[科普中国]-天文导航

简介

日月星辰构成的惯性参考系，具有无可比拟的精确性和可靠性，将导航方法建立在恒星和行星参考系基础上，具有直接、自然、可靠、精确的优点2。天文导航就是建立在这些惯性参考系基础上，运用天体测量仪器来获取天体相对于测量点的天体方位和高度等信息，并解算出导航信息。

导航原理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。

天文导航利用画圆求交点的方法来确定观测点所在载体的位置信息，由此进行导航。具体过程如下：

1）画圆：确定天体投影点所在位置信息为圆心，并确定该投影点到观测点在球面上的最短距离（即连接投影点和观测点的大圆上的弧度值）即为圆的半径，由此可以画出该位置圆；

如右图所示，投影点的位置信息由天体赤纬Dec和地方时角LHA共同决定，两者可以通过航海天文历得到；圆的半径即天体顶距z，由六分仪等测量仪器测得的天体高度角H计算得到（）。

2）求交点

在上一步“画圆”的基础上，可以利用萨姆纳法或高度差法来求解两圆或三圆的交点（观测不同天体或不同时间观测同一天体可以得到不同的位置圆），即为观测点所在载体的位置信息。

常用仪器常用的天文导航仪器有星体跟踪器、天文罗盘和六分仪等。星体跟踪器(星敏感器)能从天空背景中搜索、识别和跟踪星体，并测出跟踪器瞄准线相对于参考坐标系的角度；天文罗盘通过测量太阳或星体方向来指示飞行器的航向；六分仪通过对恒星或行星的测量而指示出飞行器的导航信息。
最为典型的仪器就是六分仪，通过测量天体的高度信息来进行后续的导航解算，如右图所示，其测角原理如左图所示。

AB是一条从天体射出的光线，经过六分仪上的指标镜B和水平镜C，入射到人眼D。

由平面反射镜定理：一条光线经过两个不同平面的两次反射后，入射光线与出射光线的夹角是两反射面夹角的两倍。

可知角ADC等于角BGC的两倍，而角ADC即为天体的高度角，由六分仪测量得到的角BGC，就可以得到天体的高度角信息。1

特点1）被动式测量、自主式导航

天文导航不依赖其他外部信息，也不向外部辐射能量，被动获取导航信息，是一种完全自主的导航方式。

2）导航精度高

天文导航相比于其他导航技术其精度不是最高的，但其误差不随时间积累，对于长期运行的运载体来说很重要，且定位精度取决于敏感器的精度。

3）抗干扰能力强、可靠性高

天体的空间运动不受人为干扰，具有很好的稳定性，同时天文导航也不受电磁场的干扰。

4）可同时提供位置和姿态信息

天文导航不仅可以提供位置和速度信息，还能不增加硬件成本下提供姿态信息。

5）导航误差不随时间积累

地球到恒星的方位基本保持不变，非常适合长时间自主运行和导航定位精度要求较高的领域。1

缺点1）输出信息不连续；

2）在某些情况下会受到外界环境的影响，比如气候条件十分恶劣的情况下。1