[科普中国]-天文导航仪

相关背景

天文导航作为一种隐蔽、可靠的导航手段，其主要用途有导航、校准惯导及为武器系统提供位置、航向和姿态信息等。

现代高技术战争的重要特点是强电子对抗和精确打击，这对导航系统的可靠性和精度提出了更高的要求。

强电子对抗使战场环境极其恶劣，电磁干扰使得包括导航设备在内的诸多电子设备失灵。GPS作为目前定位精度最高的导航系统，在和平时期或拥有制电磁权的条件下，优势得以充分体现。但在对方具有电子对抗能力的情况下，GPS的作用将受到严重影响。如在2003年的伊拉克战争中，美军在对伊拉克的打击中使用的大部分(美军方称达68%)是精确制导武器，主要有舰(潜)射“战斧” BlockⅢ巡航导弹、空射“风暴前兆”和AGM-86B /C巡航导弹、“宝石路”制导炸弹、联合直接攻击武器(JDAM)和联合防区外武器(JSOW)，这些精确制导弹药均采用了GPS制导，命中精度高。但在伊军的有限干扰下，美军发射的部分GPS制导导弹明显偏离了预定目标。另外，作为历史较为悠久的陆基无线电导航系统在战时也会面临与GPS同样的问题。而天文导航作为一种隐蔽、无源、被动的导航手段不存在类似问题，在战时将具有极高的军事应用价值。

惯性制导导弹的打击精度与发射平台的位置、航向和姿态密切相关,这对舰艇位置、航向和姿态的精度提出了很高的要求。惯导作为一种战时能全面提供导航信息的可靠手段在一定时段内能保证一定的精度，但随着惯性器件的漂移，其导航精度难以满足武器系统的需求。天文导航以宇宙中具有精确空间位置的天体作为导航信标，其精度主要取决于设备本身，无时间累积误差,是一种可靠的高精度导航手段。同时，天文导航系统的航向精度在现有舰艇导航设备中是最高的，可为武器系统提供精确的位置、航向和姿态信息。
基于自身的特点和优势，天文导航一直受到国外军方的重视，已成为综合导航系统的重要组成部分，广泛应用于舰艇、飞机、导弹和空间飞行器等。目前，国外天文导航在小视场测星定位系统的基础上又形成了大视场测星定位和射电测星定位两种系统，并正在从传统的可见光测星定位向可见光测星定位和射电测星定位相结合的方向发展，从传统的小视场测星定位向小视场测星定位和大视场测星定位相结合的方向发展，以提高天文导航系统的精度和数据输出率，实现天文导航系统的高精度、自主、全天候和多功能化,满足多种作战平台的需要。1

天文导航原理天文导航是以太阳、月球、行星和恒星等自然天体作为导航信标，以天体的地平坐标(方位或高度)作为观测量，进而确定测量点地理位置(或空间位置)及方位基准的技术和方法。

航空和航天的天文导航都是在航海天文导航基础上发展起来的。航空天文导航跟踪的天体主要是亮度较强的恒星。航天中则要用到亮度较弱的恒星或其他天体。以天体作为参考点，可确定飞行器在空中的真航向。使星体跟踪器中的望远镜自动对准天体方向，可以测出飞行器前进方向与天体方向（即望远镜轴线方向）之间的夹角，即航向角。由于天体在任一瞬间相对于南北子午线之间的夹角（即天体方位角）是已知的。这样，从天体方位角中减去航向角就得到飞行器的真航向。通过测量天体相对于飞行器参考面的高度就可以判定飞行器的位置。以地平坐标系在飞行器上测得某星体C的高度角h，由90°-h 可得天顶距z，以星下点(天体在地球上的投影点)为圆心，以天顶距z所对应的地球球面距离R为半径作一圆，称为等高圆。在这个圆上测得的天体高度角都是h。同时测量两个天体C1、C2,便得到两个等高圆。由这两个圆的交点得出飞行器的实际位置 M 和虚假位置M′。再用飞行器位置的先验信息或第三个等高圆来排除虚假位置，经计算机解算即得出飞行器所在的经、纬度(λ、φ)。2

天文导航仪分类根据测星定位定向原理，天文导航仪主要包括3种体系结构。

基于六分仪原理的天文导航仪二战前，天文定位是主要的导航手段，许多战船都配备天文导航的各种仪表、天文钟和手持航海六分仪。当时，航海六分仪的主要产品有：德国汉堡普拉特仪器厂生产的普拉特六分仪；美国海军军械实验室研制的MARK型航海六分仪；英国伦敦希思公司生产的DELUXE型六分仪；苏联也生产各种手持航海六分仪和航海气泡六分仪。二战后,出现了六分仪与潜望镜相结合，研究水下测天定位技术的热潮。期间，法国PIVAIR潜望镜中的精密六分仪和英国CK034、CK035潜望镜中采用的AHPS型人工水天线六分仪系统是这其中的佼佼者。

基于“高度差法”的天文导航仪基于“高度差法”的天文导航最早用于水面舰船和水下潜艇，后来陆续用于飞机和导弹。从工作原理看具有以下共同特点：①导航过程要依赖于惯导平台提供的水平基准。它同惯导相互依存，既要痛过惯导获得运载体的初始位置、姿态,以便实施对星体的搜索、捕获和跟踪，又利用自身解算出的运载体位置和航向信息，反过来校正惯导因长时间工作而导致的位置和航向误差；②系统光学分辨率高，抑制背景噪声能力强，因而导航精度高。俄罗斯“德尔塔”级弹道导弹核潜艇采用天文/惯导组合导航系统，定位精度为0. 25nmile；法国“胜利”级弹道导弹核潜艇上装有M92光电天文导航潜望镜；德国212型潜艇上也装备了具有天文导航功能的潜望镜。

基于多星矢量定位技术的天文导航仪基于多星矢量定位技术的天文导航系统最大的优点就是可不借助于任何先验信息而自主确定运载体相对于惯性空间的姿态。系统的工作过程主要由大视场成像、多星体目标同步提取、星图识别、导航解算等几步组成。该技术具有如下特点：①大视场光学系统(一般为10× 10～ 50× 50范围)。视场内平均有3颗以上的星体被利用，这样可提高系统捕获星体的概率和导航精度；②不需任何外部信息，直接输出系统相对于惯性空间的姿态，因而能对惯导的陀螺误差进行直接校正；③确定运载体惯性姿态的精度是现有测量设备中最高的；④系统在大气层以内工作时，受天候影响较大，可靠性有待进一步提高。

天文导航的优越性1)被动式测量，自主式导航
天文导航以天体作为导航信标，被动地接收天体自身辐射信号，进而获取导航信息，是一种完全自主的导航方式。工作安全、隐蔽。
(2)抗干扰能力强，高度可靠
天体辐射覆盖了X射线、紫外、可见光、红外整个电磁波谱，从而具有极强的抗干扰能力。此外，天体的空间运动规律不受人为改变,这从根本上保证了天文导航最完备的可靠性.
(3)适用范围广，发展空间大
天文导航不受地域、空域和时域的限制，是一种在宇宙空间内处处适用的导航技术。对地面导航而言，技术成熟后可实现全球、昼夜、全天候、全自动天文导航。
(4)设备简单造价低,便于推广应用
天文导航不需要设立陆基台站，更不必向空中发射轨道运行体，设备简单，工作可靠，不受别人制约，便于建成独立自主的导航体制。3

发展历史我们的祖先曾走在天文导航的前列，西汉《淮南子·齐俗训》记载“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则悟矣”，表明当时已经使用“北斗导向”；元代我国航海天文技术已能通过观测星的高度来确定船的纬度；明代郑和船队通过“日月升坠辨东西，星斗高低量远近”，使人类真正实现了远洋航行，这套“牵星为准，所实无差”的技术，被形象定名为“牵星过洋术”。一百多年后，欧洲才逐渐掌握这方面技术，告别了轮船“白昼顺风沿岸航行”的历史。

十七世纪，欧洲工程师们设计出了能在晃动的甲板上快速、精准测量天体高度的六分仪，英国国会又以两万英镑奖金征集到适于远航计时的高精度天文钟。前者大大提高了观测天体高度的准确性，便于测定纬度；后者可在海上用时间法推算经度，二者成功奠定了近代天文导航的基础。

从此，欧洲人开始领跑天文导航，迎来了持续近两个世纪的大航海时代，最终用商船、炮舰将世界的中心由东方迁移到西方。

而今，新技术的突飞猛进使天文导航实现了观测更快、更准、更自动化的飞跃，但是当年的测定机理、测算办法等迄今仍在应用。现在，利用多孔径星体敏感器可轻易观测到数以万计的恒星，利用高速扫描技术高超音速导弹也不会出现“拖尾”，军事强国甚至利用观测和计算优势可将测量精度提升至接近GPS水平。4