于 涌，李 巖，毛銀盾，曹建軍，唐正宏，張忠萍

(中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030)

空間碎片激光測(cè)距與光學(xué)測(cè)角一體化觀測(cè)試驗(yàn)*

于 涌，李 巖，毛銀盾，曹建軍，唐正宏，張忠萍

(中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030)

在空間碎片監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，漫反射激光測(cè)距技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用前景。目前，漫反射激光測(cè)距處于試驗(yàn)階段，僅靠單臺(tái)設(shè)備獲得的短弧測(cè)距數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定軌，這制約了漫反射激光測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用。根據(jù)軌道理論，如果在測(cè)距的同時(shí)，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(cè)距和光學(xué)測(cè)角一體化技術(shù)的方案，以上海天文臺(tái)60 cm激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過增加短焦距、大視場(chǎng)的光學(xué)照相設(shè)備，建立一套激光測(cè)距與光學(xué)測(cè)角一體化的試驗(yàn)平臺(tái)，并以Ajisai衛(wèi)星為目標(biāo)開展了觀測(cè)?，F(xiàn)階段試驗(yàn)?zāi)康臑椋疾煲惑w化觀測(cè)的可行性，評(píng)估測(cè)角精度。結(jié)果表明，激光測(cè)距與光學(xué)測(cè)角一體化技術(shù)方案可行，Ajisai衛(wèi)星的測(cè)角精度達(dá)到5″。

激光測(cè)距；照相天體測(cè)量；精度分析

空間碎片是人類航天活動(dòng)遺留在空間的廢棄物，它的存在嚴(yán)重威脅著在軌運(yùn)行航天器的安全。為了保障航天活動(dòng)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(cè)的新技術(shù)，增強(qiáng)對(duì)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(cè)手段的輔助和補(bǔ)充，地基光學(xué)觀測(cè)在空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用。地基光學(xué)觀測(cè)主要采用激光測(cè)距或光學(xué)測(cè)角方式。經(jīng)過40多年的發(fā)展，衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)在各方面都得到很大的提高，是空間大地測(cè)量中精度最高的技術(shù)之一。但常規(guī)激光測(cè)距是指對(duì)裝有角反射器的合作目標(biāo)進(jìn)行測(cè)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(cè)距只能依靠漫反射激光測(cè)距技術(shù)。因此，在空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，漫反射激光測(cè)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(cè)距試驗(yàn)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(cè)距測(cè)到了空間碎片的回波[1]，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)于2008年7月獲得了火箭殘骸的漫反射激光測(cè)距數(shù)據(jù)[2]，中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)也從2008年起開展漫反射激光測(cè)距研究，并于2010年6月收到火箭殘骸的回波[3]。試驗(yàn)表明，盡管現(xiàn)階段漫反射激光測(cè)距的成功率還有待提高，但只要測(cè)距成功，就可獲得優(yōu)于米級(jí)的測(cè)量精度，非常有利于空間目標(biāo)的監(jiān)測(cè)。

目前，漫反射激光測(cè)距尚處于試驗(yàn)階段，而且僅靠單臺(tái)設(shè)備獲得的短弧測(cè)距數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定軌，這在一定程度上制約了漫反射激光測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用。根據(jù)衛(wèi)星軌道理論，如果在測(cè)距的同時(shí)，能夠提供目標(biāo)的高精度切向約束，即高精度測(cè)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(cè)距和光學(xué)測(cè)角一體化的技術(shù)方案，即在現(xiàn)有激光測(cè)距系統(tǒng)上增加光學(xué)照相設(shè)備，在測(cè)距時(shí)進(jìn)行照相，利用照相視場(chǎng)內(nèi)的恒星實(shí)施目標(biāo)的測(cè)角，以達(dá)到空間目標(biāo)精密監(jiān)測(cè)的目的。為了檢驗(yàn)上述方案的可行性和實(shí)際效果，借助上海天文臺(tái)60 cm口徑激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，建立了一套一體化技術(shù)的試驗(yàn)平臺(tái)，并開展觀測(cè)試驗(yàn)。本文第1節(jié)介紹試驗(yàn)平臺(tái)的建立，第2節(jié)說明測(cè)角觀測(cè)資料的處理方法，第3節(jié)給出試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，最后為結(jié)束語。

1 觀測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)的建立

一體化技術(shù)觀測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)是以上海天文臺(tái)60 cm口徑激光測(cè)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(tái)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(guó)內(nèi)首次成功實(shí)現(xiàn)了空間碎片的激光測(cè)距，測(cè)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(tái)對(duì)原有目標(biāo)預(yù)報(bào)程序和望遠(yuǎn)鏡伺服跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。改造后的目標(biāo)軌道預(yù)報(bào)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(cè)距試驗(yàn)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(cè)建立了良好的條件[2]。

為了試驗(yàn)一體化觀測(cè)技術(shù)，在60 cm口徑激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)上加裝一臺(tái)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(chǎng)約為7.1°。圖1為試驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物照片。利用同一個(gè)望遠(yuǎn)鏡伺服跟蹤系統(tǒng)，在對(duì)目標(biāo)作激光測(cè)距時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的測(cè)角觀測(cè)。為了減小測(cè)距時(shí)激光后向散射光對(duì)測(cè)角中目標(biāo)星像的影響，在測(cè)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(cè)角設(shè)備的觀測(cè)圖像示例?？梢?，在望遠(yuǎn)鏡跟蹤目標(biāo)測(cè)距的情況下，目標(biāo)星像呈圓點(diǎn)形，恒星星像拖長(zhǎng)，利用視場(chǎng)內(nèi)的拖長(zhǎng)恒星星像，可以對(duì)目標(biāo)實(shí)施天文定位。

圖1 激光測(cè)距和光學(xué)測(cè)角一體化技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)

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

圖2 跟蹤Ajisai衛(wèi)星時(shí)的測(cè)角圖像示例，其中靠近視場(chǎng)中央的圓形星像為衛(wèi)星Ajisai星像，其它拖長(zhǎng)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(cè)角資料的處理

測(cè)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(zhǎng)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(duì)測(cè)角設(shè)備觀測(cè)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(zhǎng)影響，測(cè)角設(shè)備選用了短焦距、大視場(chǎng)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(cè)圖像的背景灰度分布具有較大起伏，特別是對(duì)于低仰角目標(biāo)的觀測(cè)，這種情況更加嚴(yán)重，而且，傳統(tǒng)的平場(chǎng)改正做法并不能完全消除觀測(cè)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(jì)算，有必要對(duì)觀測(cè)圖像作預(yù)處理。

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

勻的目的，之后，對(duì)每列像素作相同處理。

對(duì)于試驗(yàn)觀測(cè)圖像，預(yù)處理時(shí)多項(xiàng)式取到3階。表1列出一批觀測(cè)圖像(共100幅)的預(yù)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)，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(cè)圖像的預(yù)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)

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(cè)方向，計(jì)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(shí)改正，得到目標(biāo)的天文定位結(jié)果。

對(duì)于試驗(yàn)所用的大視場(chǎng)測(cè)角設(shè)備，視場(chǎng)畸變嚴(yán)重，按照通常做法，歸算時(shí)需要用到高階底片參數(shù)模型。但是，對(duì)于一體化觀測(cè)，恒星星像拖長(zhǎng)，星像中心的定位精度差；并且恒星的有效露光時(shí)間短(恒星在一個(gè)像素上停留的時(shí)間，通常短于0.1 s)，視場(chǎng)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(yàn)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(duì)恒星的跟蹤觀測(cè)，利用恒星星像在線性模型下的歸算殘差統(tǒng)計(jì)，得到視場(chǎng)畸變模式(圖4)。利用該模式校正所有觀測(cè)圖像，消除視場(chǎng)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(cè)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(cè)角視場(chǎng)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(cè)方向后，還需要扣除大氣折射的影響。與遙遠(yuǎn)天體不同，對(duì)近地空間目標(biāo)作大氣折射改正時(shí)，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(jì)算公式為：

p=510″.2tg(90°-H)sec(90°-H)/d

(1)

式中，H為目標(biāo)的觀測(cè)俯仰(°)；d為目標(biāo)至觀測(cè)臺(tái)站的距離(km)。

3 試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果

2012年7月至9月，利用以上海天文臺(tái)激光測(cè)距系統(tǒng)為基礎(chǔ)的試驗(yàn)平臺(tái)開展了激光測(cè)距和光學(xué)測(cè)角一體化觀測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康臑榭疾旒す鉁y(cè)距與測(cè)角一體化觀測(cè)的可行性，重點(diǎn)評(píng)估空間目標(biāo)的測(cè)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(cè)對(duì)象，其軌道高度為1 485 km，運(yùn)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(duì)測(cè)角星像的影響，因此測(cè)距和測(cè)角可同時(shí)進(jìn)行。

測(cè)角精度評(píng)估通過與Ajisai衛(wèi)星已知標(biāo)準(zhǔn)星歷的比對(duì)獲得。已知標(biāo)準(zhǔn)星歷取自觀測(cè)當(dāng)日國(guó)際激光測(cè)距服務(wù)發(fā)布的CPF預(yù)報(bào)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(jí)，對(duì)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(yàn)中測(cè)角的預(yù)估精度小一個(gè)量級(jí)，因此，CPF星歷可以作為測(cè)角精度外符合的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。表2列出觀測(cè)試驗(yàn)期間，Ajisai衛(wèi)星測(cè)角精度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，共計(jì)20圈次，其中σΔA*和σΔH分別表示方位和俯仰方向上，觀測(cè)值與星歷理論值之差(ΔAcosH和ΔH)的均方差。可見，對(duì)于Ajisai衛(wèi)星，方位方向上測(cè)角精度約為5.4″，俯仰方向上約為4.3″。

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

4 結(jié)束語

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

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

(2)提高目標(biāo)星像的測(cè)量精度：理想情況下，圓形目標(biāo)星像的測(cè)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(huì)降低目標(biāo)星像的測(cè)量精度，特別是采用大能量激光器觀測(cè)空間碎片時(shí)，激光后向散射光對(duì)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(cè)時(shí)刻的授時(shí)誤差：與常規(guī)恒星照相觀測(cè)不同，空間目標(biāo)的測(cè)角精度敏感于觀測(cè)時(shí)刻的授時(shí)精度，特別是對(duì)于運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的限制，快門打開和關(guān)閉時(shí)刻不可避免存在誤差，這也是影響目標(biāo)測(cè)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(shí)現(xiàn)照相觀測(cè)。

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

[1] Greene B, You G, Chris M, et al. Laser tracking of space debris[C]// Proceeding of 13th International Workshop on Laser Ranging Instrumentation,2002: 198-204.

[2] Zhang Zhongping, Yang Fumin, Zhang Haifeng, et al. The use of laser ranging to measure space debris[J]. Research in Astronomy and Astrophysics, 2012, 12(2): 212-218.

[3] 李語強(qiáng), 李祝蓮, 伏紅林, 等. 空間碎片漫反射激光測(cè)距試驗(yàn)[J]. 中國(guó)激光, 2011, 38(9): 160-164.

Li Yuqiang, Li Zhulian, Fu Honglin, et al. Experimentation of diffuse reflection laser ranging of space debris[J]. Chinese Journal of Lasers, 2011, 38(9): 160-164.

[4] 李儀芳, 劉景琳. 基于連通域算法的區(qū)域測(cè)量[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2008, 8(9): 2492-2494.

Li Yifang, Liu Jinlin. Measurement for area based on connected regions arithmetic[J]. Science Technology and Engineering, 2008, 8(9): 2492-2494.

[5] 于涌, 毛銀盾, 李巖, 等. 上海天文臺(tái)30 cm旋轉(zhuǎn)CCD漂移掃描望遠(yuǎn)鏡的天體測(cè)量精度分析[J]. 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)年刊, 2010, 31: 89-94.

Yu Yong, Mao Yindun, Li Yan, et al. Astrometric performance of the 30cm CCD-rotating drift-scan telescope of Shanghai astronomical observatory[J]. Annals of Shanghai Astronomical Observatory Chinese Academy of Sciences, 2010, 31: 89-94.

[6] Perryman M A C, Lindegren L, Kovalevsky J, et al. The hipparcos catalogue[J]. Astronomy and Astrophysics, 1997, 323(1): L49-L52.

[7] 陳國(guó)平, 何冰, 張志斌, 等. CPF星歷精度分析[J]. 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)年刊, 2010, 31:35-44.

Chen Guoping, He Bing, Zhang Zhibin, et al. Analysis of CPF Ephemeris’ Accuracy[J]. Annals of Shanghai Astronomical Observatory Chinese Academy of Sciences, 2010, 31: 35-44.

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(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)量. Email: yuy@shao.ac.cn