寧宗軍，李東，戴煜

（1. 紫金山天文臺　暗物質與空間實驗室，南京 210008；2. 南京大學　天空學院，南京 210093）

深空組合導航中天文測速觀測研究

寧宗軍1，李東1，戴煜2

（1. 紫金山天文臺暗物質與空間實驗室，南京 210008；2. 南京大學天空學院，南京 210093）

深空天文測速導航方法以空間中的某顆恒星為目標，利用航天器自身攜帶的光譜儀測量相對于恒星的移動速度來實時調整自行速度和路線。太陽是主要的測速導航源之一，利用目前運行的空間衛(wèi)星的光譜觀測資料，分析和研究了太陽相對于衛(wèi)星的視線速度和速度誤差變化情況，為本項目中自主導航光譜提供實測證據(jù)。選取了太陽表面5個位置的光譜觀測，持續(xù)時間在一個小時左右，通過高斯譜線輪廓擬合觀測數(shù)據(jù)，得到了太陽表面5個位置的亮度變化、譜線寬度和速度，其中主要參數(shù)速度平均值大約在10 km/s，和速度變化在3 km/s。這是由太陽表面存在大量的微觀尺度上的物質運動所導致的。

組合導航；高精度；天文測速

引用格式：寧宗軍，李東，戴煜. 深空組合導航中天文測速觀測研究［J］. 深空探測學報，2016，3（3）：225-227，245.

Reference format: Ning Z J，Li D，Dai Y. Study for celestial speed detection of integrated navigation in deep space exploration ［J］. Journal of Deep Space Exploration，2016，3（3）：225-227，245.

0　引　言

深空探測是我國空間科學發(fā)展的重要方向。深空導航技術則是深空探測任務成功實施的保障。深空導航是指確定探測器在空間飛行時的瞬間位置和速度。深空探測器的導航能力關乎探測任務的成敗，自20世紀90年代以來，國外共有15次火星探測任務，其中失敗了6次。除火星氣候探測者外，其余5次均與導航有關。

近年來，國內學者提出了基于天文光譜測速的深空自主導航方法，該方法通過航天器自帶光譜儀測量視野范圍內恒星的速度來確定自己的瞬間速度信息，達到及時調整和修正軌道的目的。本文利用目前在空間運行的衛(wèi)星對太陽的光譜觀測，采用天文學常用的分析方法，得到太陽表面不同位置的視向速度的統(tǒng)計規(guī)律，包括速度平均值和偏差，為深空導航中自行研制光譜儀和速度測量提供重要的參數(shù)和標準，從而實現(xiàn)深空高精度導航。

1　衛(wèi)星簡介

本文使用的數(shù)據(jù)來自空間衛(wèi)星太陽過渡層成像光譜儀（IRIS）［1］，該衛(wèi)星是美國宇航局（NASA）在2013年6月27日發(fā)射的一顆小型探測衛(wèi)星，其主要目的是探測太陽色球層和過渡區(qū)的動力學行為，追蹤太陽大氣中能量的產(chǎn)生和傳播過程。它發(fā)射在與極地太陽同步軌道有98°傾角的軌道上，高度大約為620 km（近地點）到670 km（遠地點）。IRIS衛(wèi)星有3種不同的曝光時間，分別對應3個不同的探測器，即FUV、NUV和SJI。IRIS光譜觀測到的譜線包含的溫度范圍很寬，從4 500 K一直到大約10 MK。這幾乎包含了太陽大氣的所有層次，從光球層到色球層和過渡區(qū)并一直延伸到日冕和耀斑中。其主要的譜線包括低溫的MgⅡ，色球和過渡區(qū)的CⅡ、SiⅣ和OⅣ，以及高溫的日冕譜線FeⅫ和耀斑譜線FeⅩⅪ等［2-3］。

2　數(shù)據(jù)介紹和分析方法

IRIS衛(wèi)星觀測到的數(shù)據(jù)根據(jù)其預處理的程度可以分為不同的級別。從衛(wèi)星遙測得到的最原始的數(shù)據(jù)被轉化為圖像文件，稱為Level 0的數(shù)據(jù)。Level 1的圖像則是在Level 0圖像的基礎上重新調整，使得波長從左到右依次增長。Level 1的數(shù)據(jù)是最低級的可供科學研究使用的數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過校準處理。經(jīng)過校準處理（比如暗電流補償?shù)娜コ?、平常校正、幾何失真與波長的校準、壞點和噪聲的去除等）的Level 2數(shù)據(jù)才是使用最廣泛的數(shù)據(jù)。

本文選取SiⅣ線為研究目標，波長在1 394 ?。圖1就是IRIS衛(wèi)星對該譜線的觀測例子。圖1中橫坐標是波長方向，縱坐標是狹縫在日面空間的位置，例如沿著太陽的南北方向。狹縫的長度確定了觀測范圍和區(qū)域?？梢钥闯?，在1 394 ?處太陽的輻射強度明顯增強（顏色黑代表輻射強度大），這說明太陽大氣中SiⅣ譜線的輻射強。這些輻射較強處明顯是依賴日面的位置，沿著縱軸方向看，有些位置輻射就弱，比如0～120。圖中黑線是在狹縫178位置處的該譜線輪廓圖，是一個典型的高斯曲線。藍色曲線則是對觀測曲線的擬合。其中線心位置是利用觀測輻射強度較小區(qū)域（通常稱之為寧靜區(qū)）來測量。擬合的結果是得到譜線強度231.2 DN/s、譜線寬度33.68 km/s和譜線視向速度-7.10 km/s，負號表示是藍移速度。黑色實曲線是光譜在藍色短線位置處的輪廓，藍色曲線代表了單高斯擬合的結果，具體數(shù)值見右上角。黑色虛線則給出了光譜在寧靜區(qū)域（黑色短線）的譜線輪廓，用來計算靜止線心。

圖1　IRIS在SiⅣ1 394 ?窗口的光譜圖（2015年11月19日01:25 UT）Fig.1　IRIS SiⅣ1 394 ? spectral window detected at 01:25 UT at 2015 Nov. 19

3　觀測實例

本文研究太陽表面的SiⅣ1 394 ?光譜數(shù)據(jù)，研究其譜線強度、譜線位移（速度）和譜線寬度等隨時間的演化。因此，數(shù)據(jù)選取日面中心附近，東西南北4個邊界區(qū)域附近，共5組數(shù)據(jù)。這5組數(shù)據(jù)都位于太陽的寧靜區(qū)域，而非活動區(qū)。圖2給出了5組數(shù)據(jù)中IRIS光譜狹縫在太陽表面193 ?圖像的大體位置文獻［4］，觀測時間范圍和狹縫長度等其他信息則以及得到結果列在表1中。這里五組數(shù)據(jù)的時間并不是同時的，間隔較長，圖1只顯示了2015年11月19日01:00 UT（日面中心的觀測時間）的全日面成像圖（數(shù)據(jù)來自SDO/AIA在193 ?波段的成像觀測），其他四組數(shù)據(jù)的觀測時間不在這個時刻，因此它們狹縫位置只是標出日面的相對位置。

圖2　SDO/AIA的全日面成像（193 ?）Fig.2　The Sun detected by SDO/AIA at 193 ?

我們的目標是為了研究光譜信息隨時間的變化情況，因此選取的是固定狹縫的觀測模式，也就是狹縫相對于太陽中心位置不變。這樣長時間的觀測，加上太陽的自轉運動，我們實際觀測到的光譜并不是來自太陽的一個狹縫區(qū)域，而是太陽表面的一個區(qū)域。

圖1給出了IRIS在SiⅣ1 394 ?譜線輪廓擬合方法。圖中（黑色實曲線）顯示SiⅣ1 394 ?這條譜線是比較孤立的發(fā)射線，周圍沒有其他發(fā)射線的影響，同時這條譜線的輪廓極似高斯函數(shù)。因此，結合文獻［5］，我們使用單高斯函數(shù)疊加在一個線性背景上來擬合它。如圖中藍色曲線所示。通過單高斯擬合我們可以得到譜線SiⅣ1 394 ?的積分強度、線心位置以及多普勒寬度（FWHM）。為了計算譜線的多普勒位移，我們還要選取譜線SiⅣ1 394 ?的靜止線心，如圖中黑色虛線所示，來自光譜觀測中的寧靜區(qū)域（黑色短線標出的區(qū)域）。這樣得到的靜止線心是1 393.76 ?。擬合線心和靜止線心差距可以計算出譜線速度。

圖2為SDO/AIA的全日面成像。5條天藍色的短線表示IRIS衛(wèi)星光譜狹縫的位置，分別位于日面5個方向的附近區(qū)域，即東西南北中5個方位的附近區(qū)域。

通過上面的方法，對日面中心位置的狹縫計算結果如圖3所示。圖中橫軸表示時間，單位是min，初始時刻在圖下已經(jīng)注明?？v軸是沿著狹縫的長度，單位是Mm。圖中黑色的豎線是由于在那個時刻IRIS沒有光譜觀測數(shù)據(jù)，藍色的橫線表示圖1中譜線輪廓所在的位置，“×”則給出了圖1中光譜圖發(fā)生的時間。為了定量地表述觀測到的譜線的信息，在圖3中我們還同時給出了譜線強度、譜線寬度和譜線位移的平均值（M）和標準方差（σ）。在太陽表面的中心區(qū)域附近，譜線SiⅣ1 394 ?的平均強度和平均多普勒寬度都有較大的值，但其平均多普勒位移的數(shù)值幾乎等于零。另一方面，無論是譜線強度、寬度以及速度，它們的標準方差都相對比較大。這說明雖然在太陽表面的寧靜區(qū)域，也是存在很多小的活動現(xiàn)象，從而使得譜線強度、寬度和譜線中心位移有較大的變化范圍。

圖3　日面中心附近IRIS光譜觀測中SiⅣ線的擬合結果。從左到右依次是譜線強度、譜線寬度和譜線中心位移?！啊痢北硎緢D1中譜線輪廓的觀測時間和位置Fig.3　Time distance maps of the SiⅣ intensity，width and shift at the solar disk center. The profile at the position marked by‘×'is shown in Fig.1

為了進一步看到SiⅣ1 394 ?的譜線信息隨時間的變化情況，我們選取了某一個特定的位置（圖1中藍色橫線所示）的譜線信息的演化情況，見圖4。圖中分別用藍色虛線和紅色虛線標出了譜線在這個位置的平均值和標準方差。

對日面上5個不同位置的觀測，使用相同的處理方法，得到了譜線SiⅣ1 394 ?的強度、寬度以及速度的平均值和標準偏差，如表1所示。

表1　實測數(shù)據(jù)信息和分析結果Table 1　List of the data and results

4　結　論

結合我們對日面5個不同區(qū)域的長時間觀測，通過單高斯輪廓擬合，得到了譜線SiⅣ1 394埃的強度、寬度以及速度對時間的演化。計算它們的平均值以及標準方差，我們發(fā)現(xiàn)由于譜線線心移動而產(chǎn)生的視向速度平均大約2 km/s，而速度的標準偏差卻有7.2 km/s。文獻［6］的研究發(fā)現(xiàn)，這些速度偏差是由于太陽表面大氣中的各種活動導致的，它們的活動產(chǎn)生了物質的隨機運動，從而觀測上得到了平均速度3倍以上的速度漲落。這些觀測事實對深空天文測速有了更準確的認識，為深空組合導航的設計方案提供觀測依據(jù)。這些速度漲落將來直接影響航天器的導航和定位精度，因此研發(fā)精密的光譜觀測儀和發(fā)展精確的速度計算方法是課題繼續(xù)研究的方向。

［1］De Pontieu B，Title A M，Lemen J R，et al. The interface region imaging spectrograph（IRIS）［J］. Solar Physics，2014，289：2733-2779.

［2］Li D，Ning Z J，Zhang Q M.Imaging and spectral observations of quasi-periodic pulsations in a solar flare［J］. The Astrophysics Journal，2015：807，72-84.

［3］Li T，Zhang J. Quasi-periodic slipping magnetic reconnection during an X-class solar flare observed by the solar dynamics observatory and interface region imaging spectrograph［J］. The Astrophysics Journal Letter，2015，804：8-15.

［4］Lemen J R，Title A M，Akin D J，et al. The Atmospheric Imaging Assembly（AIA）on the Solar Dynamics Observatory（SDO）［J］. Solar Physics，2012，275，17-32.

［5］Ning Z，Innes D E，Solanki S K. Line profile characteristics of solar explosive event burstsp［J］. Astronomy and Astrophysics，2004，419：1141-1148.

［6］Jongchul C，Wang H M，Goode P R，et al. Comparison of transient network brightenings and explosive events in the solar transition region［J］. The Astrophysical Journal，2000，528：119-122.

通信地址：江蘇省南京市北京西路2號紫金山天文臺407（110008）

電話：（025）83332128

E-mail：ningzongjun@pmo.ac.cn

Study for Celestial Speed Detection of Integrated Navigation in Deep Space Exploration

NING Zongjun1，LI Dong1，DAI Yu2
（1. Key Laboratory of Dark Matter and Space Astronomy，Purple Mountain Observatory，Nanjing 210008，China；2. School of Astronomy & Space Science，Nanjing University，Nanjing 210093，China）

The main idea of autonomous navigation based on velocity measurement is to detect the on-sight speed of the star in the space when the satellite sees it using the spectrograph. The Sun is one of the most important observation targets in space. In this paper，we analyze the data of the space-born spectrograph to observe the Sun at five different positions. Each data set has a period of about one hour. Using the Gaussian profile fitting，we can get the intensity，width and speed. The mean speed is about 10 km/s with a standard deviation of 3 km/s，which is caused by the small scale activities on the solar surface.

integrated navigation；high resolution；astronomy speed-detection

V249.32+3

A

2095-7777（2016）03-0225-4

10.15982/j.issn.2095-7777.2016.03.005

寧宗軍（1972-），男，研究員，博士生導師，主要研究方向：太陽物理的多波段分析研究。）

［責任編輯：高莎］

2016-05-26；

2016-06-01

國家自然科學基金資助項目（11573072）；科技部973項目（2014CB744200）