全天时星敏感器导航星星库的建立

吴峰，朱锡芳，相入喜，蒋小燕，吴涛，缪志康

(1.常州工学院电气与光电工程学院,江苏 常州 213032；2.常州工学院，江苏 常州 213032)

0 引言

星敏感器通过识别视场内的恒星，为飞行器提供高精度的姿态信息。全天时星敏感器可以适应白天或晚上的不同背景光照，不受天气环境影响，具有精度高、隐蔽性好、稳定性强、抗电磁干扰性强、对地面依赖少等优点，在飞机、导弹、船舶和高空气球等近地面飞行器的姿态导航应用中，显著优于其他导航设备，受到越来越广泛的关注，成为星敏感器发展的重要方向[1-2]。

星敏感器测量姿态的基本方法是将观测星和导航星匹配，从而识别观测星。建立导航星星库是星敏感器设计过程中的一项重要工作，导航星数据是研究星图识别算法、姿态估算算法和光学系统参数选择等的必备前提[3]。针对航天应用的星敏感器，国内外已提出多种性能优良的导航星星库建立方法。如陆敬辉等[4]提出一种基于极坐标细分法及距离-星等加权法相结合的导航星选取方法，获得了分布均匀性良好的导航星库。陈雪芬等[5]通过区域分割和星密集度计算优选导航星，提出基于ITSI导航星的优选算法，降低了星库冗余性。为了解决大气层内天空背景辐射强的难题，提高恒星目标对比度，全天时星敏感器工作于近红外波段[6]。现有建立导航星库的方法大多以SKY2000、SAO等可见光波段的星表为原始数据选择导航星。在美国航空航天局和美国国家科学基金会资助下建立的2MASS(two micron all sky survey)星表提供了近红外波段的恒星数据[7]，其数据结构与上述星表有很大差异。目前基于红外星表建立全天时星敏感器导航星库方法的公开报道，还比较少见。

本文选择2MASS为导航星数据源，在分析该星表特点和数据结构的基础上，探讨处理J、H、K波段双星、变星等的策略，提出选用双星为导航星的思想，给出建立全天时星敏感器导航星库的方法，促进全天时星敏感器星图识别等后续技术的深入研究。

1 2MASS星表及数据结构分析

2MASS星表是1997—2001年由美国弗雷德·劳伦斯·惠普尔天文台和智利托洛洛山美洲天文台联合观测得到的天体数据，观测波段分为J、H、K3个波段，中心波长分别为1.235 μm、1.662 μm、2.159 μm。星库包含约4.71亿颗恒星，提供每颗星的名称、位置、星等、光谱等总计60种属性数据，部分属性如表1所示。表中赤经和赤纬表示纪元J2000恒星在国际天球参考系ICRS(international celestial reference system)中的位置。2MASS星表给出了J、H、K3个波段的默认星等，这些星等值是通过拟合算法处理观测星图计算得到的，存在一定的误差。属性rd(read flag)和bl(blend flag)表示星等的不确定度。rd属性表示星等不确定的原因。当rd=1～3时，星等误差小。bl给出了与该星位置相互重叠的星的数量。bl=0表示未探测到该星。cc(contamination and confusion flag)是表示该观测结果受到伪星或其他光源影响情况的标志，只有当cc=0时，该观测数据不受影响。

表1 2MASS星表恒星数据

2 导航星选择与星库建立方法

2.1 导航星选择与双星等效星计算

星敏感器通过比对观测星和导航星的特征，开展星图识别，确立观测星在惯性坐标系中的位置，从而测量飞行器的姿态。导航星星等应不高于极限星等，具有确定的亮度和位置。为此，考虑以下方面，选择导航星。

首先，考虑星等。根据星敏感器的探星灵敏度，做星等阈值处理，剔除星等高于极限星等的暗星。

其次，考虑变星。2MASS星表给出了各星的默认星等，但未指明哪些星为变星。为此，选用较高确定度并受其他因素干扰小的恒星，选择rd=1～3、cc=0的星作为候选星。

再次，考虑双星。在星敏感器研究中，双星是指星像相互重叠的2颗星，双星的判定与观测系统的角分辨率有关。由于2颗星的星像合为一体，对于星敏感器来说，它们相当于1颗星，本文称之为等效星。计算出等效星等和等效位置后，也可将等效星作为导航星。计算等效星的方法如下。

设双星星等分别为m1和m2，赤经和赤纬分别为(α1，δ1)和(α2，δ2)，方向余弦分别为V1=[cosα1cosδ1，sinα1cosδ1，sinδ1]T和V2=

[cosα2cosδ2，sinα2cosδ2，sinδ2]T，等效星等为m0，方向余弦为V0，可得等效星等为

(1)

等效星所在位置的方向余弦为

(2)

设V0在惯性坐标系3个轴向上的分量分别为V01、V02和V03，那么等效星的赤经和赤纬分别为

δ0=arcsinV03

(3)

(4)

图1 建立导航星库的流程图

如果有多颗星星像重叠，那么先将2颗星作为双星，计算其等效星等和位置。然后再将等效星与另外1颗星组合成新的双星，按公式(1)—(4)计算等效星等和位置，如此重复，得到它们的等效星等和位置。

2.2 导航星表建立

本文从2MASS星表中筛选全天时星敏感器导航星，分3步，流程图如图1所示，其中id用于计数，Nmax表示2MASS星表的总星数，GSC表示导航星库。

步骤1：建立初始星库，设为OSC(original star catalog)。由于我们设计的全天时星敏感器极限星等约4等，为尽量减少后续处理数据量，并适用于多种极限星等和波段，选取星等阈值Mth为7等。这样，即使用于等效星计算的双星中存在超过7等的星，等效星等和位置的计算误差也忽略不计。

通过遍历星表，检查每颗星数据。在J、H、K波段内，若至少有1个波段的默认星等不大于Mth，rd=1～3,bl≠0,cc=0，则选择该星为候选星。记录它们的星号，赤经，赤纬，J、H、K波段的默认星等，不确定度和bl属性。按此处理星表，得到初始星库，该星库保留了3个波段的数据。

步骤2：处理OSC，建立分别对应J、H、K 3个波段双星数据库，设为BSCJ、BSCH、BSCK。根据全天时星敏感器的光谱波段和角分辨率，设定分辨率门限θth，统计该波段中相互角间距小于θth的所有星，将它们组成星组，并计算等效星等和位置。在相应MSC中，记录等效赤经、等效赤纬、等效星等，并取星组中最小的星号为等效星星号。

从OSC中去除双星后，余下的数据组成单星库，设为SSCJ、SSCH、SSCK。

步骤3：建立导航星星库。根据全天时星敏感器的光谱波段和观星灵敏度，设对应波段的极限星等为Mv。下面以J波段为例，说明导航星星库建立过程。先处理SSCJ，逐个检查SSCJ每颗星的数据，当默认星等与不确定度之和不大于Mv时，提取该星的星号、赤经、赤纬、J波段默认星等。然后，处理BSCJ，逐个检查等效星数据，当等效星等不大于Mv时，提取等效星号、等效赤经、等效赤纬、J波段等效星等。两部分数据合并，并按赤纬由小到大排序各星数据，得到导航星星库。

3 导航星库结果及分析

在保留变星、双星的情况下，统计得到2MASS星表中恒星按星等的分布如表2所示，对照SAO星表的统计数据可见，近红外波段恒星远多于可见光波段，长波段多于短波段。

表2 星表星数统计 颗

以下以J波段为例，给出建立导航星库的结果。按照上节导航星库建立方法，经过步骤1处理J波段恒星，得到候选星约1.3万颗。根据设计经验[8]，估算星敏感器角分辨率。设视场角为6°×6°，焦平面探测器像元数为1 024×1 024个，星像占据3×3个像元区域，那么当2颗星的星像中心相距3个像元时，星敏感器恰好能分辨开，相应角分辨率为6°/(1 024×3)≈0.02°。按照步骤2，统计得到双星共为515组。再经过步骤3处理，得到不同极限星等的导航星库情况如表3所示。可见，随着极限星等的增高，可用作导航星的双星数目逐渐增加。将双星添作导航星，有利于弥补部分天区导航星不足的缺陷，保障星图识别的顺利开展。在可见光波段，当极限星等为5.2等时，导航星约1 500余颗，星敏感器视场角约为20°×20°。对比表3，当极限星等为4等时，J波段导航星总数达到6 156颗。可见，在满足星图识别所需导航星捕获概率的条件下，全天时星敏感器可选较低的极限星等(相当于较小口径)或较小的视场角。

表3 J波段不同极限星等的导航星数 颗

4 结语

全天时星敏感器工作于近红外波段，具有抗背景辐射强，白天和黑夜都能工作的特点。J、H、K近红外波段的恒星数量远多于可见光波段，有利于全天时星敏感器导航星的选择。在满足导航星数量的前提下，可有效降低全天时星敏感器对口径和视场的要求，降低系统设计难度。

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[4]陆敬辉,王宏力,袁宇,等.均匀快速的导航星选取方法[J].红外与激光工程,2015,44(1):348-353.

[5]陈雪芬,康国华.基于ITSI优选算法的星敏感器导航星库建立[J].传感技术学报,2015,28(3):381-386.

[6]潘越,王虎,荆楠,等.全天时星敏感器光学系统参量选择与光学设计[J].光子学报,2016,45(1):157-163.

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[8]吴峰.自主导航星敏感器关键技术的研究[D].苏州：苏州大学,2012.