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2018-3-27

使用无人机部署自适应光学系统人工引导星的构想

归档于: 天文空间科学, 仪器设备 @ 12:40 pm

用于修正大气湍动导致波前扭曲的自适应光学技术是当代大型望远镜提升成像质量、推进仪器极限的制胜法宝。不过要想让自适应光学系统发挥作用,视场中必须存在一个亮度足够、距离待测目标足够近的恒星充当监测成像质量的引导星,而并非所有天区都能满足这样的条件。为了克服天然引导星数量不足的缺陷,望远镜的建造者又发明的人工引导星技术,通过激光来激发大气中的钠原子发光,产生自适应光学校准所需的点源。

欧洲南方天文台甚大望远镜开启中的激光引导星。(图片版权:Yuri Beletsky)

不过人工引导星的引入并不意味着万事大吉。抛开与民航、军队等部门每天协调激光开闭时间的繁琐,以及不能指向卫星密集天区的约束不论,要想充分发挥激光引导星的作用,天然亮星作为固定参考点的价值也还是无从替代的——大气湍动的存在导致激光传播路径不稳定,最终激发点的位置很难精确判断。更不要提的是白天进行的高分辨率太阳观测同样需要自适应光学技术,却无任何引导星可用,因此技术难度就更大了,必须借助高阶波前传感器来实现。

所以最近英国Durham大学的A. G. Basden等人提出了一个新概念——使用无人机来架设人工引导星系统,更确切地说,是用多轴旋翼飞行器来充当人工引导星的平台。很多人或许闻所未闻的是,随着这类装置的日渐成熟,它们不仅被广泛用于摄影摄像、休闲娱乐或军事场合,也已经开始在天文学领域发挥独特的作用,比如确定Pierre Auger宇宙线观测站每架荧光望远镜的特性,抑或测绘CROME微波天线的远场波束图,又或者是测量云南天文台40米射电望远镜的面板精度,期间其表现出的灵活性无出其右;使用多轴机来校准切伦科夫望远镜,或是利用固定翼无人机取回气球望远镜载荷数据的设想也陆续被人提出。在这样的大背景下,将无人机技术用于至今受制于自然条件的自适应光学领域,想来也是顺理成章的事情。

使用多轴无人机架设人工引导星平台有何优点?首当其冲的一条就是如此可以彻底摆脱对天然亮星的依赖,灵活性更上一层楼。这种飞行器都自带加速度计、陀螺仪、实时飞行数据回传系统以及卫星定位装置,这是无人机能够实现无人飞行的前提,个人看来也是无人机与遥控航空模型的根本区别所在。这几大系统的数据都经由短时延无线通信链路传回地面控制人员手中。

多轴无人机人工引导星平台系统示意。(图片来源:Basden et al. 2018

按照这一设想,多轴机要光源,盘旋在望远镜正上方1千米以上,位置保持在光学系统的倾斜波前传感器(如沙克-哈特曼光栏)视场之中。之所以选择1千米,是因为只有达到这个高度之后,飞行器才处在望远镜的远场区,而且能保证盘旋在湍动最严重的区域上空。考虑地球上优良台址的典型视宁度在0.7角秒左右,Basden等人将0.1角秒的定位水平视为系统的设计目标,在1千米的飞行高度上,这个数字对应的横向距离精度约合0.5毫米,能否达成这个目标是该技术有无希望变为现实的关键。

借助定位卫星载波信号和基站信号的实时飞行数据回传系统结通常最高只能提供1毫米左右的横向定位精度,单凭这一种方法还不足以满足需要。如果在望远镜周边设置一系列地面天线站来接收无人机发出的信号,再根据各天线信号的到达时间和相位进行三角定位的话,只要天线数量较多且飞行高度足够,获得符合要求的位置信息还是不成问题的,但相应的开支又实在偏高。而如果航空器的初始位置已知,通过积分加速度计的测量结果,并结合陀螺仪的姿态反馈,也可以推算出它在任意时刻的位置。不过加速度计的数据噪声较大,定位不确定性会随着时间的推移迅速积累,还要借助Kalman滤波等方法来改善精度。此外机载摄像头也能提供机体姿态的参考。

根据加速度计数据获取的位置误差随时间的演化,图中不同粗细的曲线表示不同的采样速率,实线表示蒙特卡罗模拟的结果,虚线表示理论估计值。(图片来源:Basden et al. 2018

在服务于天文观测时,多轴无人机要携带充当引导星(以及日间太阳观测高阶波前传感器的目标源)的光源升空到指定空域;在望远镜视场变更的时候,多轴平台也必须随动。受飞行控制水平的限制,在现有平台条件下,单台光源着实难以保持在传感器宽度只有数角秒的视场之中,因此可以选择多台光源,以确保地面传感器至少能被一台光源照射到,其中可能发生的切换则由自适应光学的监测系统来跟踪;而多光源还能提供大气环境更广阔的采样,以供自适应光学系统更好地修正湍动效应。

但与激光引导星自下而上照射不同,多轴机搭载的光源只能从上而下照到地面,光源本身就是人工引导星。这固然让引导星位置的确定通过机载设备即可完成,其上方的大气湍动情况却是无法顾及的;另外倘或多轴正在湍动严重的条件下飞行,机体自身更会激发额外的湍流。要克服这些缺陷,不妨考虑在性能允许的条件下提升飞行高度。另外对于优良台址来说,高层大气的湍动实际上不是太严重的问题,昼间更是有可能只贡献总体的区区5%。换句话说,只要修正了地表附近的大气影响,已然能够让成像质量出现质的飞跃。

根据理论模型得出的无人机平台人工引导星得到的波前误差随飞行高度的变化情况,图中不同颜色的曲线对应不同的大气标高,实线和虚线分别表示菲涅尔与傅里叶传播模型。(图片来源:Basden et al. 2018

无人机平台另一个较为严重的局限性是飞行时间。除了少量以燃油或燃料电池作为动力的机型之外,当前主流多轴机均使用充电电池供能,续航力只有半小时甚至更短(姜0同学,人家举的第一个例子就是你厂产品,盘旋时间24分钟……),而且在可预见的将来这一点仍将是现实。要知道,这不到半小时的飞行时间还必须将爬升与降落包括在内,一架多轴所能提供的实际服务时间与深空天体观测动辄长达数小时的深度曝光时间相比,着实是短得可怜。解决方案包括多机轮班(换班时,下方的望远镜也要暂停观测),还有单机滞空期间接受无线充电(但需要架设大功率微波发射装置,现时实用性较差)。此外为了提升安全性,Basden等人还提议使用带有辅助电源和降落伞的六轴或八轴旋翼机,以防单旋翼/电池失灵导致机体失控,并由此伤及望远镜设施。

介绍了这么多,其实多轴无人机平台人工引导星现在还只是处在起步阶段。比如在实际操作中如何利用机载设备给出的数据精确为机体定位,机体自身带来的湍流又有多强,该技术用于下一代30米级望远镜的效果如何,想弄清这些问题,就都还要计算计算再计算,测试测试再测试。但不管怎样,这个概念还是为望远镜性能的提升指明了一个可行的方向,而且随着相关技术的发展和进步,这个可行性将得到进一步的提升。

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