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。

【资料图】

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。

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100ｇ。

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星跟踪器［3］，安装在32ｍ 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。

ST在夜晚对暗星的观测，可以通过增加积分时间实现：当用10ｓ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PlanetIRPRO807滤光片、10ｍｓ曝光条 件下对金星的观测结果，观测时刻为7月25日15：00UT，此时金星为－3.6等星。

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NorthropGrumman 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。

２）美国LN-120G星跟踪器

美国Litton 公司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。

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MarshallSpaceFlightCenter为新一代硬X射线望远镜 HERO系统研 发了一款星相机（如图７所示）,用于在35～42km的高空进行气球实验［9－10］。

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，其上使用了一对冗余星相机ISC和OSC进行精确定位［11］。

３）美国EBEX星相机

EBEX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］。

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。2011—2014年间共进行了5次测试飞行试验，对32km高度的WASP平台上的DayStar星敏感器和CARDS星敏感器的性能都进行了验证。

２．５ 其他全天时星敏感器技术

１）OWLS星敏感器

早在20世纪8808年代末，美国NorthropGrumman公司提出了1种光学广角镜头星体跟踪器 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。

２）Mini－OWLS

1993年，美国NorthropGrumman公司提出了一种微型光学广角镜头星跟踪器概念设计［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，重量小于55g，工作波段为可见光或附近波段，波段宽度约300nm。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。

３）美国 DaytimeStellarImager

2008年，美国TrexEnterprises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。

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。

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

２）减小像元立体角方法

３）多视场探测技术

４）光谱偏振成像技术

５）图像噪声抑制算法

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。

２）全天时全自主匹配式星敏感器技术。

３）近地空间全天时星敏感器环境适应性技术。

结 论

以美国为代表的近地空间全天时星敏感器已经在多类平台得到很好应用。这些星敏感器除采 用光谱滤波技术之外，不同平台的产品还有不同的特点.

参考文献

[1] 应用于天文导航的白昼恒星探测技术. 孙大开;张春明;朱建峰;夏梦绮.空间控制技术与应用,2017

[2] 星敏感器技术研究现状及发展趋势. 梁斌;朱海龙;张涛;仝玉婵.中国光学,2016

[3] 全天时星敏感器光学系统参量选择与光学设计. 潘越;王虎;荆楠;沈阳;薛要克;刘杰.光子学报,2016

[4] 红外星图预处理及星点定位精度分析. 魏伟;刘恩海.红外与激光工程,2014

[5] 小视场轻型星敏感器在白天测星中的应用. 贺磊;张平;刘效东;张补生;陈巍.应用光学,2014

[6] 机载全天时星敏感器参数设计及实验. 任秉文;金光;王天聪;钟兴;张鹏.红外与激光工程,2013

[7] 机载导航白天星敏感器的探测性能及总体设计. 钟兴;贾继强;金光;曲宏松;刘国嵩.光学精密工程,2011

[8] 白天观测空间目标的恒星光电探测系统的杂散光抑制. 王一凡;李零印.光学精密工程,2011

[9] 全天时星敏感器光学系统设计参数选择. 樊巧云;李小娟.光学学报,2011

[10] 全天时机载星跟踪器镜头设计. 王洋;张立平;王智;乔克.光子学报,2010

关键词：