紫外線導航儀

紫外線導航儀的主要部件紫外敏感器利用地球成像的大小和位置以及恆星的位置可以獲得衛星的導航信息。主要提供太空飛行器三軸姿態信息、軌道信息等。

它將來極有可能取代地球敏感器、 太陽敏感器和星敏感器， 成為新一代敏感器的發展方向

基本介紹

• 中文名：紫外線導航儀
• 外文名：Uv navigator

歷史

光學在導航技術中有重要地位。導航技術在現代社會套用如此的廣，對人們生活影響如此的大。然而現代導航技術也離不開光學，光憑藉其特有的優良性質，在科技中有著重要地位。他同樣被套用於現代科技的方方面面，已經根植於人類生活。而學科總是會有想通的地方。光學和導航技術就是很好的例子，在科學的發展過程中，這兩門學科有著很大的交集，光學技術在導航技術中有著特別大的套用。

狹義來說，光學是關於光和視見的科學，光學這個詞，早期只用於跟眼睛和視見相聯繫的事物。而今天，常說的光學是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到X射線的寬廣波段範圍內的，關於電磁輻射的發生、傳播、接收和顯示，以及跟物質相互作用的科學。光學是物理學的一個重要組成部分，也是與其他套用技術緊密相關的學科。光學已成為為現代科研的重要內容，傳統的光學只研究可見光，現代光學已擴展到對全波段電磁波的研究。光是一種電磁波，在物理學中，電磁波由電動力學中的麥克斯韋方程組描述；同時，光具有波粒二象性，需要用量子力學表達。光學將成為今後光學工程學科的重要發展方向。

隨著航天任務的發展， 進人太空的太空飛行器種類急劇增加， 地面站對太空飛行器進行跟蹤、 測控和數據處理的負擔越來越重。提高太空飛行器導航系統的精度 ， 並要求其自主性強、 抗 干擾、 可靠性高、 成本低， 已成為世界各 國追求的 目標。因此 ， 自主性衛星導航和控制成 為套用衛星設計中一個重要的研究課題⋯ 。衛星自主導航是指衛星不依賴地面支持， 而利用星上自備的測量設備實時地確定自己的位置和速度。

人們目前所掌握的通信手段主要有無線電通信、微波通信、有線通信和光纖通信等幾種.這些通信手段在軍事通信聯絡中起到了重要的作用,同時也存在一些不足.例如,無線電和微波通信比較容易被竊聽、干擾和破壞,更不適合“電磁寂靜”的場合;有線通信和光纖通信需要預先鋪相應的線路,不能達到靈活、機動和快速反應.為了在未來戰爭中立於不敗之地,各國都在尋求更新穎、更隱蔽、更安全和不易被干擾的通信手段,紫外光無線通信就在這種要求下出現了.

紫外敏感器是一種基於感受天體紫外線輻射獲得衛星 導航信息的成像式敏感器，

工作波段為 270 - 300nm 的紫外 波段，

精度為0. 02。~ 0. 05。 ，

特點是測量精度高、 體積小、 重量 輕、 功耗小、 成本低。

原理

紫外線

（Ultraviolet或簡稱UV）是波長比可見光短，但比X射線長的電磁輻射，波長範圍在10納米（nm）至400納米，能量從3電子伏特（eV）至124電子伏特之間。它的名稱是因為在光譜中電磁波頻率比肉眼可見的紫色還要高而得名，又俗稱紫外光。

紫外線導航主要部件紫外敏感器

定義：紫外敏感器導航利用地球成像的大小和位置以及恆星的位置可以獲得衛星的導航信息。

基於紫外敏感器的自主導航方法，紫外敏感器是一種基於感受天體紫外線輻射獲得衛星姿態信息的成像式敏感器， 可用於地球衛星和月球衛星。 對地球衛星而言， 空間的紫外線輻射來 自地球邊緣的大 氣層和太陽、 恆星等天體。紫外敏感器通過同時接受來 自地 球和太陽或幾個恆星的紫外線輻射， 確定衛星的三軸姿態， 其精度為 0. 02。一0. 05。 。紫外敏感器的工作波段為 270 - 300nm， 由於大氣中的氧和臭氧形成波長小於300nm 的強吸 收帶 J ， 這樣在地 面和 大氣 特徵 以上 的高度 形成 球 日照邊 緣 ， 且此日照邊緣不受地面和氣象特徵的影響， 因此在紫外 波段能探測出整個地球邊緣的圖像， 其圖像穩定可與紅外圖 像媲美， 同時紫外波段也是觀測星的極佳光譜波段， 只用一個敏感器組件就能實現紅外地平儀、 太陽和星敏感器等多個 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恆星的位 置可以獲得衛星的導航信息。在這種情況下， 確定衛星的姿態所需的衛星軌道數據可以由紫外敏感器 自身提供 ， 而不依賴於外界設備的支持。因此紫外敏感器可以用於衛星自主導航

自主軌道確定的方法

衛星利用CCD紫外敏感器進行自主軌道確定的方法。敏感器通過地球紫外圖像提供地心方向矢量及姿態誤差信息進而確定衛星軌道。採用Unscented卡爾曼濾波算法,對紫外敏感器測量精度、姿態誤差、部分軌道參數以及地球模型對導航精度的影響進行了仿真驗證。仿真結果表明本方法具有較高的定軌精度,其導航誤差主要取決於紫外敏感器測量精度和衛星姿態誤差。

一般多採用擴展卡爾曼濾波( E K F )進行衛星位置和速度的確定， 但該方法對關於模型不確定性的魯棒性很差， 而且， 在系統達到平穩狀態時將喪失對突變狀態的跟蹤能力。強跟蹤濾波器( S T F )對於模型不確定具有魯棒性; 對於突變狀態和緩變狀態始終具有很強跟蹤能力。 S T F 算法已作為線性系統故障診斷技術參數估計主要的方法之一。

紫外敏感器定軌原理紫外三軸敏感器有一個30 。 的圓錐形中心視場和一個120 。 - 16 0 。 環形錐視場。 它通過敏感非點光源和點光源的紫外圖像， 確定太陽、 月 球、 地球、 恆星在星體坐標系中的方 萬方數據 12感測器與微系統第27 卷向， 另外， 可以通過對地球圓盤的圖像處理， 提取星體坐標系中的地心方向和地心距離信息。 利用定姿過程得到的姿態信息， 結合衛星軌道動力學模型和濾波技術的動力學自主定軌方法很容易計算出衛星在慣性系中的位置矢量和速度矢量。

紫外光通信導航特性

(1)低竊聽率 紫外線在傳輸過程中受到大氣分子、懸浮顆粒吸收和散射,能量衰減得很快,因此在有限距離外,即使紫外探測器也不能竊聽;

(2)低位辨率 一方面由於紫外線為不可見光線,所以肉眼很難發現;另一方面,由於紫外信號傳輸是有限距離傳輸,所以敵人難以從遠距離上獲得足夠的紫外輻射信號來判斷我方發射機的位置;

(3)抗干擾能力高 一方面紫外在大氣中衰減極大,所以敵人不能採用普遍意義上的干擾方式進行干擾;另一方面,由於大氣對流層中的臭氧分子對太陽光中的紫外成分有極強的吸收,工作於此“日盲”波段的紫外傳輸可以看作是無背景噪聲干擾的傳輸;

(4)全方位性 紫外線由於具有較大的散射,決定了它不僅可以和其他光信息傳輸一樣進行定向通信,而且可以進行大角度非視線信息傳輸;

(5)全天候工作 該系統工作在日盲區(200～300nm),而地表在這個波段輻射很少,可以全天候工作

組成

紫外敏感器主要由光學結構、 CCD 和處理線路、 數據處 理單元及其軟體組成 。人射光經光學系統後在 CCD 面陣 上成像， 最終轉換成數字圖像信號， 供數據處理單元處理計算。

系統構成

紫外光通信系統的示意方框圖如圖1所示.它由信號源、調製器、和紫外光源構成發射部分,而低空大氣構成系統的無線傳輸部分,光探測器、解調器、輸出的放大信號構成了接收部分

對於紫外光通信系統而言,紫外光源(發射器) 是較為關鍵的器件,它對整個系統的性能和實用性起著關鍵性的作用.具體來說紫外光源主要有脈衝氙燈、紫外雷射器、表面放電燈和低壓氣體放電燈等.脈衝氙燈存在發射譜頻寬、可見光和紅外線所占的比重大和紫外發射效率較低等缺點;目前的紫外雷射器價格昂貴,體積龐大,部分雷射器存在難於調製或是電源供電的問題;表面放電燈由於其發光的同時產生了大量的熱量,其散熱問題尤為嚴重;相比較之下,低壓氣體發電燈雖受到易碎、傳輸速率受限的限制,但由於其價格便宜、“日盲區”的光譜範圍適宜,紫外光譜的能量巨大部分集中在254nm)、紫外發射效率高(輸入給低壓放電燈的能量有60%轉換為254nm的紫外輻射),所以紫外光通信研究一般採用熱陰極低壓汞燈作為紫外光源.對光源的調製方式一般有調頻調製和調幅調製兩種,由於紫外輻射在傳輸過程中的吸收和散射,調頻調製方式比調幅調製方式要好. 光源的前端一般加有輔助的前置光學系統,前置光學系統能使通信具有定向或全方位的特性.紫外低壓氣體放電燈由於發射功率較小,如果進行全方位通訊,通訊距離較短,因此在加上鍍有反射膜的光學系統後,能使定向通訊距離得到很大的提高. 紫外光大氣傳輸理論和散射模型及仿真系統的建立是紫外光無線通信關鍵問題之一.美國空軍地球物理實驗室(AFGL)基於大氣吸收、瑞利散射和氣溶膠微觀物理模型等提出的LOWTRAN模型,對紫外光無線通信具有實際指導意義,而被廣泛採用. 接收器件包含前置光學系統和光電器件,或直接使用日盲型光電倍增管.前置光學統收集散射的紫外線,再由日盲型濾光片濾去非日盲區的波段,能將背景雜光干擾極大的紫外光提取出來.光電器件一般採用的是光電倍增管,光電倍增管具有較高的靈敏度.也可採用較為便宜的固體紫外探測器,例如日盲雪崩二極體等.但是靈敏度與光電倍增管相比較差

套用

軍事

美國軍方早在20世紀60年代的中後期,對近距離通信表現出極大的興趣.之後,美國軍方在短距離紫外光無線通信方面進行了大量的研究,完成了從基本原理到實用系統的多方面的研究.20世紀70年代中後期,美國先後對紫外輻射在大氣中的傳輸特性以及散射大氣通信的可行性進行了理論探討和試驗研究,並且研製完成了一套紫外光無線音頻通信試驗樣機.20世紀80年代中期美國進一步研製成功了一套紫外日盲型短距離通信系統,通信速率在1985年為1200Bps,1986年提高到了2400Bps;誤碼率小於10-5.2000年美國GTE 公司為美軍研製成功了一種實用的新型隱蔽式紫外光無線通信系統.該系統通信速率提高到了4800Bps;誤碼率可以達到10-6.該系統不易被探測和截收,適用於多種近距離抗干擾通信環境,尤 其適用於特別行動和低裂度衝突,因而可滿足戰術通信要求

紫外光通信系統的特殊性能使它成為理想的 隱蔽通信手段.系統輻射的信號擴散在大氣層中被大氣吸收,信號強度按指數規律衰減.這也就是說,如果一個紫外光通信系統的通信為2km,那么在3處就探測不到信號.要干擾強紫外光散射是不 可能的,因為信號場強的指數衰減是距離的函式.

在隱蔽行動過程中,要完成預定的任務用常規無線電通信很難做到不被敵方發現,裝有良好電子戰設備的敵人,在離行動地點相當遠的地方就能截收和監聽參與行動的各個人員之間的通信,據此確定他們的位置和可能的行動.更高頻率的無線電通信可能不易被探測和截收,但只能進行視距通信,不能適應多種地形環境.而紫外光通過大氣層的微小顆粒散射到接收機的視野區,實現非視距通信.

紫外光通信系統可用於包括一個按編隊超低空飛行的直升機小隊.他們可以不分晝夜地用紫外光進行內部安全通信.直升機駕駛員知道他們的通信不會被敵人探測,故可向他們的地勤人員傳送話音或數據.

在城區或地形複雜的地區巡邏的小分隊,如果視距通信實現不了,也可以用紫外光通信系統傳遞秘密信息,以協調地面行動.

常規戰術作戰也可由通信方艙之間的近距離數據通信來支援(現在都採用電纜通信),這種新的紫外光通信將減輕後勤部的電纜負擔和節省收放電纜需要的時間,方艙到方艙的紫外光通信線路將大大減少通信設備和線路的開設及拆除時間.

當艦隊必須保持無線電寂靜時,可用紫外光通信系統來提供艦船之間的近距離通信.紫外光技術還可用於改進艦載飛機的慣性導航系統.像其他紫 外光通信方式一樣,航母飛行甲板通信系統將同時溝通航母通信與所有飛機之間的通信,光發射機安裝在航母的艦橋上,以水平方式向甲板輻射紫外光信號,每架飛機上裝有一台小型輕便接收機,面朝天安裝,以收集散射在大氣層中的脈衝編碼慣性導航數據,光發射機發出的紫外光具有散射和同播特性,能照射整個飛行甲板,這樣飛機可以自由移動,並能同時接收數據.20世紀80年代後,海軍海洋研究中心就為海軍研製短距離、2400波特率的紫外通訊鏈路,以便把航空母艦艦載飛機的慣性導航系統的數據傳送給艦載飛機.

此外,紫外光通信系統由於其具有類似於無線電波的非定向傳輸的能力,所以特別適合在諸如122mm火箭炮、飛彈部隊等既需要寬闊通信覆蓋面,又對電磁輻射有著苛刻要求的炮種的快反指揮系統.

哈勃望遠鏡曾以紫外線拍攝的木星極光。