太空目标识别的探测技术

1、沈阳理工大学装备工程学院课程论文 1 前言随着全球太空资源开发热潮的进一步高涨和未来太空作战趋势的加剧,地球外层空间正逐步变成新的军事斗争领地。在这种新的军事斗争形式中,空间目标探测系统起着基础性和关键性的作用。空间目标主要指卫星, 也包括各种空间碎片,如进入空间轨道的助推火箭、保护罩和其他物体,还包括进入地球外层空间的各种宇宙飞行物,如彗星和行星。空间目标探测系统的任务是对重要空间目标进行精确探测和跟踪,确定可能对航天系统构成威胁的目标的任务、尺寸、形状和轨道参数等重要目标特性对目标特性数据进行归类和分发。空间目标探测具有重要的军事价值, 不仅可以帮助确定潜在敌人的空间能力,还可以预测空间物

2、体的轨道,对可能发生的碰撞和对己方空间系统的攻击告警等。 传统的空间目标探测多采用地基光学望远镜、雷达探测器及无线电信号探测器组成的监视网,对空间目标进行探测和跟踪。这种方式的优点是技术较成熟、投资成本低,能够对空间目标进行有效地搜索和跟踪,但易受气象、地理位置和时间的限制。为了提高对空间目标的监视能力,美国、俄罗斯等国都开展了建立天基空间目标监视系统的计划。天基空间目标监视系统的优点是不受地理位置和气象条件限制,探测效果好,且战时生存能力强,但造价高,星上信息处理能力有限, 功率也无法和地基监视系统相比。天基空间目标探测系统是未来进行空间目标探测和跟踪的重要发展方向。2 地基空间目标光电探测

3、系统 地基光电探测器实际上就是用望远镜收集空间物体反射的光。像所有的望远镜一样,它们的使用是受限制的。除非这些物体自己发光,云、雾、大气污染、城市的辉光或满月时的辉光,都可能降低光学探测器的观测能力,甚至使之不能进行观测。目标的尺寸及其与地球的距离,也是限制光学探测器能力的因素 。美国地基空间光电探测系统 当前, 美国的空间探测与跟踪系统是由遍布世界各地的雷达和光学探测器组成的监视网。组成空间监视网的各种探测器, 依据其性质和隶属关系的不同, 可以分为三大类: 专用空间探测器、兼用空间探测器、可用空间探测器。美国的这3大类探测器共同组成了一个遍布全球的地基空间目标监视网。探测距离超过36000

4、km,对同一空间目标重复监视的时间间隔为5 天。2.1 地基光电深空探测系统 地基光电深空探测系统( GEODSS) 是美国空间测控网的重要组成部分，主要用以探测深空目标，以弥补空间探测和跟踪雷达的不足，该系统能跟踪轨道高度5600km- 40000km 的空间目标。地基光电深空探测系统1974 年开始研制1982 年完成第一套设备到1997 年在全球先后布设了5 个站,这5个站分别位于新墨西哥州的白沙靶场、印度洋英属迪戈加西亚岛、夏威夷州的毛伊岛、韩国大邱和西班牙的Moron 航空基地。 地基光电深空探测系统每个测站配置3 台望远镜。两台主望远镜口径101. 6cm, 焦距218cm, 视场

5、2.1；一台辅助望远镜口径38cm,焦距76cm,视场6度。主望远镜主要用于对星等较低、运动速度较慢的高轨道空间目标的搜索,并具有对夜空进行每小时2400km2 探测的能力；辅助望远镜主要用于低高度大范围地对快速运动目标的搜索,具有每小时搜索15000km2 的能力。地基光电深空探测系统可观测到40000km 高度足球般大的物体。 地基光电深空探测系统采用微光摄像技术,对空间物体反射光有良好的响应。它白天可以观测8等星的空间目标， 晚上可以观测16.5 等星目标。摄像器件初期用硅靶增强管,，后改用CCD 器件。目标图像经摄像器件转换成数字信号并即时送计算机处理和显示,，实现了准实时对空间目标的

6、精密跟踪。每台望远镜还带有一台辐射计, 用以获取空间目标的光学特征信息, 这为目标识别提供了重要手段。地基光电深空监视系统可以在几秒钟之内把获取的观测数据传送到空间监测中心。 2.2 美国MODEST 空间探测系统MODEST探测是NASA对同步轨道目标的一项新的光学跟踪项目。该项目的主要目的是探测出同步轨道处尽可能小的目标数目。系统采用了密西根大学研制的望远镜(MODEST)。系统CCD是一个很薄的、背面受光的2048X2048 像素的SITe 阵列, 视场1.3度乘1.3度。可以探测到同步轨道处直径小于20cm 的目标。每晚望远镜可扫描1.3度乘100度的天空带。在5min 之内有多达8

7、个独立探测器对同一疑似目标进行扫描, 测出目标的亮度、位置、和角度变化等。从2001 年起, 这个系统就对同步轨道进行了大量的观测, 测出了大量的直径小于1m 的目标。因为整夜都在扫描一个相同的星区, 所以系统还可以在天空亮度和大气透明度的各种变化下跟踪, 因而从一整夜的各张图片就可以测到这个区域的最小可探测尺寸和最小量级的目标了, 同时云的影响也被探测到和校准。 晴朗的夜里系统每37.9s 做一次5s 的曝光, 这样就基本没有间断地覆盖了1.3度乘100度的天空带。第二晚将望远镜调偏1. 2度, 但在相同的高度。真正的周期为23h56min 的同步轨道目标仅在一个晚上的数据里出现。14 个晚

8、上即可完成整个同轨道探测。探测结果经一个200nm 滤波器得到, 可以探测到19 等星的目标。2.3 俄罗斯地基空间光电探测系统 为了探测与跟踪空间目标, 俄罗斯也建立了自己的空间监视系统, 不断地搜索宇宙空间, 探测和跟踪各种军用航天器, 测定目标的轨道参数, 以供实施空间攻防对抗使用。俄罗斯在利用光电望远镜进行空间目标监视方面水平很高, 某些方面超过了美国。这里介绍的典型系统是”伞”系统。 “伞”系统是一套用于对空间运行的物体, 尤其是对敌方空间军事系统进行高灵敏探测、精确识别、精密轨道跟踪的地基防天对抗系统。 (1)伞系统的仪器设备与设施组成 发现与测量轨道参数的设施发现与测量轨道参数的

9、设施由光辐射记录设备(ORR) 、激光轨道测量设备(LTMS)、多用途相位测距仪(MPF)组成。 ORR 设备为无源光学系统, 它利用卫星对太阳、月亮和其他恒星光线的反射进行工作, ORR 系统每天工作24h, 记录所有可视区域中的飞行器, 当飞行器大于等于0. 5 角秒时就被记录下来。这些记录信息将作为今后采取对抗措施时的原始数据。激光轨道测量设备是进行空间坐标精确测量的高精度测量站, LTMS 是一个有源系统, 包括激光辐射源, 能够精确测量飞行器的轨道参数并对其进行跟踪。另外, 它也可以用激光辐射对飞行器进行光学干扰。 MPF 站是一个无源测量系统, 它利用飞行器上任何无线电信号辐射源的

10、信号来确定飞行器的轨道特性。 （2）产生光学干扰的设施 光学干扰产生设施具有一个激光发射机, 该机为LTMS 站的组成部分, 除此之外, 它可和LTSM一起利用其他设备进行工作, 不仅仅是产生光学干扰, 也可通过其他设备采取另外的对抗措施。 （3）无线电干扰产生的设施( RJC) 在无线电干扰设施中包括一个干扰产生站, 该站可在无线电波段形成一个强的无线电干扰, 以破坏和阻止侦查卫星有关设备的工作。对无线电导航设备产生干扰的设施( RNJ) 该设施用转发卫星的真实信号的方法来形成三个以上伪信号, 这些伪信号与导航卫星系统的信号相似; 如果卫星使用了GPS 信号进行姿态控制, 则伪信号将导致姿态

11、控制系统出错。 （3）控制与处理中心(CCP)控制与处理中心将对进入系统的所有信息进行处理, 测量并计算轨道参数, 并控制系统运行和对相应产生干扰的设备发出干扰指令进行干扰。3 天基空间目标探测系统 天基空间目标探测系统工作在较高的高度, 不受地理位置和气象条件等因素的限制, 探测效果好, 且战时生存能力强。因而对天基系统的研究势在必行。3.1“空间中段监视”试验卫星 1996 年4 月24 日, 美国空军发射了1颗空间中段监视试验卫星( MSX)。发射MSX 的目的是对星载探测器进行试验, 为途中阶段导弹侦察和跟踪探索途径, 以改进目前的侦察和跟踪模式。试验内容除对导弹途中阶段进行监测和跟踪

12、以外, 还涉及太空目标监测、天空背景光探测和地球背景环境的探测试验研究。 星上装载了3 台光学遥感器, 其波段范围从紫外到热红外。紫外可见成像仪与光谱成像仪( U-VISI),天基可见光相机(SBV),以及空间红外成像望远镜(SPIRIT_III) 等。3.2天基红外系统(SBIRS) 天基红外系统是一个包括多个空间星座和地面设施的综合系统, 它由高轨道卫星、低轨道卫星和地面设施组成。 (1)天基红外系统的高轨道部分 高轨道卫星包括4 颗地球同步轨道卫星(GEO)(另外还有一颗备用星)以及2 颗大椭圆轨道卫星(HEO) 。 GEO主要用于探测、发现和跟踪助推上升段的导弹,卫星上带有凝视型和扫描

13、型两种红外探测器。扫描型探测器采用一种小型阵列扫描整个地区以建立整个地区的完整图像, 它用于提供快速的全球覆盖。在凝视型探测器中, 一个正方形或长方形焦平面阵列连续地观测一个特定的区域以及红外辐射的变化。它用于精确的战区探测和跟踪。扫描型探测器对导弹在发射时所喷出的尾焰进行初始探测,然后将探测信息提供给凝视型探测器, 后者进行精确跟踪, 它不仅能够确定弹道的方位角还能提供导弹进入其弹道时的速度和高度。 HEO 在与赤道平面成大倾角的轨道上运行,它的远地点处于北半球上空,可长期观测北半球的情况, 能够探测从北极区域的潜艇上发射的弹道导弹。 高轨道卫星能在1min内将导弹发射数据从空间传输给战区的

14、部队,估计精度为不到1km(DSP卫星地面分辨率约为3km) 。 (2) 天基红外系统的低轨道部分 天基红外系统的低轨道部分将由约24 颗部署在1600km 左右高度的小型、低轨道、大倾角卫星组成。这些飞行在多个轨道面上的低轨道卫星将成对地工作, 以提供立体观测, 从而获得目标的立体三维图像。每对卫星通过60GHz 的卫星间链路进行相互通信。 每一颗卫星将包括捕获探测器和跟踪探测器。捕获探测器是一种宽视野扫描短波红外探测器。通常情况下, 用预警卫星提供的引导信息辅助, 捕获探测器可以通过对着地球背景观察导弹的明亮尾焰探测助推飞行中的导弹( 这时导弹还处于地平线以下) 。一旦搜索探测器锁定了一个

15、目标, 信息将传送给跟踪探测器。跟踪探测器是一种窄视野、高精度凝视型多色( 中波、中长波、长波红外及可见过光) 探测器, 可以在地平线以上观察目标, 它能锁定一个目标并对整个弹道中段和再入阶段的目标进行跟踪。它将工作在以下几个频率范围: 可见光(0.3 0.7Um),短波红外(1 3um),中波红外(3 6um),长波红外( 6 16um) 。尽管美国对SBIRS_low 卫星红外探测器的技术参数严格保密, 但是通过分析MSX 卫星的技术信息可以推测出SBIRS_low 卫星红外探测器的有关性能。3.3 EKV 探测系统 随着空间探测技术的发展, 基于小卫星的天基空间目标探测也得到了长足的进步

16、。Exoatmospheric Kill Vehicle ( EKV) 就是一个十分典型的空间目标探测、识别及跟踪系统。EKV 是位于以地面为基础的拦截导弹( GBI)尖端的一种小型的、灵巧的、非核的、靠直接碰撞杀伤的飞行设备, 上面安装有红外线传感器、数据处理制导系统、变轨推进系统。它全长1. 4m, 重54kg(另一说长四英寸半, 约1. 5m, 重58kg ) , 由雷神(Raytheon) 公司制造。每一套EKV 的造价在2 亿至2. 5 亿美金之间。 与传统拦截器工作的不同之处在于, EKV 自身带有红外探测器, 在离开天基、地基和雷达的导航后, 依然能够自主追踪弹头。传统的拦截器只

17、需要侦察特别热的火箭尾焰, 大可以用比较容易制造并且便宜的短波段传感器, 而EKV 能够区分脱离运载火箭以后的冷的弹头和诱饵, 需要长波段传感器。4空间目标光电探测与识别关键技术4.1目标特性分析技术 目标特性的分析是目标探测、识别的前提条件,对目标认识越深, 得到目标的信息越多, 就越能提高对其探测、识别的能力。可以说目标特性的研究是一切工作的基础。目前对目标特性的研究主要集中在光学特性及运动特性方面。 目标与环境的光学特性是可探测的频率参量的科学描述, 它反映了光波同目标与环境相互作用而产生的物理现象。它揭示了目标与环境的固有属性。如果能很好的认识目标的光学特性,利用相关、多分辨分析、数据

18、融合等数学方法就可以得到目标唯一所具有的特性,从而实现对目标的探测、识别。目标的运动特性是与目标的功能、特性、所处轨道等一系列参数相关的,当多目标同时出现在视场中时,可以根据目标在探测器上运动投影的特性而唯一确定的目标。目前对运动特性的处理方法主要有: 数学形态学、小波检测、神经网络等。 对目标外形特性的研究发展得并不理想, 主要原因是目标的外形变化大。同类的目标可能外形不同, 而外形相似, 功能却完全不同。但是目标的外形特性却能提供更多的信息, 大大超过了频率和运动特性所能提供的, 随着探测系统性能的提高, 将是一个十分有价值及有前途的研究方向。4.2 光学系统设计 光学系统是空间目标探测系

19、统中十分关键的部分, 它设计的合理性、工作可靠性、图像清晰度和畸变等方面, 都对目标探测距离、探测及识别概率等多方面有着巨大的影响。光学系统的重量几乎占了整个探测系统的40% 60%, 可见光学系统的轻量化问题也十分重要。4.3 高速信号处理技术 由于在整个系统中有大量的数据传输与计算过程, 因而要求一个高速处理数据的模块。目前比较常用的方法是用DSP 为中心的高速处理模块, 但由于高速DSP 的可靠性及其对数据的处理能力仍然十分有限, 于是也限制了软件系统的复杂程度及有效性, 因而对高速信号处理技术的需求处于一个十分迫切的情况。4.4 软件系统设计 软件系统可以说是整个空间目标探测系统的核心

20、, 它直接决定着对目标的探测及识别的准确性。目前对空间目标的算法研究较少, 主要分为空间目标成点像和成面像两种情况。由于目标与探测系统距离较远, 多数的研究都开展在点目标的基础上。但随着焦面探测器、光学系统设计、高速信号处理技术的提高, 完全有能力在远距离对空间目标成面像, 因而开展面目标识别技术有很大的价值。经过前人工作的积累, 产生了光谱多分辩识别、多传感器数据融合识别、目标运动特征识别、外形及纹理识别等几个研究方向。然而算法的效率与有效性之间的矛盾仍然是制约算法应用的关键问题。随着相关技术的成熟, 算法将变得更复杂, 更有效。4.5 跟瞄控制系统 光电跟瞄平台的控制要求是使光电探测器的视轴跟踪目标视线, 所以关键性能指标是跟踪精度, 即视轴跟踪目标视线的精确性、稳定性和快速性。由于空间平台环境的复杂性和被控对象的特殊性, 要实现以上控制要求必须解决以下问题: 卫星的振动、参照系误差、轨道预测误差和背景光噪声、装置内部的探测器噪声、应力和安装结构等误差。只有综合考虑以上问题设计出的控制器才能真正提高跟瞄平台的跟踪精度。5未来的发展趋势5.1成像目标探测 随着光学系统、高速大尺寸焦面探测器、高速信号处理技术的提高, 完全有可能使目标在较远的距离时成面像, 于是就可以利用目标外形及表面纹理的特性去对目标