空间碎片激光测距与光学测角一体化观测试验*

于 涌，李 岩，毛银盾，曹建军，唐正宏，张忠萍

(中国科学院上海天文台，上海 200030)

空间碎片激光测距与光学测角一体化观测试验*

于 涌，李 岩，毛银盾，曹建军，唐正宏，张忠萍

(中国科学院上海天文台，上海 200030)

在空间碎片监测领域，漫反射激光测距技术具有更广泛的应用前景。目前，漫反射激光测距处于试验阶段，仅靠单台设备获得的短弧测距数据难以实现目标定轨，这制约了漫反射激光测距技术的应用。根据轨道理论，如果在测距的同时，能够提供目标的切向约束，可显著提高目标定轨的成功率和可靠性。提出激光测距和光学测角一体化技术的方案，以上海天文台60 cm激光测距望远镜系统为基础，通过增加短焦距、大视场的光学照相设备，建立一套激光测距与光学测角一体化的试验平台，并以Ajisai卫星为目标开展了观测。现阶段试验目的为，考察一体化观测的可行性，评估测角精度。结果表明，激光测距与光学测角一体化技术方案可行，Ajisai卫星的测角精度达到5″。

激光测距；照相天体测量；精度分析

空间碎片是人类航天活动遗留在空间的废弃物，它的存在严重威胁着在轨运行航天器的安全。为了保障航天活动的安全和航天事业的可持续性发展，必须不断发展空间目标跟踪监测的新技术，增强对空间碎片环境的分析和预警能力。

作为地基雷达观测手段的辅助和补充，地基光学观测在空间目标监测中发挥着重要作用。地基光学观测主要采用激光测距或光学测角方式。经过40多年的发展，卫星激光测距技术在各方面都得到很大的提高，是空间大地测量中精度最高的技术之一。但常规激光测距是指对装有角反射器的合作目标进行测距，而绝大部分的空间目标，如空间碎片、火箭残骸等，不携带角反射器，高精度的测距只能依靠漫反射激光测距技术。因此，在空间目标监测领域，漫反射激光测距技术具有更广泛的应用前景。近年来，多家研究机构开展了漫反射激光测距试验和研究。例如，2002年10月，澳大利亚EOS公司公布利用漫反射激光测距测到了空间碎片的回波[1]，中国科学院上海天文台于2008年7月获得了火箭残骸的漫反射激光测距数据[2]，中国科学院云南天文台也从2008年起开展漫反射激光测距研究，并于2010年6月收到火箭残骸的回波[3]。试验表明，尽管现阶段漫反射激光测距的成功率还有待提高，但只要测距成功，就可获得优于米级的测量精度，非常有利于空间目标的监测。

目前，漫反射激光测距尚处于试验阶段，而且仅靠单台设备获得的短弧测距数据难以实现目标定轨，这在一定程度上制约了漫反射激光测距技术的应用。根据卫星轨道理论，如果在测距的同时，能够提供目标的高精度切向约束，即高精度测角信息，则可以显著提高目标定轨的成功率和可靠性。经过分析研究，提出激光测距和光学测角一体化的技术方案，即在现有激光测距系统上增加光学照相设备，在测距时进行照相，利用照相视场内的恒星实施目标的测角，以达到空间目标精密监测的目的。为了检验上述方案的可行性和实际效果，借助上海天文台60 cm口径激光测距望远镜系统，建立了一套一体化技术的试验平台，并开展观测试验。本文第1节介绍试验平台的建立，第2节说明测角观测资料的处理方法，第3节给出试验观测结果，最后为结束语。

1 观测试验平台的建立

一体化技术观测试验平台是以上海天文台60 cm口径激光测距望远镜系统为基础建立起来的。2008年7月，上海天文台利用该望远镜系统，通过关键技术研究，采用40 W功率激光器(2J@20 Hz, 532 nm)在国内首次成功实现了空间碎片的激光测距，测距精度达到60～80 cm，目标距离远至900 km。2010年，上海天文台对原有目标预报程序和望远镜伺服跟踪系统进行了升级改造。改造后的目标轨道预报精度小于1 km，望远镜伺服跟踪精度优于1″，并配备了更加稳定的10 W激光器(1J@10 Hz, 532 nm)，这使得空间碎片激光测距试验系统的性能进一步提升，为开展更小尺寸、更远距离的空间碎片观测建立了良好的条件[2]。

为了试验一体化观测技术，在60 cm口径激光测距望远镜系统上加装一台口径10 cm、焦距30 cm的光学镜头，配备Apogee U9000 CCD相机。CCD阵列大小为1 528 pixel×1 528 pixel，像素尺寸为0.024 mm，有效视场约为7.1°。图1为试验平台的实物照片。利用同一个望远镜伺服跟踪系统，在对目标作激光测距时实现目标的测角观测。为了减小测距时激光后向散射光对测角中目标星像的影响，在测角相机靶面之前安装一块532 nm带阻滤光片。图2为跟踪AJISAI卫星情况下，测角设备的观测图像示例。可见，在望远镜跟踪目标测距的情况下，目标星像呈圆点形，恒星星像拖长，利用视场内的拖长恒星星像，可以对目标实施天文定位。

图1 激光测距和光学测角一体化技术试验平台

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

图2 跟踪Ajisai卫星时的测角图像示例，其中靠近视场中央的圆形星像为卫星Ajisai星像，其它拖长星像为恒星星像

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 测角资料的处理

测角资料处理过程主要包括图像预处理、星像提取和参考星匹配、目标天文定位等步骤。其中，星像提取采用“连通域法”[4]，参考星匹配采用“弧长匹配方法”[5]。参考星表为Hipparcos星表[6]，每幅图像上的参考星数量平均约为80颗。针对测角设备观测图像的特殊性，本节主要介绍图像预处理和目标天文定位过程。

2.1 图像预处理

为了降低恒星星像的拖长影响，测角设备选用了短焦距、大视场望远镜。在月光、薄云和天空背景光等不良条件影响下，CCD观测图像的背景灰度分布具有较大起伏，特别是对于低仰角目标的观测，这种情况更加严重，而且，传统的平场改正做法并不能完全消除观测图像的背景不均匀性。这非常不利于后续的星像提取和星像中心计算，有必要对观测图像作预处理。

图像背景的不均匀主要占据了整个场景图像的低频空间，根据这一特点，采用对CCD图像逐行、逐列多项式拟合的方法，该方法可描述为：对CCD图像每行像素，采用多项式拟合像素强度值与像素序号的关系，多项式的阶数视情况而定。将每行像素强度值除以多项式拟合值，达到消除背景不均

匀的目的，之后，对每列像素作相同处理。

对于试验观测图像，预处理时多项式取到3阶。表1列出一批观测图像(共100幅)的预处理结果统计，包括这批图像预处理前后背景均方差的平均值。可见，经过预处理，图像的背景起伏可降低至原来的约1/3。仍以图2示出的图像为例，图3为相应的预处理后图像。不难看到，图像背景的不均匀起伏得到有效消除，星像的信噪比明显增强。

表1观测图像的预处理结果统计

Table1Statisticsoftheimagesbeforeandafterthepreprocessing

图像数目背景均方差的均值预处理前预处理后100幅7.5ADU2.7ADU

2.2 目标天文定位

目标天文定位的过程是将参考星由星表位置转换至地平坐标系中的观测方向，计算参考星的地平理想坐标；选定合适的底片参数模型，联合参考星的量度坐标和地平理想坐标确定底片模型参数；将模型作用于目标的量度坐标，并经过大气折射改正和光行时改正，得到目标的天文定位结果。

对于试验所用的大视场测角设备，视场畸变严重，按照通常做法，归算时需要用到高阶底片参数模型。但是，对于一体化观测，恒星星像拖长，星像中心的定位精度差；并且恒星的有效露光时间短(恒星在一个像素上停留的时间，通常短于0.1 s)，视场内的恒星数目有限，容易造成定标星在目标周围的分布不均匀，这都不利于高阶底片模型参数的解算。在试验期间，考虑到CCD相机和光学镜头通过卡口固定连接，CCD图像上的畸变模式保持稳定，因此事先通过对恒星的跟踪观测，利用恒星星像在线性模型下的归算残差统计，得到视场畸变模式(图4)。利用该模式校正所有观测图像，消除视场畸变的主要部分。最后再用低阶模型进行归算，得到目标的观测方向。

图3 预处理后的图像示例(图2为原始图像)

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

图4 测角视场的畸变形式，其中“×”表示无效区域

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

得到目标的观测方向后，还需要扣除大气折射的影响。与遥远天体不同，对近地空间目标作大气折射改正时，折射视差角的影响为数角秒，不可忽略。标准状况下(气温0 ℃，气压1 013.25 mb)的折射视差角p计算公式为：

p=510″.2tg(90°-H)sec(90°-H)/d

(1)

式中，H为目标的观测俯仰(°)；d为目标至观测台站的距离(km)。

3 试验观测结果

2012年7月至9月，利用以上海天文台激光测距系统为基础的试验平台开展了激光测距和光学测角一体化观测试验。试验目的为考察激光测距与测角一体化观测的可行性，重点评估空间目标的测角精度。为此，选择装有角反射器的合作目标Ajisai卫星作为观测对象，其轨道高度为1 485 km，运行周期为116 min。532 nm带阻滤光片的安装可消除大部分激光后向散射光对测角星像的影响，因此测距和测角可同时进行。

测角精度评估通过与Ajisai卫星已知标准星历的比对获得。已知标准星历取自观测当日国际激光测距服务发布的CPF预报星历，相关文献研究表明[7]， Ajisai卫星的CPF星历精度优于米级，对于斜距2 000 km以上的目标来说，在方向上的影响小于0.5″，这比一体化试验中测角的预估精度小一个量级，因此，CPF星历可以作为测角精度外符合的评定标准。表2列出观测试验期间，Ajisai卫星测角精度的统计结果，共计20圈次，其中σΔA*和σΔH分别表示方位和俯仰方向上，观测值与星历理论值之差(ΔAcosH和ΔH)的均方差。可见，对于Ajisai卫星，方位方向上测角精度约为5.4″，俯仰方向上约为4.3″。

表2 Ajisai卫星的测角精度Table 2 Precisions of the direction measurements of the satellite Ajisai

4 结束语

以中国科学院上海天文台60 cm口径激光测距望远镜系统为基础，通过增加短焦距、大视场的光学照相设备，建立一套激光测距与光学测角一体化的观测试验平台，并以Ajisai卫星为目标开展了观测试验。结果表明，激光测距与光学测角一体化方案可行，在现有试验条件下，Ajisai卫星的测角精度达到5″。在后续工作中，将在如何提高目标测角精度上作进一步的探讨和试验，主要包括：

(1)提高参考星构成的测角坐标框架精度：激光测距时望远镜保持跟踪目标，测角图像中恒星星像拖长，而恒星星像的测量误差是决定测角坐标框架精度的主要因素。因此，需要改进拖长恒星星像的定心算法，提高参考星星像的测量精度。

(2)提高目标星像的测量精度：理想情况下，圆形目标星像的测量精度优于0.1 pixel(～1.7″)，但是由图3可见，目标星像附近仍有残余激光束的成像，表明目前采用的带阻滤光片不能阻挡全部激光后向散射光的入射。激光束的存在会降低目标星像的测量精度，特别是采用大能量激光器观测空间碎片时，激光后向散射光对星像定位的影响将更加严重。一方面，需要采用优化的背景去除算法，削弱激光束的影响；另一方面，选用更合适的滤光设备，进一步削弱激光后向散射光的入射。

(3)消除观测时刻的授时误差：与常规恒星照相观测不同，空间目标的测角精度敏感于观测时刻的授时精度，特别是对于运动速度快的低轨目标(500 ″/s～1 000 ″/s)，其影响更加明显。Apogee U9000相机采用机械快门，受到机械运动的限制，快门打开和关闭时刻不可避免存在误差，这也是影响目标测角精度的原因。在后续工作中，拟修改CCD相机控制程序，在保持快门常开状态下，利用电子快门实现照相观测。

致谢：感谢上海天文台“卫星激光测距技术和应用”研究团组和佘山站观测助手邢雷在观测期间的协助。

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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

国家自然科学基金 (11003038)；上海市空间导航与定位技术重点实验室 (06DZ22101) 资助.

2012-11-02；修定日期：2012-12-24

于 涌，男，博士. 研究方向：天体测量. Email: yuy@shao.ac.cn