪音巨大,這都將對(duì)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,降低分辨率;飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量會(huì)影響紅外測(cè)量結(jié)果;續(xù)航能力差,價(jià)格昂貴。

5 發(fā)展臨近平臺(tái)空間光電探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)大氣的溫度、密度及運(yùn)動(dòng)特征可將大氣層可分為 5層,從海平面依次向上分為對(duì)流層、平流層、中間層、熱層、外層。對(duì)流層是大氣的最底層,其厚度隨著緯度與季節(jié)等因素而變化。頂層在赤道附近為 16～18 km,南北極附近為 6～8 km。由對(duì)流層頂端到海平面以上 50 km處之間為平流層,其特點(diǎn)是空氣沒有對(duì)流運(yùn)動(dòng),平流運(yùn)動(dòng)占顯著優(yōu)勢(shì),水汽、塵埃含量甚微,能見度很高,便于光電偵察。這一層最大的特點(diǎn)是氣溫隨高度上升,大氣上暖下涼,以平流運(yùn)動(dòng)為主,飛行器在其中受力比較穩(wěn)定,便于姿態(tài)控制和駕駛。

臨近空間指海拔 20～100 km的大氣圈,該區(qū)域沒有大氣的上下對(duì)流,只有水平方向的流動(dòng),故又稱平流層。平流層處于現(xiàn)有航空飛行器的上限和在軌航天飛行器的最低軌道高度之間,這一區(qū)域既不屬于航空范疇,也不屬于航天范疇,但對(duì)于情報(bào)收集、偵察監(jiān)視、通信保障以及對(duì)空對(duì)地觀測(cè)等都有利用前景。

現(xiàn)代平流層飛艇的概念最早是由美國海軍于1982年的 High-Altitude Surveillance Platform for Over-the-horizon Targeting(H I-SPOT)項(xiàng)目中提出的。該飛艇由 4個(gè)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),可裝載100～500 kg的設(shè)備飛行至 10 km高度,飛行時(shí)間持續(xù) 5個(gè)月[11],見圖4。

圖4 美國軍方的飛艇示意圖[17]Fig.4 Stratospheric airship illustrated picture of U.S.army[17]

平流層飛艇具有同步衛(wèi)星、低地球軌道衛(wèi)星、高空長航時(shí)無人機(jī)所沒有的優(yōu)良特性,它既可固定在對(duì)地同步位置上,亦可根據(jù)即時(shí)的需要自動(dòng)地從一個(gè)地區(qū)轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)地區(qū)。如今的衛(wèi)星和無人機(jī)都不能攜運(yùn)超過 2 t重的載荷,無人機(jī)也不能停留在單一的地點(diǎn)上;然而平流層飛艇卻具有靈活性,可晝夜 24 h工作,持續(xù)工作時(shí)間長達(dá)數(shù)年。

空間目標(biāo)地基光電成像系統(tǒng)分辨率受限的主要因素是大氣湍流,大氣湍流主要產(chǎn)生在大氣最底層的對(duì)流層,設(shè)想利用臨近空間平流層平臺(tái)(飛艇)來搭載光電探測(cè)系統(tǒng),就不會(huì)受對(duì)流層大氣擾動(dòng)的影響,其成像分辨力可顯著提高。

對(duì)地基和天基光電探測(cè)平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析表明,隨著我國飛艇研制技術(shù)的高速發(fā)展,在發(fā)展大口徑地基自適應(yīng)成像望遠(yuǎn)鏡的同時(shí),平流層飛艇平臺(tái)望遠(yuǎn)鏡具有誘人的發(fā)展?jié)摿?分析其優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)相對(duì)地基成像分辨率高

平流層高度為距離地面 20～100 km,而在10 km高度以上,大氣湍流對(duì)自適應(yīng)成像望遠(yuǎn)鏡的影響可以忽略不計(jì),因此飛艇平臺(tái)望遠(yuǎn)鏡分辨率可大大提高。

(2)相對(duì)地基觀測(cè)時(shí)間大大延長

地面光學(xué)布站受地理位置、環(huán)境、天氣、燈光污染等因素影響,觀測(cè)時(shí)間受限,而飛艇平臺(tái)望遠(yuǎn)鏡機(jī)動(dòng)性強(qiáng),不受以上因素影響,大大延長了觀測(cè)時(shí)間 (平流層不存在惡劣天氣)。

地基自適應(yīng)光電望遠(yuǎn)鏡受天光地影條件限制,即要求望遠(yuǎn)鏡所在地區(qū)的天光足夠黑暗,只有衛(wèi)星飛臨上空 (滿足高度約束條件),且又具有足夠亮度 (衛(wèi)星為太陽所照亮),才可以很好地進(jìn)行觀測(cè),因此地基自適應(yīng)光電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間受限 (基本在晨昏時(shí)間段)。而飛艇平臺(tái)望遠(yuǎn)鏡可隨晨昏線飛行,滿足天光地影條件,可長時(shí)間觀測(cè)。

(3)相對(duì)地基布站靈活,可及時(shí)反應(yīng)重大事件和任務(wù)

由于地基成像望遠(yuǎn)鏡的選址對(duì)環(huán)境要求苛刻,需要用半年時(shí)間持續(xù)對(duì)近地面大氣湍流強(qiáng)度、常規(guī)氣象參數(shù)、視寧度、整層大氣透過率、夜天光背景、高空風(fēng)和高空光學(xué)湍流強(qiáng)度廓線進(jìn)行測(cè)量。受選址條件限制,目前國內(nèi)自適應(yīng)成像光電望遠(yuǎn)鏡布站均處于視寧度較好的西南部區(qū)域,這些觀測(cè)站點(diǎn)受地理位置、天光地影條件所限,對(duì)于某些重大事件和任務(wù)的光學(xué)可觀測(cè)期具有局限性,如高緯度發(fā)射的空間目標(biāo)特定時(shí)間段無法觀測(cè)等等。平流層飛艇平臺(tái)光電望遠(yuǎn)鏡可靈活布站,對(duì)于重大突發(fā)大事件可及時(shí)跟蹤觀測(cè),并且可以針對(duì)極地軌道目標(biāo)在南北極進(jìn)行觀測(cè)。相對(duì)天基,可定期觀測(cè)飛臨其上空的全部目標(biāo)。

(4)相對(duì)天基容積裝載量大

飛艇容積大,可運(yùn)載大口徑光電望遠(yuǎn)鏡,便于望遠(yuǎn)鏡方位、俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)以進(jìn)行全方位觀測(cè)。并且自給能力強(qiáng),裝載大量裝備和物資,其載重量一般是直升機(jī)的 3倍以上。

(5)相對(duì)飛機(jī)穩(wěn)定性強(qiáng),安全性高

飛艇采用傾斜旋翼推進(jìn)及穩(wěn)性加強(qiáng)系統(tǒng),穩(wěn)定性強(qiáng),即使在強(qiáng)風(fēng)中也能平穩(wěn)懸停,便于保持望遠(yuǎn)鏡光路系統(tǒng)的穩(wěn)定,防止圖像抖動(dòng),觀測(cè)效率高。當(dāng)遭遇突發(fā)事件時(shí),飛艇的氣囊不會(huì)立即產(chǎn)生影響,其余完好的隔艙中的氣囊產(chǎn)生的靜升力可繼續(xù)維持飛行,有些破損的洞甚至還能在飛行中及時(shí)得到修補(bǔ)。另外,飛艇起飛并不需要機(jī)場(chǎng),可在許多野外環(huán)境下垂直起降。

6 臨近空間平臺(tái)光電探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于空間態(tài)勢(shì)感知的技術(shù)要求

臨近空間平臺(tái)平流層飛艇光電探測(cè)系統(tǒng)與低空飛艇不同,該平臺(tái)的研制被認(rèn)為是本世紀(jì)的技術(shù)難題。只有在材料、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、導(dǎo)航和控制等領(lǐng)域提出創(chuàng)造性的技術(shù)解決方案,才能為人們提供長期、穩(wěn)定的服務(wù)。

(1)圖像消旋及穩(wěn)定性研究

當(dāng)臨近空間平臺(tái)光電探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)任務(wù)時(shí),通過伺服系統(tǒng)的控制來帶動(dòng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)完成跟蹤任務(wù),這一過程會(huì)造成望遠(yuǎn)鏡視軸相對(duì)于飛艇平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng),使得穩(wěn)定的圖像又疊加了額外的旋轉(zhuǎn),這部分旋轉(zhuǎn)量會(huì)對(duì)空間目標(biāo)的軌道定位與識(shí)別帶來不便甚至錯(cuò)誤的判斷,所以這部分圖像旋轉(zhuǎn)量是必須進(jìn)行合理補(bǔ)償?shù)?。同時(shí),望遠(yuǎn)鏡在飛行苛刻環(huán)境條件下工作,像移動(dòng)會(huì)使圖像模糊,并可能引起科學(xué)儀器中的信號(hào)損失和噪聲增強(qiáng)。因此,必須在設(shè)計(jì)過程中預(yù)測(cè)圖像穩(wěn)定性,需要建立包括光學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和控制環(huán)路的一種綜合數(shù)學(xué)模擬模型,研究出姿態(tài)控制和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)圖像移動(dòng)影響的補(bǔ)償控制方法。

(2)CCD溫度控制

平流層晝夜溫差大,大氣壓的變化也較大。另外,太陽輻照的不同譜段對(duì)飛艇有不同的影響,而飛艇主要吸收紅外與可見光輻射,這部分能量是飛艇熱量的主要來源,也是影響飛艇溫度的主要因素。分析表明,由于太陽能電池吸收效率低,與太陽能電池接觸的一面溫度起伏在 70～100℃與 -70～-100℃之間[18],溫差造成的艇體內(nèi)部氣體溫度和壓力變化會(huì)影響飛艇的外形和浮力,造成飛艇的高度漂移、姿態(tài)變化和抗風(fēng)能力下降等。此外,平流層的溫差變化,以及飛艇自身發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱對(duì)艇內(nèi)溫度的影響,也會(huì)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的長波紅外探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,而望遠(yuǎn)鏡鏡面面型、CCD等電子元器件對(duì)工作環(huán)境的溫度變化范圍都有一定的要求。目前,望遠(yuǎn)鏡常用 CCD的工作溫度是 0～30℃,存放溫度是 -25～55℃;工作溫度在 27℃以上時(shí),溫度越高,CCD噪聲越大,從而影響測(cè)量精度。因此,飛艇內(nèi)的溫度起伏范圍會(huì)對(duì) CCD的壽命及測(cè)量精度產(chǎn)生影響,工程設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)飛艇溫度控制進(jìn)行研究。

(3)跟蹤瞄準(zhǔn)和軌道預(yù)報(bào)

和地基平臺(tái)相比,臨近空間平臺(tái)的高動(dòng)態(tài)性使觀測(cè)目標(biāo)跟蹤瞄準(zhǔn)和軌道預(yù)報(bào)具有特殊性。臨近空間觀測(cè)平臺(tái)的位置不一定是固定的,其與觀測(cè)目標(biāo)之間存在著較大的運(yùn)動(dòng)速度、以及較大的角速度和角加速度,與光學(xué)觀測(cè)所要求的窄視場(chǎng)的捕獲與跟蹤相矛盾。平臺(tái)的姿態(tài)調(diào)整,跟蹤狀態(tài)下引入的平臺(tái)姿態(tài)變化和平臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)等都會(huì)影響視場(chǎng)的穩(wěn)定跟瞄,故須進(jìn)一步研究飛艇在高速飛行和定點(diǎn)控制過程中的實(shí)時(shí)空間目標(biāo)軌道預(yù)報(bào)技術(shù)。

(4)定位精度及望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)校正

定位精度是指在長期駐空過程中,飛艇需在指定的范圍內(nèi)保持相對(duì)地面靜止。飛艇所處的平流層環(huán)境很不穩(wěn)定,經(jīng)常受熱氣流、晝夜溫差和風(fēng)等各種擾動(dòng)影響而偏離原來的位置,這些擾動(dòng)會(huì)引起飛艇內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。定位精度是指保持水平面內(nèi)飛艇質(zhì)心位置不變,它主要通過動(dòng)力控制系統(tǒng)的推進(jìn),抵抗各種擾動(dòng),這需要獲得風(fēng)向、風(fēng)速、飛艇姿態(tài)和動(dòng)力系統(tǒng)等參數(shù)。平流層飛艇在深空,回收過程中經(jīng)過對(duì)流層,對(duì)流層氣壓高,空氣密度大,溫度隨高度的增加而降低,氣流具有強(qiáng)烈的對(duì)流、湍流運(yùn)動(dòng),這些致使飛艇產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng),引起望遠(yuǎn)鏡反射鏡抖動(dòng),內(nèi)部光路產(chǎn)生偏移。因此,有必要研究固定望遠(yuǎn)鏡光路、實(shí)時(shí)調(diào)整反射鏡位置、并對(duì)光路系統(tǒng)進(jìn)行校正的工程技術(shù)。

(5)光電子系統(tǒng)的防護(hù)

在平流層高度,介子、電子、光子、中子、質(zhì)子等高能粒子的輻射強(qiáng)度較地面大大增加,它們會(huì)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的工作帶來不利的影響,其中對(duì)電子器件構(gòu)成威脅的最主要因素是大氣中子?，F(xiàn)代電子器件加工工藝的不斷發(fā)展,器件單元尺寸不斷減小,工作電壓不斷降低,使得器件抵御單粒子效應(yīng)的能力不斷下降。此外,水蒸汽會(huì)凝結(jié)在望遠(yuǎn)鏡鏡片和制冷部件上,長期累積也會(huì)影響光學(xué)儀器性能。這些都對(duì)光電子系統(tǒng)的防護(hù)功能提出了更高的要求

7 結(jié)束語

臨近空間是區(qū)別于航天和航空領(lǐng)域的一個(gè)全新領(lǐng)域,是一個(gè)包含多種交叉學(xué)科的高、精、尖技術(shù)項(xiàng)目,特別是在空間態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。臨近空間平臺(tái)光電探測(cè)系統(tǒng)具有地基和天基平臺(tái)無法比擬的優(yōu)點(diǎn),發(fā)展臨近空間平臺(tái)光電探測(cè)試驗(yàn)將對(duì)我國國家安全與國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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