近地空間全天時星敏感器技術現狀及發展綜述

張輝，周向東，汪新梅,3，田宏

1.中國科學院 光電技術研究所，成都 610209

2.中國科學院 空間光電精密測量技術重點實驗室，成都 610209

3.中國科學院大學，北京 100049

星敏感器是一種以恒星為參考源的姿態測量設備，因具備自主性好、被動測量隱蔽性好、抗電磁干擾能力強、定姿定向精度高、誤差不隨時間累積等優勢，成為衛星、導彈、艦船和飛機等平臺姿軌控系統不可缺少的姿態測量設備之一。

星敏感器技術的研究始于20世紀50年代，早期基于光電倍增管的框架式星跟蹤器在艦船、導彈等平臺得到成功應用；20世紀70年代電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)的出現以及集成電路的發展，促使固定探頭星敏感器技術得到快速發展；20世紀90年代大規模集成電路技術和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)加工工藝的日趨成熟，使CMOS APS(Active Pixel Sensor)星敏感器在衛星等平臺得到成功應用。總之，星敏感器在大氣層外太空環境以及大氣層內晴好夜空環境平臺上得到廣泛應用。然而，在近地空間大氣層內，由于白天強烈天空背景光的干擾，全天時星敏感器技術發展和應用受限。

本文介紹了近地空間全天時星敏感器的基本工作原理及國內外研究現狀，分析并概括了全天時星敏感器實現的主要技術途徑，最后梳理了下一步研究方向。

1 近地空間全天時星敏感器工作原理

星敏感器以恒星為參考源，經過光電成像、星點提取、質心計算、星圖識別及姿態確定等步驟，最終獲取姿態信息。近地空間全天時星敏感器工作原理如圖1所示。與星載星敏感器不同，近地空間全天時星敏感器工作在大氣層內，一方面大氣會衰減來自恒星的輻射，導致信號減弱；另一方面大氣散射太陽輻射、大氣和地表的熱輻射，形成天空背景輻射。因此，在白天強天光背景下，提高恒星背景對比度，實現對暗弱恒星目標的探測是全天時星敏感器的關鍵問題。

圖1 近地空間全天時星敏感器工作原理示意圖

2 國外研究現狀

20世紀50年代，美國等國家就已經開始晝夜星體跟蹤器技術的研究。目前，美國、意大利等國家針對艦船、地面望遠鏡、飛機以及高空氣球等平臺的應用，研發了多種型號的全天時星敏感器。下面對國外有代表性的產品及應用情況進行介紹。

2.1 海基平臺應用

2005年，美國Microcosm公司針對航天器平臺，研發了MicroMak微型星敏感器[1]，采用三視場共孔徑結構，3個4°×4°方視場與孔徑中心軸夾角均為30 °，視場間方位夾角為120°，分別成像于3個面陣探測器上，其光學系統結構緊湊，重量不到100 g。MicroMak的三視場共孔徑光學結構如圖2所示。DayStar星敏感器是MicroMak的衍生產品，采用3個獨立的望遠鏡，每個望遠鏡口徑均為76.2 mm，其結構如圖3所示[2]。2006年3月，Microcosm公司宣布該系統白天在海平面能拍攝到7.1等恒星；在觀測時間段內幾乎都能觀測到恒星，基本上可以持續更新姿態和導航。

圖2 三視場共孔徑MicroMak[1]

圖3 DayStar敏感器[2]

2.2 陸基平臺應用

意大利國家天體物理學院射電天文學院研發了一款ST(Star Tracker)星跟蹤器[3]，安裝在32 m射電望遠鏡上，旨在建立精確指向模型和對天線進行動態跟蹤。其光學系統使用Maksutov-Cassegrain結構折反望遠鏡，口徑為180 mm，焦距為1 800 mm,視場為19.5′×19.5′；采用FingerLake CM9-1E型帕爾帖冷卻型相機，CCD型號為KAF-0261E(像素規模為512×512像素，像素大小為20 μm×20 μm)，滿阱電荷為500 ke-。ST在夜晚對暗星的觀測，可以通過增加積分時間實現：當用10 s曝光時，可探測到亮于12等的恒星(信噪比S/N>20)。ST在白天進行觀測時，需在CCD相機正前方加入近紅外濾光片。圖4為使用了Planet IR PRO 807濾光片、10 ms曝光條件下對金星的觀測結果，觀測時刻為7月25日15:00 UT，此時金星為-3.6等星。

圖4 使用Planet IR PRO 807的金星圖像[3]

2.3 飛機平臺應用

大約從20世紀60年代開始，飛機平臺就開始使用恒星輔助慣性導航系統[4-8]，例如美國ANS天文/慣性導航系統[5]、NAS系列導航系統[6]以及LN-120G高精度綜合導航系統[8]等。

1) 美國NAS-26星跟蹤器

美國Northrop Grumman公司從20世紀50年代 開始天文/慣性導航系統的研發，1977年第四代導航系統NAS-26成功進行了飛行試驗[6]。NAS-26關鍵部件是天文慣性儀器：一個三框架參考平臺，帶一個集成的兩自由度星跟蹤器。星跟蹤器采用光電倍增管作為敏感元件，望遠鏡筒直徑為50.8 mm，鏡筒長度為63.5 mm，瞬時視場為40″。其內部星表有61顆導航星，同一觀測時刻至少有2顆星可選用，大多為6～10顆。 跟蹤星的選取需要滿足12.5°太陽規避角以及3°大行星以及月亮規避角等條件。星跟蹤器對選出的恒星進行螺旋形搜索(如圖5所示)，并根據恒星星等以及測量得到的天空背景亮度設置掃描速率，最終確認目標恒星。試驗結果表明：星跟蹤器可以分別在8 000 fL(foot-lamberts, 1 fL=3.426 cd/m2)和430 fL天空背景，觀測到-1.46等和+3.5等的恒星；在任何高度能實現全天時每分鐘平均跟蹤3顆星，并以此對慣性平臺進行誤差校正；最終得到恒星指向測量標準差優于3 ″。該導航系統曾經裝備在美國B-1、B-2隱形戰略轟炸機上，并得到成功應用。

圖5 NAS-26星跟蹤器搜索方式[6]

2) 美國LN-120G星跟蹤器

美國Litton公司(2001年被Northrop Grumman公司收購)對天文慣性導航系統的研究始于1961年，并于1963年研發了白天星跟蹤器。1975年，美國空軍開始使用LN-20系統[7]。天文導航模塊采用框架式小視場星跟蹤器,望遠鏡采用改進型卡塞格林反射系統，主鏡口徑為95.3 mm，焦距為347.2 mm，瞬時視場約6′，光學原理如圖6所示。選用EEV P86000 CCD陣列作為傳感元件(385像素×288像素，22 μm×22 μm)，滿阱電荷為400 ke-；由于視場很小，僅使用30×30像素大小的面陣，像元分辨率為13″。星跟蹤器內置57顆星的導航星表，包含2.5等或更亮的恒星。系統積分時間為10 ms，可以探測到2.5等星(1 000 fL天空背景)和0.8等星(3 000 fL天空背景)。天文慣性基準單元頂部是一個直徑228.6 mm的扁平石英窗，星跟蹤器可在俯仰角35°～85°范圍內掃描。2006年系統升級換裝成LN-120G綜合導航系統，2007年5月，Northrop Grumman公司向美空軍交付首套LN-120G生產型系統，后又交付30套 該系統用于裝備RC-135系列飛機。LN-120G導航系統可進行晝夜跟蹤恒星，利用恒星信息改進慣導的位置信息，為飛機提供的航向精度可達20″；星慣模式定位精度為900 m/h(CEP)[8]。

圖6 LN-20星跟蹤器光學原理圖[8]

2.4 高空氣球應用

高空氣球平臺是一種低成本、可靠的科學研究平臺。氣球平臺及有效載荷都需要全天時的高精度姿態信息。

1) 美國HERO星相機

20世紀末，美國NASA的Marshall Space Flight Center為新一代硬X射線望遠鏡HERO(High Energy Replicated Optics)系統研發了一款星相機 (如圖7所示)，用于在35～42 km 的高空進行氣球實驗[9-10]。該相機選用Kodak KAF 1401e CCD探測器(1 340像素×1 037像素，6.8 μm ×6.8 μm)。選擇商用Nikon IF ED鏡頭及自制遮光罩,光學口徑為64.29 mm，焦距180 mm， 視場為2.84°×2.23°；使用了Wratten #25 Red filter濾光片，工作波段為610～1 000 nm。為減少來自太陽、明亮天空和被照亮氣球的雜散光，設計遮光罩長度為2.86 m，包含9個內部擋板以減少內部反射，實現對來自視場外部光的衰減達到6.23×10-6。HERO系統2000年和2001年飛行試驗結果表明：實際觀測極限星等達到8.77等，指向精度達10″。

圖7 HERO星相機單元[9]

2) 美國BLAST星相機

21世紀初，美國賓夕法尼亞大學和加拿大多倫多大學等多家單位在NASA的資助下，聯合研制了氣球平臺大口徑亞毫米望遠鏡BLAST(Balloon-borne Large-Aperture Submillimeter Telescope)，其上使用了一對冗余星相機ISC和OSC進行精確定位[11]。ISC使用Qimaging PMI1401相機、Kodak KAF-1401 CCD探測器(1 312像素×1 024像素， 6.8 μm×6.8 μm)，滿阱電荷為45 ke-；OSC使用Qimaging Retiga EXi相機、SonyICX285 CCD探測器(1 360像素×1 036像素，6.45 μm×6.45 μm)， 滿阱電荷為18 ke-。PMI 1401具有更深的像素阱，因此ISC相機適合在亮背景條件下探測恒星；RediGa EXI具有更大的系統增益(bit/e-),因此OSC在暗光條件下更敏感。兩個星相機的光學鏡頭都使用Nikon lens，口徑為100 mm， 焦距為200 mm，視場為2°×2.5°。 使用Nikon R60 filter濾光片，將600 nm以下波段截止，工作波段為600～850 nm。遮光罩長度1.22 m，遮擋大于7°的直接入射光，內部幾何結構消除大于10°的初級反射光。星相機裝配結構如圖8所示。BLAST于2003—2007年間進行了3次飛行試驗，結果表明在典型白天條件下，ISC可觀測9等恒星，可提供絕對姿態指向精度<5″、數據更新率為1 Hz的實時定位信息。

圖8 BLAST星相機組件機械圖[11]

3) 美國EBEX星相機

EBEX(The E and B Experiment)是一個氣球平臺望遠鏡，用于探測宇宙微波背景中的偏振信號。EBEX的姿控系統包含兩個冗余的星相機XSC0和XSC1，用來實現三軸姿態的絕對、高精度測量[12]。美國哥倫比亞大學、JPL以及英國盧瑟福實驗室等多家單位聯合設計了該型星相機。星相機選用Redlake Megaplus II 1603相機，使用Kodak KAF-1603E CCD探測器(1 536像素×1 024像素， 9 μm×9 μm)，滿阱電荷為100 ke-。光學鏡頭為Canon鏡頭，口徑為111 mm，焦距為200 mm， 視場為4.05°×2.70°。星相機使用了Hoya 25A 紅光濾光片，截止波長為600 nm。氣球飛行高度在32～40 km之間，天空背景仍然較亮。2013年1月完成了南極科學數據收集飛行任務，星相機輸出數據頻率較低，周期40～100 s，姿態精度為橫偏角約1.5″，滾動角約48″。圖9為XSC1三維模型剖面圖。

圖9 XSC1三維模型剖面圖[12]

4) 美國WASP平臺星敏感器

美國NASA沃洛普斯飛行實驗室研發了一個氣球載角秒級精度定向平臺WASP(Wallops Arc Second Pointer)。2011—2014年間共進行了5次測試飛行試驗，對32 km高度的WASP平臺上的DayStar星敏感器和CARDS(Celestial Attitude Reference and Determination System)星敏感器的性能都進行了驗證。

美國NASA探空火箭常用ST5000星體跟蹤器，其主要技術參數為：采用768×484面陣CCD探測器，光學口徑52.6 mm，焦距50 mm，視場5°×7°，能夠在太空環境中探測8等星，數據更新率為10 Hz，俯仰和偏航姿態精度為0.5″，滾動精度為10＂(RMS)。2011年5月，在平流層的高空氣球測試實驗結果表明：ST5000夜間姿態測量精度為俯仰0.24″、偏航0.53″；而在日出前30分鐘 探測器飽和，無法實現白天姿態測量。DayStar星敏感器是由科羅拉多大學設計完成的，旨在30 km高度提高ST5000的白天測星能力。其設計參數為：選用Fairchild Imaging的CIS2051科學級CMOS傳感器，光學口徑為117.5 mm，視場為6.26°×5.28°， 采用Wratten Deep Red 620 nm長波通濾光片，預估白天平臺指向精度為0.145″。其測試飛行件使用了Olympus鏡頭，口徑為75 mm，焦距為150 mm，如圖10所示。2012年9月，試飛結果表明：DayStar星敏感器在與太陽垂直方向上，白天能看到3顆星，并沒有達到預期目標[13-14]。

圖10 DayStar試飛用Olympus相機鏡頭[14]

CARDS星敏感器采用Sony ICX674 CCD傳感器(1 936像素×1 456像素，4.54 μm×4.54 μm)，光學鏡頭口徑60.7 mm，焦距為85 mm，視場為5.9°×4.4°，使用了650 nm長波通濾光片，遮光罩保護角20°。實物如圖11所示。在2014年10月飛行試驗中，CARDS星敏感器提供了星等為3.9的恒星的跟蹤單位矢量，并提供了白天觀測4.3等星的星圖，為WASP控制系統提供了低成本的姿態輸入解決方案[15]。

圖11 CARDS白天星敏感器[15]

2.5 其他全天時星敏感器技術

1) OWLS星敏感器

早在20世紀80年代末，美國Northrop Grumman公司提出了1種光學廣角鏡頭星體跟蹤器(Optical Wide-angle Lens Startracker, OWLS)方案，其光學廣角鏡頭采用全息照相鏡頭[16-17]。OWLS采用經過多次曝光在全息片中形成的全息光學元件(Holographic Optical Elements, HOE)得到多視場望遠鏡，每一個望遠鏡都能全口徑接收信號,這種透鏡系統可以通過光刻工藝進行加工實現。圖12給出了1種簡單的OWLS系統示意圖，每個視場透鏡指向空間的某一方向，并將該方向的星光聚焦至1個CCD焦平面陣列；焦平面中使用的傳感器數目取決于天空背景亮度。對于工作在18 km以上的飛行器，天空背景噪聲大大降低，可以使用較少焦平面傳感器。設計了適用于高空的包含3個嵌入式望遠鏡的OWLS，每個視場為3°×3°，具備5等星的探測能力，因此在總視場中平均只有兩顆星(3°×3°×3個望遠鏡×0.075顆星/度2)，將3個望遠鏡聚焦在1個百萬像素的焦平面上是可行的。該系統能夠為飛機的慣導系統提供角秒量級水平的指向。Northrop Grumman公司認為OWLS在艦船、商用飛機、巡航導彈、戰略飛機、遙感飛行器、超音速飛行器等領域具有廣泛的應用前景。

圖12 多焦面聚焦單片全息透鏡[16]

2) Mini-OWLS

1993年，美國Northrop Grumman公司提出了一種微型光學廣角鏡頭星跟蹤器(Miniature OWLS, Mini-OWLS)概念設計[18]，如圖13所示。Mini-OWLS的星跟蹤器的功能是測量3個垂直載體軸上的姿態漂移。它由3個寬視場斯密特望遠鏡組成，3臺望遠鏡共用1個復用HOE，可以在無轉動機構的條件下實現對多個不同方向星光的同時探測。每個望遠鏡的視場為4°×4°，方位相隔120°，與天頂方向夾角30°，構成1個48平方 度的視野，全部嵌入到1個外殼中。Mini-OWLS光學鏡頭體積小于20 cm3，重量小于55 g， 工作波段為可見光或附近波段，波段寬度約300 nm。星跟蹤器分辨率預估為5″～10″，取決于所用質心算法。Mini-OWLS是1種小型、輕量化、低成本、高性能的星體跟蹤器，可用于多種平臺實現對慣性測量單元校準和對準等。

圖13 Mini-OWLS三視場復用斯密特望遠鏡[18]

3) 美國Daytime Stellar Imager

2008年，美國Trex Enterprises公司提出1種通過觀測恒星的K或H波段近紅外光來進行晝夜導航的全天時星相機，并給出兩種優選方案，如圖14所示[19]。一種是多孔徑方案，采用3個相對大口徑望遠鏡剛性安裝在載體平臺上，與垂直方向均成45°、方位互成120°，視場均為0.4°×0.5°；采用3個 320×256面陣的InGaAs探測器相機實現同步測量。通常亮度大于6.4等(H波段)的恒星可用，導航系統定位精度可達30 m。該方案設備較大、較重，體積約1 m3，重約27 kg，但是沒有運動部件，可靠性高，適用于艦船和飛機等平臺。第2種是小孔徑跟蹤式方案，望遠鏡口徑通常小于100 mm。為解決口徑減小帶來的信噪比降低、探測能力減弱問題，可采用兩種技術進行補償：一是采用兩軸精密轉臺實現對15°×15°范圍內的亮星觀測；二是選用低讀出噪聲的探測器，積分時間很短時，探測器噪聲成為主要噪聲來源。該方案在機械結構上比多孔徑方案復雜，但體積較小、重量較輕，特別適用于飛機和導彈的導航制導系統。

圖14 Trex公司白天星相機[19]

3 國內研究現狀

國內于20世紀90年代初開始空間目標的白天探測技術研究工作，多基于面陣CCD圖像傳感器，采用長焦距、大口徑光學鏡頭以及光譜濾波方法，實現了白晝條件下對恒星目標的探測[20-22]。近年來，國內多家科研院所和高校也都圍繞飛機、臨近空間飛行器等平臺應用開展了全天時星敏感器技術的相關研究工作。

北京航空航天大學(北航)的樊巧云和李小娟對全天時星敏感器的可探測極限星等、探測概率以及探測精度與各影響因素的關系進行了理論分析，并針對基于CCD的視場為3°×3°的光學系統在不同海拔高度條件下的3顆星探測概率等進行了仿真分析[23]。王文杰等提出了一種短波紅外(Short-Wave Infrared, SWIR)的全天時星敏感器導航星表的建立方法，該方法能在星表容量較小時保證星表完整性及恒星分布均勻性[24]；還針對短波紅外星圖中條紋非均勻性噪聲和缺陷像素特征，提出了一種基于相鄰像素信息的一維特征點描述符的噪聲抑制方法[25]。此外，針對20 km臨近空間應用，北航開展了短波紅外星敏感器技術的建模、仿真和試驗研究工作，研制了短波紅外白天星敏感器原理樣機(如圖15所示)，主要參數為：口徑70 mm，焦距92 mm，視場8°×8°，重量1.8 kg；外場觀星試驗驗證了探測模型的正確性[26]。

圖15 北航白天星敏感器[26]

華中光電技術研究所(717所)梁娟設計了一款適用于白天星敏感器的短波紅外晝光恒星成像光學系統，其工作波段為2.0～2.5 μm、相對孔徑為1.4、焦距為140 mm，指出該鏡頭能實現全天候測星[27]。此外，717所采用光軸過天頂跟蹤技術、多重消雜光等技術途徑，實現跟蹤器小型化，并實現晝夜跟蹤星體；采用多孔徑技術、近紅外傳感器、大視場星圖匹配等技術實現跟蹤器小型化，來滿足白天測星能力和導航精度需求[28]。

北京控制工程研究所(502所)徐卿等提出了機載白天星敏感器的星像模擬方法，建立了天空背景輻射和恒星輻射的計算模型[29]。孫大開等對基于短波紅外波段(900～1 700 nm)的白天恒星探測的技術方案及影響因素進行了理論分析，并開展了驗證試驗[30]。502所針對多種平臺應用研發了全天時星敏感器原理樣機(如圖16所示)，并成功進行了地面試驗驗證。其中適用于飛機平臺的全天時星敏感器，單星測角精度優于5″，正午時分天空有薄云仍可以提取星點[31]。

圖16 502所機載全天時星敏感器[31]

中國科學院光電技術研究所(成光所)在已有成熟的星載星敏感器技術基礎上，針對機載、彈載、臨近空間飛行器等大氣層內的多任務平臺的應用，研發了多種型號的全天時星敏感器[32-35]。針對飛機平臺應用需求，成光所突破了小視場、長焦距無熱化光學設計、光譜濾波優化技術、自適應星點提取及識別技術、大動態恒星捕獲及穩定跟蹤技術等關鍵技術，研發了系列機載全天時星跟蹤器。從2013年研發成功第1臺XG-01型星跟蹤器(600～1 000 nm)以來(如圖17所示)，至今已有4種 型號產品問世。2018年，成光所的XG-03型短波紅外星跟蹤器配合總體單位，開展了全天時天文/慣性組合導航系統的試飛和地面跑車試驗。試驗結果表明：XG-03型短波紅外星跟蹤器在地面天氣晴好條件下實現了全天時恒星探測，單星測角精度優于3″(1σ)；組合導航系統定位精度為450 m/10h(CEP)。此外，成光所還研發了用于臨近空間飛行器的輕小型全天時匹配式星敏感器，已成功完成飛行任務。

圖17 成光所XG-01型全天時星跟蹤器

中國科學院安徽光學精密機械研究所(安光所)魏合理等對白天條件下的CCD星敏感器的可探測極限星等值以及白天觀星對比度等進行了仿真分析，結果表明：對于全波段,在25 km高度、3°×3° 視場、太陽視線20°以外,可探測極限星等為6.3等[36-37]。孫曉兵等為了解決白天天體觀測能力受限問題,提出采用光譜偏振成像技術提高白天強背景下天體探測信噪比和對比度，并利用100 cm天文望遠鏡開展光譜偏振成像實驗[38-39]。實驗結果表明：對于一顆6.33等的恒星，使用光譜偏振成像能夠明顯改善目標背景對比度(從0.001 9提高到0.01)；光譜偏振成像技術能夠很好地應用于白天天體天文觀測研究，為白天天文觀測數據獲取提供了一條有效的技術途徑。

此外，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所(長光所)[40-46]、中國科學院西安光學精密機械研究所(西光所)[47]、上海航天控制工程研究所(航天803所)[48]等機構[49-54]也都對近地空間全天時星敏感器技術開展了理論和試驗研究。

總之，國內全天時星敏感器技術研究起步較晚，與國外研究水平存在較大差距，主要表現在兩個方面：① 國內研究大多數針對機載平臺應用需求、采用傳統星跟蹤器方式實現對恒星的探測，技術手段相對單一；② 國內開展的空間飛行試驗很少，缺少天光背景輻射、大氣湍流等空間環境實測數據，產品可靠性、空間環境適應性等能力不足。

4 全天時星敏感器主要技術途徑

近地空間全天時星敏感器面臨的最大難點在于：如何在平臺資源受限條件下，實現對天光背景及噪聲的抑制，從而實現對暗弱恒星目標的探測。從國內外研究現狀可以看出，全天時星敏感器多采用如下技術手段：

1) 光譜濾波技術

根據瑞利散射理論,空氣分子散射強度與波長的四次方成反比關系。因而可以利用大氣散射、太陽輻射以及恒星目標輻射的光譜譜特性差異，對光譜進行濾波，選擇最佳工作波段，抑制大氣散射背景光而保留星光，從而提高恒星背景對比度及恒星探測信噪比。目前全天時星敏感器使用的工作波長主要集中在兩個波段。一是600～1 000 nm波段，同時選取G型、K型、M型等峰值波長在800 nm附近的恒星作為導航星；相應地探測器選取在近紅外波段仍有較強光譜響應的CCD或CMOS敏感器。二是900～1 700 nm SWIR波段，實現對背景的進一步抑制；選取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；相應地選擇InGaAs探測器作為敏感器。實際使用過程中，結合天空背景輻射亮度分布規律、大氣透過率曲線、探測器光譜響應曲線以及導航恒星光譜分布曲線等，可以對上述工作波段進一步優化。國外地基、海基、機載以及高空氣球平臺等實用的型號星敏感器產品絕大多數都選用600～1 000 nm波段，在實際應用中取得了很好的效果；國內全天時星敏感器在兩種工作波段均有相應的產品問世。此外，國內對基于2.0～2.5 μm波段的白天星敏感器的光學鏡頭設計等方面也開展了部分研究工作。

2) 減小像元立體角方法

恒星輻射張角一般小于0.01″，恒星可視為點光源，星光可近似為平行光；而天空背景則向各個方向均有輻射，可視為有限遠面光源。因此可利用恒星和天空背景的輻射張角差異，通過光學手段減小成像像元立體角，實現在像面上對天空背景的進一步抑制。受探測器像素規模和像元數目的約束，可以通過小視場、長焦距的光學鏡頭來減小像元所張立體角。

國外成功應用的高空氣球平臺星敏感器以及機載平臺天文導航系統等大多采用該方法實現對天光背景的進一步抑制。當天光背景足夠亮時，單個小視場內無法探測到足夠數量的恒星進行星圖識別，可以采用“小視場+機械掃描”的方式實現大空域范圍內對恒星的掃描、捕獲和跟蹤，此即為星跟蹤器,例如NAS-26、LN-120G天文導航系統。“小視場+機械掃描”方式的星跟蹤器固然能較容易實現對導航恒星的探測，但由于瞬時視場內只有一顆恒星，因此需要慣導系統對其進行指向引導,其自主性差、可靠性相對較低。

3) 多視場探測技術

為擺脫星跟蹤器對慣導系統的依賴，可采用多視場探測方案：在保證單個小視場探測能力的同時，采用多個視場來提高對多顆恒星同時探測的概率，以得到滿足匹配需求的導航星數，實現全自主姿態測量，如美國DayStar星敏感器的三視場探測方案。然而，多視場探測方案需要每個視場都有一定的大小，否則無法保證恒星探測概率，因此體積重量相對較大。可以采用共用孔徑的光學及結構設計方案達到減小體積和減輕重量的目的，例如MicroMak、OWLS和Mini-OWLS的光學設計思路。

4) 光譜偏振成像技術

大氣散射光主要來源于太陽光穿過大氣層時受到的大氣氣溶膠粒子的散射。根據瑞利分子散射理論，入射光為自然光的條件下，散射光有很高的偏振度，尤其是在散射角為90°附近，天光偏振度為100%；而在其他散射角位置,天光偏振度在0～100%之間變化；散射角大于40°區域的大氣偏振度都較大。而恒星星光偏振相對較弱，一般都遠小于大氣散射光偏振度。因此，白天恒星偏振圖像信息中包括恒星目標直射分量信息和大氣散射分量信息，利用恒星與大氣散射光偏振特性的差異，可以提高恒星背景對比度，從而提高恒星探測概率。該方法的局限性在于當太陽與恒星夾角很小時，大氣散射偏振度較小，不利于目標信號的提取。在實際應用中，導航恒星一般會選取太陽角大于某個角度(比如30°)的恒星。

5) 圖像噪聲抑制算法

采用光譜濾波技術以及減小像元立體角等方法雖然濾除了大部分背景光，但由于全天時星敏感器工作環境的光照條件復雜，因此拍攝的星圖仍存在背景灰度分布不均勻、背景變化復雜、出現干擾星等現象。短波紅外圖像還含有較嚴重的條紋非均勻性噪聲和缺陷像素等，都不利于星點提取和質心計算精度。對于星跟蹤器，常采用背景相減法抑制噪聲。通常先控制光學系統指向目標恒星附近方向(比如偏離1°)，獲取平均背景圖像；之后短時間內指向目標恒星，拍圖并獲取減去平均背景的星點圖像；再減去分布在視場周邊(比如圖像4個角)的多個像素的平均值，對殘余背景進一步抑制；最后可按照常規方法對視場內星點進行提取及質心計算。對于固定探頭星敏感器，不同探測敏感單元會帶來不同特征的噪聲。常采用多幀疊加方法[29]，對非相關的隨機噪聲進行抑制。采用基于相鄰像素信息的一維特征點描述符的噪聲抑制算法[25]能夠自適應、有效地抑制短波紅外星圖像中條紋不均勻性和缺陷像素的影響，有利于獲得更高的星點質心定位精度。

5 全天時星敏感器技術發展趨勢

根據國內外研究現狀及差距分析，梳理近地空間全天時星敏感器技術發展方向：

1) 天文/慣性深組合導航技術。星敏感器與慣導的傳統組合方式屬于一種簡單組合方式，慣導獨立工作，星敏感器輸出信息用來修正慣導誤差。而近地空間全天時星敏感器可以考慮與慣導信息進行深組合導航方式：慣導提供初始指向和高精度增量輸出信息，輔助星敏感器進行星點提取和識別等處理；同時，星敏感器前后時刻的原始星圖信息及匹配的星像點坐標可用于實現對慣導常值漂移等誤差的標定；最后對兩類輸出信息進行融合處理，高頻次輸出高精度姿態角及角速度信息等，從而實現傳感器級的組合導航。

2) 全天時全自主匹配式星敏感器技術。與帶轉動機構的星跟蹤器相比，匹配式星敏感器在自主性、可靠性、測量精度等方面更有優勢。適用于近地空間，尤其是機載平臺的輕小型全自主星敏感技術是當前一大難題和重要研究方向。將微納光學設計與加工技術引入星敏感器技術領域，克服傳統光學設計手段不足，是一種可能的輕小型全天時匹配星敏感器的實現方式。

3) 近地空間全天時星敏感器環境適應性技術。全天時星敏感器是近地空間應用平臺不可或缺的導航方式之一。然而不同應用平臺面臨不同的環境特性和不同平臺運動特性等，因此開展星敏感器的氣動光學效應抑制技術、大動態及高低溫環境適應性技術等相關研究工作；擇機開展空間飛行驗證試驗，采集實測試驗數據、完善理論模型等，是全天時星敏感器走向工程應用的基本前提。

6 結 論

以美國為代表的近地空間全天時星敏感器已經在多類平臺得到很好應用。這些星敏感器除采用光譜濾波技術之外，不同平臺的產品還有不同的特點：

1) 海基、地基等平臺白天處在最強烈的天空背景中，星敏感器系統受體積、重量約束較小，可以通過大口徑、長焦距、小視場的光學系統進行背景抑制。

2) 30～40 km高度的飛行器所處的天空背景相對較暗，可以采用中等視場(3°×3°左右)光學系統，結合高性能探測器實現對瞬時視場內多顆恒星的探測。

3) 處于8～10 km高度的機載平臺，受到明亮天空背景以及平臺資源受限的雙重約束，多采用帶掃描機構的小視場星跟蹤器方式實現對恒星的全天時探測。國內相關研究起步較晚，目前仍處在試驗驗證階段，部分機載產品已完成試飛試驗。