[科普中国]-天文导航系统

天文导航

所谓自主导航技术是指不与外界进行信息的传输和交换，不依赖于地面设备的定位导航技术。天文导航是利用光学敏感器测得的天体（太阳、月球、地球、行星和恒星）的信息进行载体位置计算的一种定位导航方法。天文导航和惯性导航技术一样同属于自主导航技术。

天文导航是在航天、航海和航空领域正在得到广泛应用的自主定位导航技术。尤其对登月、载人航天和远洋航海是必不可少的关键技术，还是卫星和远程导弹和运载火箭、高空远程侦察机等的重要辅助导航手段。

天文导航特点有：

1，和惯性导航技术同属于自主导航技术

所谓自主导航技术是指不与外界进行信息的传输和交换，不依赖于地面设备的定位导航技术。天文导航是利用光学敏感器测得的天体（恒星、近天体）的信息进行载体位置的计算。天文导航和惯性导航技术一样同属于自主导航技术。

2，定位精度不很高，但误差不积累，其精度取决于光学敏感器的精度

相比其他导航方法来说，天文导航的精度不是最高的，但其不像惯性导航存在误差随时间积累的问题，这一点对长时间运行的载体来说是非常重要的。天文导航的定位精度主要取决于光学敏感器的精度。

3，不仅可以提供位置信息，还可以提供高精度的姿态信息

但天文导航也存在不足之处：在某些情况下受外界环境的影响—如气候条件；存在输出信息不连续的问题。

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)。1

应用范围1，长时间运行的载体

航空：远程侦察机、运输机、轰炸机。

航天：卫星、飞船、空间站、深空探测、远程导弹。

航海：舰船、潜艇。

2，要求高导航定位精度的领域。

3，要求自主定位导航的领域。

天文导航系统的分类按照观测星体数目多少，天文导航分为单星导航和多星导航。单星导航也称为跟踪式导航，需要星跟踪器有伺服转台保持对星体的跟踪；多星导航也称星图匹配式导航，需要在星敏感器视场中观测到三个以上的星体。各星体之间的方位角差最好在60°~90°之间（越接近 90°越好），高度（俯仰角）最好在 15°~6°之间，星图匹配式导航的精度要优于跟踪式导航。

按照星体的峰值光谱和光谱范围分，天文导航可分为星光导航、射电天文导航。观测星体的可见光导航和红外导航叫星光导航，而接收天体辐射的射电信号进行导航的叫射电天文导航。

根据测星定位定向原理，天文导航可分为 3 种体系结构：

一是基于六分仪原理的天文导航系统，二战前，天文定位是主要的导航手段，许多舰船都配备了天文导航的各种仪表、天文钟和手持航海六分仪。二战后，出现了六分仪和潜望镜相结合的应用。

二是基于"高度差法"的天文导航系统，这种系统具有两个特点：

（1）导航过程中要依赖于惯导平台提供的水平基准。

（2）系统光学分辨率高，抑制背景噪声能力强，导航精度高。

三是基于星图识别的多星矢量定位技术的天文导航系统。该系统具有如下特点：（1）大视场光学系统。视场内平均三颗以上的星体被利用，这样可以提高系统捕获星体的概率和导航精度；（2）不需要任何外部信息，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。

按照安装平台划分，可分为海基、陆基、机载、弹载、天基 5 种应用平台。2

发展趋势随着微电子与计算机技术、光电探测技术的不断发展以及军事领域和太空探索的更高需求，天文导航技术今后的发展趋势是：
(1)，发展多波段、小型、高精度、全自动、全天候光电天文导航系统。
(2)，向自主导航方向发展，主要解决高精度水平基准问题。
(3)，提高天文导航系统的导航数据输出率、可靠性和方便性。
(4)，研制新型的红外波段(主要是0．85～3 波段)和毫米波光电探测器件，向高精度、多波段组合光电导航模式发展。

(5)，未来的天文定位系统的精度可能达到l角秒，定位精度达到30米，从而在激烈的战争环境下可替代GPS设备。
(6)，未来几年，大视场光电天文导航系统主要朝以下几个方向发展：用APS传感器代替CCD传感器。APS的优势在于：提高了辐射阻抗、大的动态范围、独立的像素积分时间控制等。使用一片SOPC式微控制器和几块ASIC芯片(用FPGA技术实现)就能满足跟踪器对控制和处理电路的要求。这样，跟踪器的质量和大小就主要取决于光学部件，从而使整个系统的的成本大大减小而应用却进一步扩大。采用50_300的大视场和小焦距光学系统。3