近地空间全天时星敏感器技术现状及发展综述

2020-09-10张辉周向东汪新梅田宏

航空学报 2020年8期

关键词：视场光学恒星

张辉，周向东，汪新梅,3，田宏

1.中国科学院光电技术研究所，成都 610209

2.中国科学院空间光电精密测量技术重点实验室，成都 610209

3.中国科学院大学，北京 100049

星敏感器是一种以恒星为参考源的姿态测量设备，因具备自主性好、被动测量隐蔽性好、抗电磁干扰能力强、定姿定向精度高、误差不随时间累积等优势，成为卫星、导弹、舰船和飞机等平台姿轨控系统不可缺少的姿态测量设备之一。

星敏感器技术的研究始于20世纪50年代，早期基于光电倍增管的框架式星跟踪器在舰船、导弹等平台得到成功应用；20世纪70年代电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)的出现以及集成电路的发展，促使固定探头星敏感器技术得到快速发展；20世纪90年代大规模集成电路技术和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)加工工艺的日趋成熟，使CMOS APS(Active Pixel Sensor)星敏感器在卫星等平台得到成功应用。总之，星敏感器在大气层外太空环境以及大气层内晴好夜空环境平台上得到广泛应用。然而，在近地空间大气层内，由于白天强烈天空背景光的干扰，全天时星敏感器技术发展和应用受限。

本文介绍了近地空间全天时星敏感器的基本工作原理及国内外研究现状，分析并概括了全天时星敏感器实现的主要技术途径，最后梳理了下一步研究方向。

1 近地空间全天时星敏感器工作原理

星敏感器以恒星为参考源，经过光电成像、星点提取、质心计算、星图识别及姿态确定等步骤，最终获取姿态信息。近地空间全天时星敏感器工作原理如图1所示。与星载星敏感器不同，近地空间全天时星敏感器工作在大气层内，一方面大气会衰减来自恒星的辐射，导致信号减弱；另一方面大气散射太阳辐射、大气和地表的热辐射，形成天空背景辐射。因此，在白天强天光背景下，提高恒星背景对比度，实现对暗弱恒星目标的探测是全天时星敏感器的关键问题。

图1 近地空间全天时星敏感器工作原理示意图

2 国外研究现状

20世纪50年代，美国等国家就已经开始昼夜星体跟踪器技术的研究。目前，美国、意大利等国家针对舰船、地面望远镜、飞机以及高空气球等平台的应用，研发了多种型号的全天时星敏感器。下面对国外有代表性的产品及应用情况进行介绍。

2.1 海基平台应用

2005年，美国Microcosm公司针对航天器平台，研发了MicroMak微型星敏感器[1]，采用三视场共孔径结构，3个4°×4°方视场与孔径中心轴夹角均为30 °，视场间方位夹角为120°，分别成像于3个面阵探测器上，其光学系统结构紧凑，重量不到100 g。MicroMak的三视场共孔径光学结构如图2所示。DayStar星敏感器是MicroMak的衍生产品，采用3个独立的望远镜，每个望远镜口径均为76.2 mm，其结构如图3所示[2]。2006年3月，Microcosm公司宣布该系统白天在海平面能拍摄到7.1等恒星；在观测时间段内几乎都能观测到恒星，基本上可以持续更新姿态和导航。

图2 三视场共孔径MicroMak[1]

图3 DayStar敏感器[2]

2.2 陆基平台应用

意大利国家天体物理学院射电天文学院研发了一款ST(Star Tracker)星跟踪器[3]，安装在32 m射电望远镜上，旨在建立精确指向模型和对天线进行动态跟踪。其光学系统使用Maksutov-Cassegrain结构折反望远镜，口径为180 mm，焦距为1 800 mm,视场为19.5′×19.5′；采用FingerLake CM9-1E型帕尔帖冷却型相机，CCD型号为KAF-0261E(像素规模为512×512像素，像素大小为20 μm×20 μm)，满阱电荷为500 ke-。ST在夜晚对暗星的观测，可以通过增加积分时间实现：当用10 s曝光时，可探测到亮于12等的恒星(信噪比S/N>20)。ST在白天进行观测时，需在CCD相机正前方加入近红外滤光片。图4为使用了Planet IR PRO 807滤光片、10 ms曝光条件下对金星的观测结果，观测时刻为7月25日15:00 UT，此时金星为-3.6等星。

图4 使用Planet IR PRO 807的金星图像[3]

2.3 飞机平台应用

大约从20世纪60年代开始，飞机平台就开始使用恒星辅助惯性导航系统[4-8]，例如美国ANS天文/惯性导航系统[5]、NAS系列导航系统[6]以及LN-120G高精度综合导航系统[8]等。

1) 美国NAS-26星跟踪器

美国Northrop Grumman公司从20世纪50年代开始天文/惯性导航系统的研发，1977年第四代导航系统NAS-26成功进行了飞行试验[6]。NAS-26关键部件是天文惯性仪器：一个三框架参考平台，带一个集成的两自由度星跟踪器。星跟踪器采用光电倍增管作为敏感元件，望远镜筒直径为50.8 mm，镜筒长度为63.5 mm，瞬时视场为40″。其内部星表有61颗导航星，同一观测时刻至少有2颗星可选用，大多为6～10颗。跟踪星的选取需要满足12.5°太阳规避角以及3°大行星以及月亮规避角等条件。星跟踪器对选出的恒星进行螺旋形搜索(如图5所示)，并根据恒星星等以及测量得到的天空背景亮度设置扫描速率，最终确认目标恒星。试验结果表明：星跟踪器可以分别在8 000 fL(foot-lamberts, 1 fL=3.426 cd/m2)和430 fL天空背景，观测到-1.46等和+3.5等的恒星；在任何高度能实现全天时每分钟平均跟踪3颗星，并以此对惯性平台进行误差校正；最终得到恒星指向测量标准差优于3 ″。该导航系统曾经装备在美国B-1、B-2隐形战略轰炸机上，并得到成功应用。

图5 NAS-26星跟踪器搜索方式[6]

2) 美国LN-120G星跟踪器

美国Litton公司(2001年被Northrop Grumman公司收购)对天文惯性导航系统的研究始于1961年，并于1963年研发了白天星跟踪器。1975年，美国空军开始使用LN-20系统[7]。天文导航模块采用框架式小视场星跟踪器,望远镜采用改进型卡塞格林反射系统，主镜口径为95.3 mm，焦距为347.2 mm，瞬时视场约6′，光学原理如图6所示。选用EEV P86000 CCD阵列作为传感元件(385像素×288像素，22 μm×22 μm)，满阱电荷为400 ke-；由于视场很小，仅使用30×30像素大小的面阵，像元分辨率为13″。星跟踪器内置57颗星的导航星表，包含2.5等或更亮的恒星。系统积分时间为10 ms，可以探测到2.5等星(1 000 fL天空背景)和0.8等星(3 000 fL天空背景)。天文惯性基准单元顶部是一个直径228.6 mm的扁平石英窗，星跟踪器可在俯仰角35°～85°范围内扫描。2006年系统升级换装成LN-120G综合导航系统，2007年5月，Northrop Grumman公司向美空军交付首套LN-120G生产型系统，后又交付30套该系统用于装备RC-135系列飞机。LN-120G导航系统可进行昼夜跟踪恒星，利用恒星信息改进惯导的位置信息，为飞机提供的航向精度可达20″；星惯模式定位精度为900 m/h(CEP)[8]。

图6 LN-20星跟踪器光学原理图[8]

2.4 高空气球应用

高空气球平台是一种低成本、可靠的科学研究平台。气球平台及有效载荷都需要全天时的高精度姿态信息。

1) 美国HERO星相机

20世纪末，美国NASA的Marshall Space Flight Center为新一代硬X射线望远镜HERO(High Energy Replicated Optics)系统研发了一款星相机 (如图7所示)，用于在35～42 km 的高空进行气球实验[9-10]。该相机选用Kodak KAF 1401e CCD探测器(1 340像素×1 037像素，6.8 μm ×6.8 μm)。选择商用Nikon IF ED镜头及自制遮光罩,光学口径为64.29 mm，焦距180 mm，视场为2.84°×2.23°；使用了Wratten #25 Red filter滤光片，工作波段为610～1 000 nm。为减少来自太阳、明亮天空和被照亮气球的杂散光，设计遮光罩长度为2.86 m，包含9个内部挡板以减少内部反射，实现对来自视场外部光的衰减达到6.23×10-6。HERO系统2000年和2001年飞行试验结果表明：实际观测极限星等达到8.77等，指向精度达10″。

图7 HERO星相机单元[9]

2) 美国BLAST星相机

21世纪初，美国宾夕法尼亚大学和加拿大多伦多大学等多家单位在NASA的资助下，联合研制了气球平台大口径亚毫米望远镜BLAST(Balloon-borne Large-Aperture Submillimeter Telescope)，其上使用了一对冗余星相机ISC和OSC进行精确定位[11]。ISC使用Qimaging PMI1401相机、Kodak KAF-1401 CCD探测器(1 312像素×1 024像素， 6.8 μm×6.8 μm)，满阱电荷为45 ke-；OSC使用Qimaging Retiga EXi相机、SonyICX285 CCD探测器(1 360像素×1 036像素，6.45 μm×6.45 μm)，满阱电荷为18 ke-。PMI 1401具有更深的像素阱，因此ISC相机适合在亮背景条件下探测恒星；RediGa EXI具有更大的系统增益(bit/e-),因此OSC在暗光条件下更敏感。两个星相机的光学镜头都使用Nikon lens，口径为100 mm，焦距为200 mm，视场为2°×2.5°。使用Nikon R60 filter滤光片，将600 nm以下波段截止，工作波段为600～850 nm。遮光罩长度1.22 m，遮挡大于7°的直接入射光，内部几何结构消除大于10°的初级反射光。星相机装配结构如图8所示。BLAST于2003—2007年间进行了3次飞行试验，结果表明在典型白天条件下，ISC可观测9等恒星，可提供绝对姿态指向精度<5″、数据更新率为1 Hz的实时定位信息。

图8 BLAST星相机组件机械图[11]

3) 美国EBEX星相机

EBEX(The E and B Experiment)是一个气球平台望远镜，用于探测宇宙微波背景中的偏振信号。EBEX的姿控系统包含两个冗余的星相机XSC0和XSC1，用来实现三轴姿态的绝对、高精度测量[12]。美国哥伦比亚大学、JPL以及英国卢瑟福实验室等多家单位联合设计了该型星相机。星相机选用Redlake Megaplus II 1603相机，使用Kodak KAF-1603E CCD探测器(1 536像素×1 024像素， 9 μm×9 μm)，满阱电荷为100 ke-。光学镜头为Canon镜头，口径为111 mm，焦距为200 mm，视场为4.05°×2.70°。星相机使用了Hoya 25A 红光滤光片，截止波长为600 nm。气球飞行高度在32～40 km之间，天空背景仍然较亮。2013年1月完成了南极科学数据收集飞行任务，星相机输出数据频率较低，周期40～100 s，姿态精度为横偏角约1.5″，滚动角约48″。图9为XSC1三维模型剖面图。

图9 XSC1三维模型剖面图[12]

4) 美国WASP平台星敏感器

美国NASA沃洛普斯飞行实验室研发了一个气球载角秒级精度定向平台WASP(Wallops Arc Second Pointer)。2011—2014年间共进行了5次测试飞行试验，对32 km高度的WASP平台上的DayStar星敏感器和CARDS(Celestial Attitude Reference and Determination System)星敏感器的性能都进行了验证。

美国NASA探空火箭常用ST5000星体跟踪器，其主要技术参数为：采用768×484面阵CCD探测器，光学口径52.6 mm，焦距50 mm，视场5°×7°，能够在太空环境中探测8等星，数据更新率为10 Hz，俯仰和偏航姿态精度为0.5″，滚动精度为10＂(RMS)。2011年5月，在平流层的高空气球测试实验结果表明：ST5000夜间姿态测量精度为俯仰0.24″、偏航0.53″；而在日出前30分钟探测器饱和，无法实现白天姿态测量。DayStar星敏感器是由科罗拉多大学设计完成的，旨在30 km高度提高ST5000的白天测星能力。其设计参数为：选用Fairchild Imaging的CIS2051科学级CMOS传感器，光学口径为117.5 mm，视场为6.26°×5.28°，采用Wratten Deep Red 620 nm长波通滤光片，预估白天平台指向精度为0.145″。其测试飞行件使用了Olympus镜头，口径为75 mm，焦距为150 mm，如图10所示。2012年9月，试飞结果表明：DayStar星敏感器在与太阳垂直方向上，白天能看到3颗星，并没有达到预期目标[13-14]。

图10 DayStar试飞用Olympus相机镜头[14]

CARDS星敏感器采用Sony ICX674 CCD传感器(1 936像素×1 456像素，4.54 μm×4.54 μm)，光学镜头口径60.7 mm，焦距为85 mm，视场为5.9°×4.4°，使用了650 nm长波通滤光片，遮光罩保护角20°。实物如图11所示。在2014年10月飞行试验中，CARDS星敏感器提供了星等为3.9的恒星的跟踪单位矢量，并提供了白天观测4.3等星的星图，为WASP控制系统提供了低成本的姿态输入解决方案[15]。

图11 CARDS白天星敏感器[15]

2.5 其他全天时星敏感器技术

1) OWLS星敏感器

早在20世纪80年代末，美国Northrop Grumman公司提出了1种光学广角镜头星体跟踪器(Optical Wide-angle Lens Startracker, OWLS)方案，其光学广角镜头采用全息照相镜头[16-17]。OWLS采用经过多次曝光在全息片中形成的全息光学元件(Holographic Optical Elements, HOE)得到多视场望远镜，每一个望远镜都能全口径接收信号,这种透镜系统可以通过光刻工艺进行加工实现。图12给出了1种简单的OWLS系统示意图，每个视场透镜指向空间的某一方向，并将该方向的星光聚焦至1个CCD焦平面阵列；焦平面中使用的传感器数目取决于天空背景亮度。对于工作在18 km以上的飞行器，天空背景噪声大大降低，可以使用较少焦平面传感器。设计了适用于高空的包含3个嵌入式望远镜的OWLS，每个视场为3°×3°，具备5等星的探测能力，因此在总视场中平均只有两颗星(3°×3°×3个望远镜×0.075颗星/度2)，将3个望远镜聚焦在1个百万像素的焦平面上是可行的。该系统能够为飞机的惯导系统提供角秒量级水平的指向。Northrop Grumman公司认为OWLS在舰船、商用飞机、巡航导弹、战略飞机、遥感飞行器、超音速飞行器等领域具有广泛的应用前景。

图12 多焦面聚焦单片全息透镜[16]

2) Mini-OWLS

1993年，美国Northrop Grumman公司提出了一种微型光学广角镜头星跟踪器(Miniature OWLS, Mini-OWLS)概念设计[18]，如图13所示。Mini-OWLS的星跟踪器的功能是测量3个垂直载体轴上的姿态漂移。它由3个宽视场斯密特望远镜组成，3台望远镜共用1个复用HOE，可以在无转动机构的条件下实现对多个不同方向星光的同时探测。每个望远镜的视场为4°×4°，方位相隔120°，与天顶方向夹角30°，构成1个48平方度的视野，全部嵌入到1个外壳中。Mini-OWLS光学镜头体积小于20 cm3，重量小于55 g，工作波段为可见光或附近波段，波段宽度约300 nm。星跟踪器分辨率预估为5″～10″，取决于所用质心算法。Mini-OWLS是1种小型、轻量化、低成本、高性能的星体跟踪器，可用于多种平台实现对惯性测量单元校准和对准等。

图13 Mini-OWLS三视场复用斯密特望远镜[18]

3) 美国Daytime Stellar Imager

2008年，美国Trex Enterprises公司提出1种通过观测恒星的K或H波段近红外光来进行昼夜导航的全天时星相机，并给出两种优选方案，如图14所示[19]。一种是多孔径方案，采用3个相对大口径望远镜刚性安装在载体平台上，与垂直方向均成45°、方位互成120°，视场均为0.4°×0.5°；采用3个 320×256面阵的InGaAs探测器相机实现同步测量。通常亮度大于6.4等(H波段)的恒星可用，导航系统定位精度可达30 m。该方案设备较大、较重，体积约1 m3，重约27 kg，但是没有运动部件，可靠性高，适用于舰船和飞机等平台。第2种是小孔径跟踪式方案，望远镜口径通常小于100 mm。为解决口径减小带来的信噪比降低、探测能力减弱问题，可采用两种技术进行补偿：一是采用两轴精密转台实现对15°×15°范围内的亮星观测；二是选用低读出噪声的探测器，积分时间很短时，探测器噪声成为主要噪声来源。该方案在机械结构上比多孔径方案复杂，但体积较小、重量较轻，特别适用于飞机和导弹的导航制导系统。

图14 Trex公司白天星相机[19]

3 国内研究现状

国内于20世纪90年代初开始空间目标的白天探测技术研究工作，多基于面阵CCD图像传感器，采用长焦距、大口径光学镜头以及光谱滤波方法，实现了白昼条件下对恒星目标的探测[20-22]。近年来，国内多家科研院所和高校也都围绕飞机、临近空间飞行器等平台应用开展了全天时星敏感器技术的相关研究工作。

北京航空航天大学(北航)的樊巧云和李小娟对全天时星敏感器的可探测极限星等、探测概率以及探测精度与各影响因素的关系进行了理论分析，并针对基于CCD的视场为3°×3°的光学系统在不同海拔高度条件下的3颗星探测概率等进行了仿真分析[23]。王文杰等提出了一种短波红外(Short-Wave Infrared, SWIR)的全天时星敏感器导航星表的建立方法，该方法能在星表容量较小时保证星表完整性及恒星分布均匀性[24]；还针对短波红外星图中条纹非均匀性噪声和缺陷像素特征，提出了一种基于相邻像素信息的一维特征点描述符的噪声抑制方法[25]。此外，针对20 km临近空间应用，北航开展了短波红外星敏感器技术的建模、仿真和试验研究工作，研制了短波红外白天星敏感器原理样机(如图15所示)，主要参数为：口径70 mm，焦距92 mm，视场8°×8°，重量1.8 kg；外场观星试验验证了探测模型的正确性[26]。

图15 北航白天星敏感器[26]

华中光电技术研究所(717所)梁娟设计了一款适用于白天星敏感器的短波红外昼光恒星成像光学系统，其工作波段为2.0～2.5 μm、相对孔径为1.4、焦距为140 mm，指出该镜头能实现全天候测星[27]。此外，717所采用光轴过天顶跟踪技术、多重消杂光等技术途径，实现跟踪器小型化，并实现昼夜跟踪星体；采用多孔径技术、近红外传感器、大视场星图匹配等技术实现跟踪器小型化，来满足白天测星能力和导航精度需求[28]。

北京控制工程研究所(502所)徐卿等提出了机载白天星敏感器的星像模拟方法，建立了天空背景辐射和恒星辐射的计算模型[29]。孙大开等对基于短波红外波段(900～1 700 nm)的白天恒星探测的技术方案及影响因素进行了理论分析，并开展了验证试验[30]。502所针对多种平台应用研发了全天时星敏感器原理样机(如图16所示)，并成功进行了地面试验验证。其中适用于飞机平台的全天时星敏感器，单星测角精度优于5″，正午时分天空有薄云仍可以提取星点[31]。

图16 502所机载全天时星敏感器[31]

中国科学院光电技术研究所(成光所)在已有成熟的星载星敏感器技术基础上，针对机载、弹载、临近空间飞行器等大气层内的多任务平台的应用，研发了多种型号的全天时星敏感器[32-35]。针对飞机平台应用需求，成光所突破了小视场、长焦距无热化光学设计、光谱滤波优化技术、自适应星点提取及识别技术、大动态恒星捕获及稳定跟踪技术等关键技术，研发了系列机载全天时星跟踪器。从2013年研发成功第1台XG-01型星跟踪器(600～1 000 nm)以来(如图17所示)，至今已有4种型号产品问世。2018年，成光所的XG-03型短波红外星跟踪器配合总体单位，开展了全天时天文/惯性组合导航系统的试飞和地面跑车试验。试验结果表明：XG-03型短波红外星跟踪器在地面天气晴好条件下实现了全天时恒星探测，单星测角精度优于3″(1σ)；组合导航系统定位精度为450 m/10h(CEP)。此外，成光所还研发了用于临近空间飞行器的轻小型全天时匹配式星敏感器，已成功完成飞行任务。

图17 成光所XG-01型全天时星跟踪器

中国科学院安徽光学精密机械研究所(安光所)魏合理等对白天条件下的CCD星敏感器的可探测极限星等值以及白天观星对比度等进行了仿真分析，结果表明：对于全波段,在25 km高度、3°×3° 视场、太阳视线20°以外,可探测极限星等为6.3等[36-37]。孙晓兵等为了解决白天天体观测能力受限问题,提出采用光谱偏振成像技术提高白天强背景下天体探测信噪比和对比度，并利用100 cm天文望远镜开展光谱偏振成像实验[38-39]。实验结果表明：对于一颗6.33等的恒星，使用光谱偏振成像能够明显改善目标背景对比度(从0.001 9提高到0.01)；光谱偏振成像技术能够很好地应用于白天天体天文观测研究，为白天天文观测数据获取提供了一条有效的技术途径。

此外，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(长光所)[40-46]、中国科学院西安光学精密机械研究所(西光所)[47]、上海航天控制工程研究所(航天803所)[48]等机构[49-54]也都对近地空间全天时星敏感器技术开展了理论和试验研究。

总之，国内全天时星敏感器技术研究起步较晚，与国外研究水平存在较大差距，主要表现在两个方面：① 国内研究大多数针对机载平台应用需求、采用传统星跟踪器方式实现对恒星的探测，技术手段相对单一；② 国内开展的空间飞行试验很少，缺少天光背景辐射、大气湍流等空间环境实测数据，产品可靠性、空间环境适应性等能力不足。

4 全天时星敏感器主要技术途径

近地空间全天时星敏感器面临的最大难点在于：如何在平台资源受限条件下，实现对天光背景及噪声的抑制，从而实现对暗弱恒星目标的探测。从国内外研究现状可以看出，全天时星敏感器多采用如下技术手段：

1) 光谱滤波技术

根据瑞利散射理论,空气分子散射强度与波长的四次方成反比关系。因而可以利用大气散射、太阳辐射以及恒星目标辐射的光谱谱特性差异，对光谱进行滤波，选择最佳工作波段，抑制大气散射背景光而保留星光，从而提高恒星背景对比度及恒星探测信噪比。目前全天时星敏感器使用的工作波长主要集中在两个波段。一是600～1 000 nm波段，同时选取G型、K型、M型等峰值波长在800 nm附近的恒星作为导航星；相应地探测器选取在近红外波段仍有较强光谱响应的CCD或CMOS敏感器。二是900～1 700 nm SWIR波段，实现对背景的进一步抑制；选取2MASS(The Two Micron All Sky Survey)星表的J波段(1.24 μm)或H波段(1.65 μm)的亮星；相应地选择InGaAs探测器作为敏感器。实际使用过程中，结合天空背景辐射亮度分布规律、大气透过率曲线、探测器光谱响应曲线以及导航恒星光谱分布曲线等，可以对上述工作波段进一步优化。国外地基、海基、机载以及高空气球平台等实用的型号星敏感器产品绝大多数都选用600～1 000 nm波段，在实际应用中取得了很好的效果；国内全天时星敏感器在两种工作波段均有相应的产品问世。此外，国内对基于2.0～2.5 μm波段的白天星敏感器的光学镜头设计等方面也开展了部分研究工作。

2) 减小像元立体角方法

恒星辐射张角一般小于0.01″，恒星可视为点光源，星光可近似为平行光；而天空背景则向各个方向均有辐射，可视为有限远面光源。因此可利用恒星和天空背景的辐射张角差异，通过光学手段减小成像像元立体角，实现在像面上对天空背景的进一步抑制。受探测器像素规模和像元数目的约束，可以通过小视场、长焦距的光学镜头来减小像元所张立体角。

国外成功应用的高空气球平台星敏感器以及机载平台天文导航系统等大多采用该方法实现对天光背景的进一步抑制。当天光背景足够亮时，单个小视场内无法探测到足够数量的恒星进行星图识别，可以采用“小视场+机械扫描”的方式实现大空域范围内对恒星的扫描、捕获和跟踪，此即为星跟踪器,例如NAS-26、LN-120G天文导航系统。“小视场+机械扫描”方式的星跟踪器固然能较容易实现对导航恒星的探测，但由于瞬时视场内只有一颗恒星，因此需要惯导系统对其进行指向引导,其自主性差、可靠性相对较低。

3) 多视场探测技术

为摆脱星跟踪器对惯导系统的依赖，可采用多视场探测方案：在保证单个小视场探测能力的同时，采用多个视场来提高对多颗恒星同时探测的概率，以得到满足匹配需求的导航星数，实现全自主姿态测量，如美国DayStar星敏感器的三视场探测方案。然而，多视场探测方案需要每个视场都有一定的大小，否则无法保证恒星探测概率，因此体积重量相对较大。可以采用共用孔径的光学及结构设计方案达到减小体积和减轻重量的目的，例如MicroMak、OWLS和Mini-OWLS的光学设计思路。

4) 光谱偏振成像技术

大气散射光主要来源于太阳光穿过大气层时受到的大气气溶胶粒子的散射。根据瑞利分子散射理论，入射光为自然光的条件下，散射光有很高的偏振度，尤其是在散射角为90°附近，天光偏振度为100%；而在其他散射角位置,天光偏振度在0～100%之间变化；散射角大于40°区域的大气偏振度都较大。而恒星星光偏振相对较弱，一般都远小于大气散射光偏振度。因此，白天恒星偏振图像信息中包括恒星目标直射分量信息和大气散射分量信息，利用恒星与大气散射光偏振特性的差异，可以提高恒星背景对比度，从而提高恒星探测概率。该方法的局限性在于当太阳与恒星夹角很小时，大气散射偏振度较小，不利于目标信号的提取。在实际应用中，导航恒星一般会选取太阳角大于某个角度(比如30°)的恒星。

5) 图像噪声抑制算法

采用光谱滤波技术以及减小像元立体角等方法虽然滤除了大部分背景光，但由于全天时星敏感器工作环境的光照条件复杂，因此拍摄的星图仍存在背景灰度分布不均匀、背景变化复杂、出现干扰星等现象。短波红外图像还含有较严重的条纹非均匀性噪声和缺陷像素等，都不利于星点提取和质心计算精度。对于星跟踪器，常采用背景相减法抑制噪声。通常先控制光学系统指向目标恒星附近方向(比如偏离1°)，获取平均背景图像；之后短时间内指向目标恒星，拍图并获取减去平均背景的星点图像；再减去分布在视场周边(比如图像4个角)的多个像素的平均值，对残余背景进一步抑制；最后可按照常规方法对视场内星点进行提取及质心计算。对于固定探头星敏感器，不同探测敏感单元会带来不同特征的噪声。常采用多帧叠加方法[29]，对非相关的随机噪声进行抑制。采用基于相邻像素信息的一维特征点描述符的噪声抑制算法[25]能够自适应、有效地抑制短波红外星图像中条纹不均匀性和缺陷像素的影响，有利于获得更高的星点质心定位精度。

5 全天时星敏感器技术发展趋势

根据国内外研究现状及差距分析，梳理近地空间全天时星敏感器技术发展方向：

1) 天文/惯性深组合导航技术。星敏感器与惯导的传统组合方式属于一种简单组合方式，惯导独立工作，星敏感器输出信息用来修正惯导误差。而近地空间全天时星敏感器可以考虑与惯导信息进行深组合导航方式：惯导提供初始指向和高精度增量输出信息，辅助星敏感器进行星点提取和识别等处理；同时，星敏感器前后时刻的原始星图信息及匹配的星像点坐标可用于实现对惯导常值漂移等误差的标定；最后对两类输出信息进行融合处理，高频次输出高精度姿态角及角速度信息等，从而实现传感器级的组合导航。

2) 全天时全自主匹配式星敏感器技术。与带转动机构的星跟踪器相比，匹配式星敏感器在自主性、可靠性、测量精度等方面更有优势。适用于近地空间，尤其是机载平台的轻小型全自主星敏感技术是当前一大难题和重要研究方向。将微纳光学设计与加工技术引入星敏感器技术领域，克服传统光学设计手段不足，是一种可能的轻小型全天时匹配星敏感器的实现方式。

3) 近地空间全天时星敏感器环境适应性技术。全天时星敏感器是近地空间应用平台不可或缺的导航方式之一。然而不同应用平台面临不同的环境特性和不同平台运动特性等，因此开展星敏感器的气动光学效应抑制技术、大动态及高低温环境适应性技术等相关研究工作；择机开展空间飞行验证试验，采集实测试验数据、完善理论模型等，是全天时星敏感器走向工程应用的基本前提。