短波红外全天时自主天文导航技术展望

韩艳丽，郭晓军，娄树理

（海军航空工程学院控制工程系，山东烟台264001）

天文导航是以已知的准确空间位置的自然天体为基准，通过天体测量设备获得天体的视位置，经解算确定测量点所在载体平台的经度、纬度、航向和姿态等定位定向信息。天文导航不依赖其他外部信息，具有被动探测、自主工作、精度高、可同时提供位置和姿态信息、导航误差不随时间积累等优点。即便在无线电导航、全球定位系统GPS 等技术高度发展的今天，其导航地位依然不容动摇[1]，已经成为夜间和天基平台不可或缺的导航手段。特别是天文导航与惯性导航组合，利用天文导航提供的高精度姿态信息对惯导系统进行校正及误差补偿，可构成一个长航时、高精度、完全自主的组合导航系统，特别适用于空中和海上作战平台。

目前国内天文导航技术主要有：①小视场星体跟踪器，视场内只出现一颗星体，需多次单星跟踪测量，只在航海领域得到应用。②大视场星敏感器。采用大视场（8°×8°）CCD 摄像机，无须跟踪系统就能同时探测到3颗以上恒星。经图像处理检测出恒星像点位置并构建星图，将其与导航星库中的星图进行匹配识别，再根据多星矢量定位原理解算载体导航信息。由于大视场信噪比低，白天只能在30 km 以上高空应用。③射电天文设备。属于全天候天文导航，但是设备体积庞大，主要应用于大型船舰和地面导航[2]。用于探测星体的星体跟踪器或星敏感器都是工作在可见光波段，对于大气层内的陆基和海基平台，由于白天受到强烈的天光背景和不均匀云层背景的影响，可见光波段成像器件白天测星能力有限；可见光星表中可探测的恒星数量稀少，使得具有许多优点的多星矢量定位技术在白天根本无法使用[3]。

始于1997年6月的2MASS（Two Micron All Sky Survey），即2 微米全天巡天计划，在短波红外的J（1.24µm）、H（1.66µm）、Ks（2.16µm）3 个波段上对全天进行了巡查，覆盖了天空99.998%的巡天数据于2003年3月发布[4]。2MASS星表的发布以及近年来红外焦平面阵列技术的发展，特别是其在天体测量方面的应用[5]，使得在大气层内实现全球昼夜测星成为可能，为实现全天自主天文导航奠定了坚实的基础。

1 2MASS 短波红外巡天计划及点源星表简介

2MASS 短波红外巡天计划由美国国家航空航天局（NASA）以及美国国家科学基金会（NSF）资助，马萨诸塞大学和设在加州理工学院的红外处理与分析中心（Infrared Processing and Analysis Center，California Institute of Technology）合作完成。分别在美国西南部亚利桑那州Hopkins山和智利的Tololo山上安装了2 台1.3 m 的高自动化望远镜。每台望远镜均配有三通道的锑镐汞（HgCdTe）CCD 相机，CCD 阵列为256×256，像素的空间分辨率为2″，探测光学系统视场为8.5′，能够在J（1.25 μm）、H（1.65 μm）和Ks（2.17 μm）3个波段同时进行观测[6]。

2MASS 计划按照长6°，宽8.5′对全天天区进行了划分，共探测出470 992 970 点源天体，每个源都给出了位置、星等、天体测量和测光的不确定度、源探测质量标识、与可见光星表的证认等信息。其中的341 317 908个点源被收录到2MASS 的点源星表子集中，即2MASS PSC Catalog。2MASS 点源星表（PSC Catalog）中的天体在J、H、KS3 个波段上流量都大于1mJy、信噪比都大于10（High SNR）。经处理后的2MASS 点源坐标分别与第谷-2 星表（Tycho-2 Catalogue）、美国海军天文台CCD 天文成像星表（UCAC）等星表中相应源的坐标进行了比较与分析，结果表明2MASS点源的定位精度优于0.2"。

PSC覆盖了99.997%的天空，略低于2MASS巡天的全天覆盖率（99.998%），其中90%的源落在 ||b＜30°的半个天空中（b为纬度），说明2MASS 点源星表大部分是银河系内的恒星。在无干扰情况下，各波段的完备极限星等为：J＜15.8 mag、H＜15.1 mag、Ks＜14.3 mag。表1～3 分别给出了2MASS 点源星表的各种统计特性，表3中的 ||b＜表示在-b°～b°纬度范围。

表1 PSC中各波段点源数量

表2 全部PSC中所探测到源的波段组合情况

表3 随着纬度变化PSC中点源的分布情况

2 短波红外波段白天可探测恒星分布

利用多星矢量定位技术实现全天自主天文导航，首先要确保在任何位置都能够同时探测到足够多的恒星。国外研究显示[7]，白天在海面上可探测到H 波段6.4、Ks波段5.8 星等的恒星。为此，依据2MASS 点源星表统计出了3 个波段星等不大于6.5 的恒星分别为：J 波段98314；H 波段215490；Ks波段308 718。分别就3个波段不大于6.5星等的恒星在1°×1°天区内的分布情况进行了统计，结果分别示于图1～3。表4 列出了短波红外3个波段在1°×1°小天区中低于6.5星等的恒星数量为0 即空洞的数量，和至少探测到一颗星的概率，以及1°×1°天区中含有的最多恒星数量（≤6.5）。当探测视场增加为1.5°×1.5°时，H 和Ks波段的可探测概率（至少探测到一颗星）达100%；同样对于H和Ks波段，探测视场为2°×2°时，视场内可探测到至少3 颗恒星的概率为99.99%，当增加到2.5°×2.5°时，视场内可探测到至少3颗恒星的概率为100%，完全满足多星矢量定位要求。

图1 J波段1°×1°天区≤6.5恒星分布

图3 Ks波段1°×1°天区≤6.5恒星分布

表4 各波段1°×1°天区中恒星（≤6.5）数量的统计

美国海军天文台基于2MASS 和其他可提供短波红外天体的星表，统计了整个天空中H-波段低于7星等的恒星数量是350 000，在银河系5°×5°的天区中平均有300颗到400颗白天红外可见的星，其他5°×5°天区中平均有40颗红外可见的星[7]。目前地基平台白天观星使用的可见光CCD 相机大多工作在可见光谱红外部分，即I波段（0.8 μm）。根据目前精度最高的可见光星表Tycho-2，整个天空约有250万颗恒星，而I波段不大于3.3星等的恒星只有300颗，白天可探测的恒星数量远远少于短波红外波段。

白天大气层内探测恒星关键是要克服背景辐射。虽然采取了一系列的技术抑制天光背景提高可见光极限探测星等，也取得了一定的成果[8-9]，但是，由于天空中满足可探测条件的恒星数量极其有限，很难保证连续测量输出导航数据。

3 天空背景辐射与大气传输特性分析

白天的天空由于太阳辐射以及太阳光在地球大气中的散射和地面（海面）反射光散射与折射，导致测星时背景辐射强烈，造成了恒星探测的困难。由于某些气体分子的选择性吸收和大气中悬浮颗粒的散射作用，大气对红外辐射传输产生衰减。

3.1 天空背景辐射

白天天空背景辐射可以看作是太阳辐射和大气辐射这2种辐射之和。由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大气上界的辐射不能完全到达地球表面。图4为用Modtran4.0计算的中纬度夏季大气模型、大气传输模型为能见度23 km 和高度角45°，在0.2～3 μm之间的太阳辐射功率谱，最下面的实曲线表示太阳辐射通过大气层被吸收、散射、反射后到达地表的太阳辐射光谱。从中可以看到，太阳辐射属于短波辐射，辐射峰值波长在0.5 μm 左右，在3个短波红外波段（1.25 μm-J 波段、1.6 μm-H 波段、2.2 μm-Ks波段）的太阳辐射功率远低于可见光。

大气在吸收了一定的太阳热量和地球的热量后，具有一定的温度，因而也会向外界进行辐射。由于大气本身温度较低，其有效温度在200～300 K内，在波长小于4 μm的范围内的辐射量很少[10]，用Modtran4.0软件对其进行验证（同样的大气模型和大气传输模型情况下的大气辐射功率谱），结果如图5所示。

图5 大气辐射功率谱

由图4 和图5 可知，白天在短波红外波段的天空背景辐射主要为太阳辐射，且其辐射功率远小于可见光，H波段的天空背景辐射功率不到I波段的1/3。

3.2 红外辐射的大气传输

图6 不同波段大气透射率

恒星天体的辐射也要通过大气才能到达地面，但由于大气中水蒸汽和二氧化碳的选择性吸收和一些悬浮颗粒的散射，恒星天体在不同波段辐射的衰减程度各异。利用Modtran4.0 分别计算了大气在可见光、I、H、Ks波段的透射率，同样使用了中纬度夏季大气模型和能见度23 km、高度角45°的大气传输模型，计算结果见图6。从图6中可以看到，短波红外波段透过率比可见光波段高约20%～30%，短波红外波段观星比可见光波段更容易。另外在短波红外波段大气遮挡物如霾、雾和云对星光的衰减比可见光波段弱。因此，在红外波段大气散射更少，观星图像的信噪比更高。

4 CCD传感器性能比较

白天可见光地面观星需要较大的视场，通常选择像素数大的CCD 相机以便准确测量恒星质心，如CCD 尺寸为4 096×4 096。而短波红外波段观星较小的视场，如2MASS 计划中的光学视场为8.5'×8.5'，其探测器仅为256×256。就目前实际应用的典型可见光和短波红外CCD相机参数，分析其在白天观星测量上的优劣。

4.1 量子效益比较

InGaAs 短波红外探测器组件在0.9～1.7 μm 波段可以非制冷室温工作，当响应光谱延展至2.4 μm时可以在近室温热电制冷环境下工作。因其在有效工作波长范围内具有很高的量子效率和极小的暗电流，以及性能优良稳定、均匀性好等优点，是小型化、低成本和高可靠性的短波红外探测系统的最佳选择[11]。文献[12]给出了台湾中华立鼎公司的640×512 InGaAs短波红外焦平面探测器，满势阱电子数2.5M，量子效率大于70%；而通常性能较好的可见光相机（MI-MV13）的峰值量子效率约为50%，饱和满阱电荷数为6.3 万。红外传感器的电荷容量比可见光传感器至少高1个数量级（短波红外波段的5百万到2千万个电子对应I波段的数十万个电子）。大容量对于白天工作十分重要，可允许依靠增加光圈直径或积分时间来提高红外传感器的信噪比，使得在白天强烈的天空背景下也能探测到恒星。相反，小容量的可见光传感器限制了光圈直径和曝光时间，因而限制了信噪比和恒星探测能力。

4.2 帧频速率比较

短波红外传感器的帧频比可见光传感器的帧频高很多。如像素数为4 096×4 096 的可见光传感器帧读出周期为3.5 s，而典型的红外传感器只要30 ms。这就允许采用多帧平均的方法抑制背景噪声进一步提高信噪比，此特性对于白天测星的图像尤为重要。另外，大气湍流等现象引起的图像模糊可通过缩短曝光时间进行补偿。而短波红外传感器较高的帧频速率使其与可见光相比，白天湍流对短波红外传感器的影响要小得多。这些都说明了大气层内白天短波红外波段测星的优势。

5 光学视场的比较

由于星光是平行光，星光的信号强度不依赖于探测器视场，而背景光与系统的视场成正比，减小光学系统视场可以减小背景辐射增大对比度和信噪比。为了提高精度，无论是2星、3星导航，各恒星天体之间角距最好在60°～90°之间（越接近90°越好），这就要求观测天体的视场越大越好，与系统的恒星探测能力要求恰好相反。

如前所述，在H和Ks波段当探测视场为2.5°×2.5°时，可同时探测到至少3颗恒星的概率为100%。即使是2.5°×2.5°的瞬时视场，在CCD 尺寸为1 024×1 024时，每像素8.789"的空间角分辨率也将带来较大的恒星质心定位误差，该误差将直接影响恒星视高度，并最终影响天文定位精度。因此，若采用短波红外波段观星瞬时视场通常较小，通过多视场同时观星满足多星矢量定位对恒星数量的要求。如文献[5]中设计的三视场天文导航系统，相机的瞬时视场为0.4°×0.5°。如此小的光学视场配合像素数较少的短波红外相机，以更高的帧频速率工作，进一步提高白天恒星探测信噪比。

典型的工作在夜间的星敏感器瞬时视场为8°×8°，可见光相机为了在白天探测到恒星，需要更大的口径和视场，导致设备体积庞大笨重。即便如此，白天稀少的可探测天体仍然无法实现自主天文导航。

6 结束语

白天大气层内可见光CCD相机探测星体，较强的天空背景使星体几乎被噪声淹没，一直是制约全天时天文导航的技术难题。但是，在短波红外波段：白天短波红外波段的天空背景辐射远比可见光波段的弱；短波红外波段透过率比可见光波段高约20%～30%；短波红外波段传感器的量子效益和电荷容量高于可见光传感器，大气层外星际空间中可见光和紫外波段的消光强于红外波段[13]；短波红外波段恒星数量远远高于可见光，2MASS星表为大气层内实现全天时天文导航提供了完备的星表数据，特别是1～3 μm短波红外波段几乎为0 的大气辐射，使得其成为探测星体的理想波长范围，较小的短波红外光学视场使得天文导航设备小型化、实用化成为可能。可以预见，不久的将来，全球处处、自主、可靠的短波红外全天时天文定位定向导航系统，将成为海基和陆基平台重要的导航手段。

[1] 房建成，宁晓琳.天文导航原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006：1-6.

FANF JIANCHENG，NING XIAOLIN. Principle and application of celestial navigation[M]. Beijing University of Aeronatics and Astronautics Press，2006：1-6.（in Chinese）

[2] 承德保，陆志东，岳亚洲.机载惯性/天文组合导航技术综述[J].光学与光电子技术，2009，7（3）：49-52.

CHENG DEBAO，LU ZHIDONG，YUE YAZHOU.A survey on airborne inertial-celestial integrated navigation technology[J]. Optics & Optoelectronic Technology，2009，7（3）：49-52.（in Chinese）

[3] 何炬.国外天文导航技术发展综述[J].舰船科学技术，2005，27（5）：91-96.

HE JU. Survey of overseas celestial navigation technology development[J]. Ship Science and Technology，2005，27（5）：91-96.（in Chinese）

[4] 高建云，陈力，王家骥，等.2MASS的科学意义和成果概览[J].天文学进展，2004，22（4）：265-283.

GAO JIANYUN，CHEN LI，WANG JIAJI，et al. A brief introduction on the significance and achievements of 2MASS[J]. Progress In Astronomy，2004，22（4）：265-283.（in Chinese）

[5] 曹扬，金伟其，王霞，等.短波红外焦平面探测器及其应用进展[J].红外技术，2009，31（1）：63-68.

CAO YANG，JIN WEIQI，WANG XIA，et al. Development in shortwave infrared focal plane array and application[J].Infrared Technology，2009，31（1）：62-68.（in Chinese）

[6] 2MASS All-Sky Point Source Catalog Statistics Service[EB/OL].http：//www.ipac.caltech.edu/2mass/releases/second/doc/explsup.html.

[7] TREX ENTERPRISES CORP. Daytime Stellar Imager For Attitude Determination：USA，US 7，349，803 B2[P].2008-3-25.

[8] 冯小勇，朱明，向治强.白天暗小恒星目标电视实时探测[J].光子学报，2010，30（4）：187-192.

FENG XIAOYONG，ZHU MING，XIANG ZHIQIANG.Method of television real-time detection on dark and small stars targets in the daytime[J]. Acta Optica Sinica，2010，30（4）：187-192.（in Chinese）

[9] 万敏，苏毅，杨锐，等.提高白天观测星体信噪比的方法研究[J].强激光与粒子束，2003，15（12）：1151-1154.

WAN MIN，SU YI，YANG RUI，et al. Improvement of signal to noise ratio in astronomical objects detection in daytime[J].High Power Laser&Particle Beams.2003，15（2）：1151-1154.（in Chinese）

[10]续敏，王建立，陈涛.短波红外用于白天卫星探测的研究[J].光学技术，2008，34（2）：277-280.

XU MIN，WANG JIANLI，CHEN TAO.Study on application of short wave infrared to detecting satellites in the daytime[J]. Optical Technique，2008，34（2）：277-280.（in Chinese）

[11]龚海梅，张可锋，唐恒敬，等.InGaAs短波红外线列焦面阵的研制进展[J].红外与激光工程，2009，38（1）：14-18.

GONG HAIMEI，ZHANG KEFENG，TANG HENGJING，et al. Developments of near IR linear InGaAs FPAs in China[J]. Infrared and Laser Engineering，2009，38（1）：14-18.（in Chinese）

[12]孙宏海，刘艳滢.两种高速CMOS图像传感器的应用与测试[J].中国光学，2011，4（5）：454-460.

SUN HONGHAI，LIU YANYING. Application and test of two different high-speed digital CMOS image sensors[J]. Chinese Journal of Optics，2011，4（5）：454-460.（in Chinese）

[13]高健，姜碧沩.星际红外消光律[J].天文学进展，2007，25（3）：226-235.

GAO JIAN，JIANG BIWEI. Interstellar Extinction in the Infrared[J]. Progress in Astronomy，2007，25（3）：226-235.（in Chinese）