短波紅外全天時(shí)自主天文導(dǎo)航技術(shù)展望

韓艷麗，郭曉軍，婁樹理

（海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺(tái)264001）

天文導(dǎo)航是以已知的準(zhǔn)確空間位置的自然天體為基準(zhǔn)，通過天體測(cè)量設(shè)備獲得天體的視位置，經(jīng)解算確定測(cè)量點(diǎn)所在載體平臺(tái)的經(jīng)度、緯度、航向和姿態(tài)等定位定向信息。天文導(dǎo)航不依賴其他外部信息，具有被動(dòng)探測(cè)、自主工作、精度高、可同時(shí)提供位置和姿態(tài)信息、導(dǎo)航誤差不隨時(shí)間積累等優(yōu)點(diǎn)。即便在無線電導(dǎo)航、全球定位系統(tǒng)GPS 等技術(shù)高度發(fā)展的今天，其導(dǎo)航地位依然不容動(dòng)搖[1]，已經(jīng)成為夜間和天基平臺(tái)不可或缺的導(dǎo)航手段。特別是天文導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合，利用天文導(dǎo)航提供的高精度姿態(tài)信息對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正及誤差補(bǔ)償，可構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)航時(shí)、高精度、完全自主的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，特別適用于空中和海上作戰(zhàn)平臺(tái)。

目前國(guó)內(nèi)天文導(dǎo)航技術(shù)主要有：①小視場(chǎng)星體跟蹤器，視場(chǎng)內(nèi)只出現(xiàn)一顆星體，需多次單星跟蹤測(cè)量，只在航海領(lǐng)域得到應(yīng)用。②大視場(chǎng)星敏感器。采用大視場(chǎng)（8°×8°）CCD 攝像機(jī)，無須跟蹤系統(tǒng)就能同時(shí)探測(cè)到3顆以上恒星。經(jīng)圖像處理檢測(cè)出恒星像點(diǎn)位置并構(gòu)建星圖，將其與導(dǎo)航星庫中的星圖進(jìn)行匹配識(shí)別，再根據(jù)多星矢量定位原理解算載體導(dǎo)航信息。由于大視場(chǎng)信噪比低，白天只能在30 km 以上高空應(yīng)用。③射電天文設(shè)備。屬于全天候天文導(dǎo)航，但是設(shè)備體積龐大，主要應(yīng)用于大型船艦和地面導(dǎo)航[2]。用于探測(cè)星體的星體跟蹤器或星敏感器都是工作在可見光波段，對(duì)于大氣層內(nèi)的陸基和海基平臺(tái)，由于白天受到強(qiáng)烈的天光背景和不均勻云層背景的影響，可見光波段成像器件白天測(cè)星能力有限；可見光星表中可探測(cè)的恒星數(shù)量稀少，使得具有許多優(yōu)點(diǎn)的多星矢量定位技術(shù)在白天根本無法使用[3]。

始于1997年6月的2MASS（Two Micron All Sky Survey），即2 微米全天巡天計(jì)劃，在短波紅外的J（1.24μm）、H（1.66μm）、Ks（2.16μm）3 個(gè)波段上對(duì)全天進(jìn)行了巡查，覆蓋了天空99.998%的巡天數(shù)據(jù)于2003年3月發(fā)布[4]。2MASS星表的發(fā)布以及近年來紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展，特別是其在天體測(cè)量方面的應(yīng)用[5]，使得在大氣層內(nèi)實(shí)現(xiàn)全球晝夜測(cè)星成為可能，為實(shí)現(xiàn)全天自主天文導(dǎo)航奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 2MASS 短波紅外巡天計(jì)劃及點(diǎn)源星表簡(jiǎn)介

2MASS 短波紅外巡天計(jì)劃由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）以及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）資助，馬薩諸塞大學(xué)和設(shè)在加州理工學(xué)院的紅外處理與分析中心（Infrared Processing and Analysis Center，California Institute of Technology）合作完成。分別在美國(guó)西南部亞利桑那州Hopkins山和智利的Tololo山上安裝了2 臺(tái)1.3 m 的高自動(dòng)化望遠(yuǎn)鏡。每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡均配有三通道的銻鎬汞（HgCdTe）CCD 相機(jī)，CCD 陣列為256×256，像素的空間分辨率為2″，探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)為8.5′，能夠在J（1.25 μm）、H（1.65 μm）和Ks（2.17 μm）3個(gè)波段同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)[6]。

2MASS 計(jì)劃按照長(zhǎng)6°，寬8.5′對(duì)全天天區(qū)進(jìn)行了劃分，共探測(cè)出470 992 970 點(diǎn)源天體，每個(gè)源都給出了位置、星等、天體測(cè)量和測(cè)光的不確定度、源探測(cè)質(zhì)量標(biāo)識(shí)、與可見光星表的證認(rèn)等信息。其中的341 317 908個(gè)點(diǎn)源被收錄到2MASS 的點(diǎn)源星表子集中，即2MASS PSC Catalog。2MASS 點(diǎn)源星表（PSC Catalog）中的天體在J、H、KS3 個(gè)波段上流量都大于1mJy、信噪比都大于10（High SNR）。經(jīng)處理后的2MASS 點(diǎn)源坐標(biāo)分別與第谷-2 星表（Tycho-2 Catalogue）、美國(guó)海軍天文臺(tái)CCD 天文成像星表（UCAC）等星表中相應(yīng)源的坐標(biāo)進(jìn)行了比較與分析，結(jié)果表明2MASS點(diǎn)源的定位精度優(yōu)于0.2"。

PSC覆蓋了99.997%的天空，略低于2MASS巡天的全天覆蓋率（99.998%），其中90%的源落在 ||b＜30°的半個(gè)天空中（b為緯度），說明2MASS 點(diǎn)源星表大部分是銀河系內(nèi)的恒星。在無干擾情況下，各波段的完備極限星等為：J＜15.8 mag、H＜15.1 mag、Ks＜14.3 mag。表1～3 分別給出了2MASS 點(diǎn)源星表的各種統(tǒng)計(jì)特性，表3中的 ||b＜表示在-b°～b°緯度范圍。

表1 PSC中各波段點(diǎn)源數(shù)量

表2 全部PSC中所探測(cè)到源的波段組合情況

表3 隨著緯度變化PSC中點(diǎn)源的分布情況

2 短波紅外波段白天可探測(cè)恒星分布

利用多星矢量定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)全天自主天文導(dǎo)航，首先要確保在任何位置都能夠同時(shí)探測(cè)到足夠多的恒星。國(guó)外研究顯示[7]，白天在海面上可探測(cè)到H 波段6.4、Ks波段5.8 星等的恒星。為此，依據(jù)2MASS 點(diǎn)源星表統(tǒng)計(jì)出了3 個(gè)波段星等不大于6.5 的恒星分別為：J 波段98314；H 波段215490；Ks波段308 718。分別就3個(gè)波段不大于6.5星等的恒星在1°×1°天區(qū)內(nèi)的分布情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果分別示于圖1～3。表4 列出了短波紅外3個(gè)波段在1°×1°小天區(qū)中低于6.5星等的恒星數(shù)量為0 即空洞的數(shù)量，和至少探測(cè)到一顆星的概率，以及1°×1°天區(qū)中含有的最多恒星數(shù)量（≤6.5）。當(dāng)探測(cè)視場(chǎng)增加為1.5°×1.5°時(shí)，H 和Ks波段的可探測(cè)概率（至少探測(cè)到一顆星）達(dá)100%；同樣對(duì)于H和Ks波段，探測(cè)視場(chǎng)為2°×2°時(shí)，視場(chǎng)內(nèi)可探測(cè)到至少3 顆恒星的概率為99.99%，當(dāng)增加到2.5°×2.5°時(shí)，視場(chǎng)內(nèi)可探測(cè)到至少3顆恒星的概率為100%，完全滿足多星矢量定位要求。

圖1 J波段1°×1°天區(qū)≤6.5恒星分布

圖3 Ks波段1°×1°天區(qū)≤6.5恒星分布

表4 各波段1°×1°天區(qū)中恒星（≤6.5）數(shù)量的統(tǒng)計(jì)

美國(guó)海軍天文臺(tái)基于2MASS 和其他可提供短波紅外天體的星表，統(tǒng)計(jì)了整個(gè)天空中H-波段低于7星等的恒星數(shù)量是350 000，在銀河系5°×5°的天區(qū)中平均有300顆到400顆白天紅外可見的星，其他5°×5°天區(qū)中平均有40顆紅外可見的星[7]。目前地基平臺(tái)白天觀星使用的可見光CCD 相機(jī)大多工作在可見光譜紅外部分，即I波段（0.8 μm）。根據(jù)目前精度最高的可見光星表Tycho-2，整個(gè)天空約有250萬顆恒星，而I波段不大于3.3星等的恒星只有300顆，白天可探測(cè)的恒星數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于短波紅外波段。

白天大氣層內(nèi)探測(cè)恒星關(guān)鍵是要克服背景輻射。雖然采取了一系列的技術(shù)抑制天光背景提高可見光極限探測(cè)星等，也取得了一定的成果[8-9]，但是，由于天空中滿足可探測(cè)條件的恒星數(shù)量極其有限，很難保證連續(xù)測(cè)量輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

3 天空背景輻射與大氣傳輸特性分析

白天的天空由于太陽輻射以及太陽光在地球大氣中的散射和地面（海面）反射光散射與折射，導(dǎo)致測(cè)星時(shí)背景輻射強(qiáng)烈，造成了恒星探測(cè)的困難。由于某些氣體分子的選擇性吸收和大氣中懸浮顆粒的散射作用，大氣對(duì)紅外輻射傳輸產(chǎn)生衰減。

3.1 天空背景輻射

白天天空背景輻射可以看作是太陽輻射和大氣輻射這2種輻射之和。由于大氣對(duì)太陽輻射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的輻射不能完全到達(dá)地球表面。圖4為用Modtran4.0計(jì)算的中緯度夏季大氣模型、大氣傳輸模型為能見度23 km 和高度角45°，在0.2～3 μm之間的太陽輻射功率譜，最下面的實(shí)曲線表示太陽輻射通過大氣層被吸收、散射、反射后到達(dá)地表的太陽輻射光譜。從中可以看到，太陽輻射屬于短波輻射，輻射峰值波長(zhǎng)在0.5 μm 左右，在3個(gè)短波紅外波段（1.25 μm-J 波段、1.6 μm-H 波段、2.2 μm-Ks波段）的太陽輻射功率遠(yuǎn)低于可見光。

大氣在吸收了一定的太陽熱量和地球的熱量后，具有一定的溫度，因而也會(huì)向外界進(jìn)行輻射。由于大氣本身溫度較低，其有效溫度在200～300 K內(nèi)，在波長(zhǎng)小于4 μm的范圍內(nèi)的輻射量很少[10]，用Modtran4.0軟件對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證（同樣的大氣模型和大氣傳輸模型情況下的大氣輻射功率譜），結(jié)果如圖5所示。

圖5 大氣輻射功率譜

由圖4 和圖5 可知，白天在短波紅外波段的天空背景輻射主要為太陽輻射，且其輻射功率遠(yuǎn)小于可見光，H波段的天空背景輻射功率不到I波段的1/3。

3.2 紅外輻射的大氣傳輸

圖6 不同波段大氣透射率

恒星天體的輻射也要通過大氣才能到達(dá)地面，但由于大氣中水蒸汽和二氧化碳的選擇性吸收和一些懸浮顆粒的散射，恒星天體在不同波段輻射的衰減程度各異。利用Modtran4.0 分別計(jì)算了大氣在可見光、I、H、Ks波段的透射率，同樣使用了中緯度夏季大氣模型和能見度23 km、高度角45°的大氣傳輸模型，計(jì)算結(jié)果見圖6。從圖6中可以看到，短波紅外波段透過率比可見光波段高約20%～30%，短波紅外波段觀星比可見光波段更容易。另外在短波紅外波段大氣遮擋物如霾、霧和云對(duì)星光的衰減比可見光波段弱。因此，在紅外波段大氣散射更少，觀星圖像的信噪比更高。

4 CCD傳感器性能比較

白天可見光地面觀星需要較大的視場(chǎng)，通常選擇像素?cái)?shù)大的CCD 相機(jī)以便準(zhǔn)確測(cè)量恒星質(zhì)心，如CCD 尺寸為4 096×4 096。而短波紅外波段觀星較小的視場(chǎng)，如2MASS 計(jì)劃中的光學(xué)視場(chǎng)為8.5'×8.5'，其探測(cè)器僅為256×256。就目前實(shí)際應(yīng)用的典型可見光和短波紅外CCD相機(jī)參數(shù)，分析其在白天觀星測(cè)量上的優(yōu)劣。

4.1 量子效益比較

InGaAs 短波紅外探測(cè)器組件在0.9～1.7 μm 波段可以非制冷室溫工作，當(dāng)響應(yīng)光譜延展至2.4 μm時(shí)可以在近室溫?zé)犭娭评洵h(huán)境下工作。因其在有效工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有很高的量子效率和極小的暗電流，以及性能優(yōu)良穩(wěn)定、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，是小型化、低成本和高可靠性的短波紅外探測(cè)系統(tǒng)的最佳選擇[11]。文獻(xiàn)[12]給出了臺(tái)灣中華立鼎公司的640×512 InGaAs短波紅外焦平面探測(cè)器，滿勢(shì)阱電子數(shù)2.5M，量子效率大于70%；而通常性能較好的可見光相機(jī)（MI-MV13）的峰值量子效率約為50%，飽和滿阱電荷數(shù)為6.3 萬。紅外傳感器的電荷容量比可見光傳感器至少高1個(gè)數(shù)量級(jí)（短波紅外波段的5百萬到2千萬個(gè)電子對(duì)應(yīng)I波段的數(shù)十萬個(gè)電子）。大容量對(duì)于白天工作十分重要，可允許依靠增加光圈直徑或積分時(shí)間來提高紅外傳感器的信噪比，使得在白天強(qiáng)烈的天空背景下也能探測(cè)到恒星。相反，小容量的可見光傳感器限制了光圈直徑和曝光時(shí)間，因而限制了信噪比和恒星探測(cè)能力。

4.2 幀頻速率比較

短波紅外傳感器的幀頻比可見光傳感器的幀頻高很多。如像素?cái)?shù)為4 096×4 096 的可見光傳感器幀讀出周期為3.5 s，而典型的紅外傳感器只要30 ms。這就允許采用多幀平均的方法抑制背景噪聲進(jìn)一步提高信噪比，此特性對(duì)于白天測(cè)星的圖像尤為重要。另外，大氣湍流等現(xiàn)象引起的圖像模糊可通過縮短曝光時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償。而短波紅外傳感器較高的幀頻速率使其與可見光相比，白天湍流對(duì)短波紅外傳感器的影響要小得多。這些都說明了大氣層內(nèi)白天短波紅外波段測(cè)星的優(yōu)勢(shì)。

5 光學(xué)視場(chǎng)的比較

由于星光是平行光，星光的信號(hào)強(qiáng)度不依賴于探測(cè)器視場(chǎng)，而背景光與系統(tǒng)的視場(chǎng)成正比，減小光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)可以減小背景輻射增大對(duì)比度和信噪比。為了提高精度，無論是2星、3星導(dǎo)航，各恒星天體之間角距最好在60°～90°之間（越接近90°越好），這就要求觀測(cè)天體的視場(chǎng)越大越好，與系統(tǒng)的恒星探測(cè)能力要求恰好相反。

如前所述，在H和Ks波段當(dāng)探測(cè)視場(chǎng)為2.5°×2.5°時(shí)，可同時(shí)探測(cè)到至少3顆恒星的概率為100%。即使是2.5°×2.5°的瞬時(shí)視場(chǎng)，在CCD 尺寸為1 024×1 024時(shí)，每像素8.789"的空間角分辨率也將帶來較大的恒星質(zhì)心定位誤差，該誤差將直接影響恒星視高度，并最終影響天文定位精度。因此，若采用短波紅外波段觀星瞬時(shí)視場(chǎng)通常較小，通過多視場(chǎng)同時(shí)觀星滿足多星矢量定位對(duì)恒星數(shù)量的要求。如文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)的三視場(chǎng)天文導(dǎo)航系統(tǒng)，相機(jī)的瞬時(shí)視場(chǎng)為0.4°×0.5°。如此小的光學(xué)視場(chǎng)配合像素?cái)?shù)較少的短波紅外相機(jī)，以更高的幀頻速率工作，進(jìn)一步提高白天恒星探測(cè)信噪比。

典型的工作在夜間的星敏感器瞬時(shí)視場(chǎng)為8°×8°，可見光相機(jī)為了在白天探測(cè)到恒星，需要更大的口徑和視場(chǎng)，導(dǎo)致設(shè)備體積龐大笨重。即便如此，白天稀少的可探測(cè)天體仍然無法實(shí)現(xiàn)自主天文導(dǎo)航。

6 結(jié)束語

白天大氣層內(nèi)可見光CCD相機(jī)探測(cè)星體，較強(qiáng)的天空背景使星體幾乎被噪聲淹沒，一直是制約全天時(shí)天文導(dǎo)航的技術(shù)難題。但是，在短波紅外波段：白天短波紅外波段的天空背景輻射遠(yuǎn)比可見光波段的弱；短波紅外波段透過率比可見光波段高約20%～30%；短波紅外波段傳感器的量子效益和電荷容量高于可見光傳感器，大氣層外星際空間中可見光和紫外波段的消光強(qiáng)于紅外波段[13]；短波紅外波段恒星數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可見光，2MASS星表為大氣層內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天時(shí)天文導(dǎo)航提供了完備的星表數(shù)據(jù)，特別是1～3 μm短波紅外波段幾乎為0 的大氣輻射，使得其成為探測(cè)星體的理想波長(zhǎng)范圍，較小的短波紅外光學(xué)視場(chǎng)使得天文導(dǎo)航設(shè)備小型化、實(shí)用化成為可能?？梢灶A(yù)見，不久的將來，全球處處、自主、可靠的短波紅外全天時(shí)天文定位定向?qū)Ш较到y(tǒng)，將成為?；完懟脚_(tái)重要的導(dǎo)航手段。

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