[科普中国]-紫外线导航仪

历史

光学在导航技术中有重要地位。导航技术在现代社会应用如此的广，对人们生活影响如此的大。然而现代导航技术也离不开光学，光凭借其特有的优良性质，在科技中有着重要地位。他同样被应用于现代科技的方方面面，已经根植于人类生活。而学科总是会有想通的地方。光学和导航技术就是很好的例子，在科学的发展过程中，这两门学科有着很大的交集，光学技术在导航技术中有着特别大的应用。

狭义来说，光学是关于光和视见的科学，光学这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。光学已成为为现代科研的重要内容，传统的光学只研究可见光，现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。光学将成为今后光学工程学科的重要发展方向。1

随着航天任务的发展， 进人太空的航天器种类急剧增加， 地面站对航天器进行跟踪、 测控和数据处理的负担越来越重。提高航天器导航系统的精度 ， 并要求其自主性强、 抗 干扰、 可靠性高、 成本低， 已成为世界各 国追求的 目标。因此 ， 自主性卫星导航和控制成 为应用卫星设计中一个重要的研究课题⋯ 。卫星自主导航是指卫星不依赖地面支持， 而利用星上自备的测量设备实时地确定自己的位置和速度。

人们目前所掌握的通信手段主要有无线电通信、微波通信、有线通信和光纤通信等几种.这些通信手段在军事通信联络中起到了重要的作用,同时也存在一些不足.例如,无线电和微波通信比较容易被窃听、干扰和破坏,更不适合“电磁寂静”的场合;有线通信和光纤通信需要预先铺相应的线路,不能达到灵活、机动和快速反应.为了在未来战争中立于不败之地,各国都在寻求更新颖、更隐蔽、更安全和不易被干扰的通信手段,紫外光无线通信就在这种要求下出现了.

紫外敏感器是一种基于感受天体紫外线辐射获得卫星 导航信息的成像式敏感器，

工作波段为 270 - 300nm 的紫外 波段，

精度为0. 02。~ 0. 05。 ，

特点是测量精度高、 体积小、 重量 轻、 功耗小、 成本低。

原理紫外线（Ultraviolet或简称UV）是波长比可见光短，但比X射线长的电磁辐射，波长范围在10纳米（nm）至400纳米，能量从3电子伏特（eV）至124电子伏特之间。它的名称是因为在光谱中电磁波频率比肉眼可见的紫色还要高而得名，又俗称紫外光。

紫外线导航主要部件紫外敏感器定义：紫外敏感器导航利用地球成像的大小和位置以及恒星的位置可以获得卫星的导航信息。2

基于紫外敏感器的自主导航方法，紫外敏感器是一种基于感受天体紫外线辐射获得卫星姿态信息的成像式敏感器， 可用于地球卫星和月球卫星。 对地球卫星而言， 空间的紫外线辐射来 自地球边缘的大 气层和太阳、 恒星等天体。紫外敏感器通过同时接受来 自地 球和太阳或几个恒星的紫外线辐射， 确定卫星的三轴姿态， 其精度为 0. 02。一0. 05。 。紫外敏感器的工作波段为 270 - 300nm， 由于大气中的氧和臭氧形成波长小于300nm 的强吸 收带 J ， 这样在地 面和 大气 特征 以上 的高度 形成 球 日照边 缘 ， 且此日照边缘不受地面和气象特征的影响， 因此在紫外 波段能探测出整个地球边缘的图像， 其图像稳定可与红外图 像媲美， 同时紫外波段也是观测星的极佳光谱波段， 只用一个敏感器组件就能实现红外地平仪、 太阳和星敏感器等多个 敏感器的功能 。 紫外敏感器利用地球成像的大小和位置以及恒星的位 置可以获得卫星的导航信息。在这种情况下， 确定卫星的姿态所需的卫星轨道数据可以由紫外敏感器 自身提供 ， 而不依赖于外界设备的支持。因此紫外敏感器可以用于卫星自主导航3

自主轨道确定的方法卫星利用CCD紫外敏感器进行自主轨道确定的方法。敏感器通过地球紫外图像提供地心方向矢量及姿态误差信息进而确定卫星轨道。采用Unscented卡尔曼滤波算法,对紫外敏感器测量精度、姿态误差、部分轨道参数以及地球模型对导航精度的影响进行了仿真验证。仿真结果表明本方法具有较高的定轨精度,其导航误差主要取决于紫外敏感器测量精度和卫星姿态误差。4

一般多采用扩展卡尔曼滤波( E K F )进行卫星位置和速度的确定， 但该方法对关于模型不确定性的鲁棒性很差， 而且， 在系统达到平稳状态时将丧失对突变状态的跟踪能力。强跟踪滤波器( S T F )对于模型不确定具有鲁棒性; 对于突变状态和缓变状态始终具有很强跟踪能力。 S T F 算法已作为线性系统故障诊断技术参数估计主要的方法之一。

紫外敏感器定轨原理紫外三轴敏感器有一个30 。 的圆锥形中心视场和一个120 。 - 16 0 。 环形锥视场。 它通过敏感非点光源和点光源的紫外图像， 确定太阳、 月 球、 地球、 恒星在星体坐标系中的方 万方数据 12传感器与微系统第27 卷向， 另外， 可以通过对地球圆盘的图像处理， 提取星体坐标系中的地心方向和地心距离信息。 利用定姿过程得到的姿态信息， 结合卫星轨道动力学模型和滤波技术的动力学自主定轨方法很容易计算出卫星在惯性系中的位置矢量和速度矢量。

紫外光通信导航特性(1)低窃听率 紫外线在传输过程中受到大气分子、悬浮颗粒吸收和散射,能量衰减得很快,因此在有限距离外,即使紫外探测器也不能窃听;

(2)低位辨率 一方面由于紫外线为不可见光线,所以肉眼很难发现;另一方面,由于紫外信号传输是有限距离传输,所以敌人难以从远距离上获得足够的紫外辐射信号来判断我方发射机的位置;

(3)抗干扰能力高 一方面紫外在大气中衰减极大,所以敌人不能采用普遍意义上的干扰方式进行干扰;另一方面,由于大气对流层中的臭氧分子对太阳光中的紫外成分有极强的吸收,工作于此“日盲”波段的紫外传输可以看作是无背景噪声干扰的传输;

(4)全方位性 紫外线由于具有较大的散射,决定了它不仅可以和其他光信息传输一样进行定向通信,而且可以进行大角度非视线信息传输;

(5)全天候工作 该系统工作在日盲区(200～300nm),而地表在这个波段辐射很少,可以全天候工作5

组成紫外敏感器主要由光学结构、 CCD 和处理线路、 数据处 理单元及其软件组成 。人射光经光学系统后在 CCD 面阵 上成像， 最终转换成数字图像信号， 供数据处理单元处理计算。

系统构成紫外光通信系统的示意方框图如图1所示.它由信号源、调制器、和紫外光源构成发射部分,而低空大气构成系统的无线传输部分,光探测器、解调器、输出的放大信号构成了接收部分

对于紫外光通信系统而言,紫外光源(发射器) 是较为关键的器件,它对整个系统的性能和实用性起着关键性的作用.具体来说紫外光源主要有脉冲氙灯、紫外激光器、表面放电灯和低压气体放电灯等.脉冲氙灯存在发射谱带宽、可见光和红外线所占的比重大和紫外发射效率较低等缺点;目前的紫外激光器价格昂贵,体积庞大,部分激光器存在难于调制或是电源供电的问题;表面放电灯由于其发光的同时产生了大量的热量,其散热问题尤为严重;相比较之下,低压气体发电灯虽受到易碎、传输速率受限的限制,但由于其价格便宜、“日盲区”的光谱范围适宜,紫外光谱的能量巨大部分集中在254nm)、紫外发射效率高(输入给低压放电灯的能量有60%转换为254nm的紫外辐射),所以紫外光通信研究一般采用热阴极低压汞灯作为紫外光源.对光源的调制方式一般有调频调制和调幅调制两种,由于紫外辐射在传输过程中的吸收和散射,调频调制方式比调幅调制方式要好. 光源的前端一般加有辅助的前置光学系统,前置光学系统能使通信具有定向或全方位的特性.紫外低压气体放电灯由于发射功率较小,如果进行全方位通讯,通讯距离较短,因此在加上镀有反射膜的光学系统后,能使定向通讯距离得到很大的提高. 紫外光大气传输理论和散射模型及仿真系统的建立是紫外光无线通信关键问题之一.美国空军地球物理实验室(AFGL)基于大气吸收、瑞利散射和气溶胶微观物理模型等提出的LOWTRAN模型,对紫外光无线通信具有实际指导意义,而被广泛采用. 接收器件包含前置光学系统和光电器件,或直接使用日盲型光电倍增管.前置光学统收集散射的紫外线,再由日盲型滤光片滤去非日盲区的波段,能将背景杂光干扰极大的紫外光提取出来.光电器件一般采用的是光电倍增管,光电倍增管具有较高的灵敏度6.也可采用较为便宜的固体紫外探测器,例如日盲雪崩二极管等.但是灵敏度与光电倍增管相比较差7

应用军事美国军方早在20世纪60年代的中后期,对近距离通信表现出极大的兴趣.之后,美国军方在短距离紫外光无线通信方面进行了大量的研究,完成了从基本原理到实用系统的多方面的研究.20世纪70年代中后期,美国先后对紫外辐射在大气中的传输特性以及散射大气通信的可行性进行了理论探讨和试验研究,并且研制完成了一套紫外光无线音频通信试验样机.20世纪80年代中期美国进一步研制成功了一套紫外日盲型短距离通信系统,通信速率在1985年为1200Bps,1986年提高到了2400Bps;误码率小于10-58.2000年美国GTE 公司为美军研制成功了一种实用的新型隐蔽式紫外光无线通信系统.该系统通信速率提高到了4800Bps;误码率可以达到10-6.该系统不易被探测和截收,适用于多种近距离抗干扰通信环境,尤 其适用于特别行动和低裂度冲突,因而可满足战术通信要求9

紫外光通信系统的特殊性能使它成为理想的 隐蔽通信手段.系统辐射的信号扩散在大气层中被大气吸收,信号强度按指数规律衰减.这也就是说,如果一个紫外光通信系统的通信为2km,那么在3处就探测不到信号.要干扰强紫外光散射是不 可能的,因为信号场强的指数衰减是距离的函数.

在隐蔽行动过程中,要完成预定的任务用常规无线电通信很难做到不被敌方发现,装有良好电子战设备的敌人,在离行动地点相当远的地方就能截收和监听参与行动的各个人员之间的通信,据此确定他们的位置和可能的行动.更高频率的无线电通信可能不易被探测和截收,但只能进行视距通信,不能适应多种地形环境.而紫外光通过大气层的微小颗粒散射到接收机的视野区,实现非视距通信.

紫外光通信系统可用于包括一个按编队超低空飞行的直升机小队.他们可以不分昼夜地用紫外光进行内部安全通信.直升机驾驶员知道他们的通信不会被敌人探测,故可向他们的地勤人员传送话音或数据.

在城区或地形复杂的地区巡逻的小分队,如果视距通信实现不了,也可以用紫外光通信系统传递秘密信息,以协调地面行动.

常规战术作战也可由通信方舱之间的近距离数据通信来支援(现在都采用电缆通信),这种新的紫外光通信将减轻后勤部的电缆负担和节省收放电缆需要的时间,方舱到方舱的紫外光通信线路将大大减少通信设备和线路的开设及拆除时间.

当舰队必须保持无线电寂静时,可用紫外光通信系统来提供舰船之间的近距离通信.紫外光技术还可用于改进舰载飞机的惯性导航系统.像其他紫 外光通信方式一样,航母飞行甲板通信系统将同时沟通航母通信与所有飞机之间的通信,光发射机安装在航母的舰桥上,以水平方式向甲板辐射紫外光信号,每架飞机上装有一台小型轻便接收机,面朝天安装,以收集散射在大气层中的脉冲编码惯性导航数据,光发射机发出的紫外光具有散射和同播特性,能照射整个飞行甲板,这样飞机可以自由移动,并能同时接收数据.20世纪80年代后,海军海洋研究中心就为海军研制短距离、2400波特率的紫外通讯链路,以便把航空母舰舰载飞机的惯性导航系统的数据传送给舰载飞机.

此外,紫外光通信系统由于其具有类似于无线电波的非定向传输的能力,所以特别适合在诸如122mm火箭炮、导弹部队等既需要宽阔通信覆盖面,又对电磁辐射有着苛刻要求的炮种的快反指挥系统.

哈勃望远镜曾以紫外线拍摄的木星极光。10