第4章 天文导航(4课时)

14
1 概论
1.1 天文航海（7）
六分仪（Sextant）
由分度弧、指标臂、动镜、定镜、 望远镜和测微轮组成，弧长约为 圆周的六分之一。
天文导航
1730年英国数学家John
Hadley
15
1 概论
1.1 天文航海（8）
天文导航
16
1 概论
1.1 天文航海（9） 天文钟
利用它所指示的时间与地 方时的时差，可测定船舶 所在位置的经度。
1 概论
1.3 天文导航的观测（2）
隐蔽性好，可靠性高
天文导航
作为天文导航基准的天体，其空间运动规律不 受人为破坏，不怕外界电磁波的干扰，具有安全、隐 蔽、生命力强等特点，从根本上保证了天文导航系统
最完备的可靠性。
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1 概论
1.3 天文导航的观测（3）
适用范围大，发展空间广
天文导航
不受地域、空域和时域的限制，是一种在整个宇 宙内处处适用的导航技术，发展空间极其广阔。天文 导航系统可实现全球、昼夜、全天候、全自动导航。
2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（3）
1）太阳敏感器 （2）
天文导航
38
2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（4）
天文导航
2）星敏感器（1） 敏感恒星的辐射并测量飞行器相对于该恒星方 位的一种光学姿态敏感器 star sensor 恒星的张角非常小，测量精度很高，是当前测 量精度最高的姿态敏感器 星光非常微弱，信号检测比较困难，需要使用 高灵敏度的图像传感器（CCD） 星敏感器是星跟踪器(star tracker) 的一部分 ，星跟踪器需要安装星敏感器才能发挥跟踪星体的 作用。 39
30
1 概论
1.5 天文导航发展趋势（1） 总体发展趋势：
天文导航
提高定位定向精度与导航定位的自动化
、智能化水平，实现昼夜导航、全天候导航
和全球导航。
31
1 概论
1.5 天文导航发展趋势（2）
高精度定位定向：小型化高精度垂直陀螺仪
天文导航
昼夜导航：高质量成像、星光检测、昼夜星光自动跟踪、
高精度复合控制
是航海人员所应掌握的主要导航方法之一，
同时它也是衡量航海人员基本素质的标准。
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2 现代天文导航
天文导航
现代天文导航的定位是通过敏感器观测
天体来确定载体位置。
弹载天文导航 星载天文导航 航天器天文导航 机载天文导航 34
2 现代天文导航
2.1 航天器天文导航
天文导航
在航天器飞行过程中，那些便于用星载
1.1 天文航海（4）
天文导航
夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则悟矣。
——西汉《淮南子·齐俗训》
夫群迷乎云梦者，必须指南以知道；竝(并)
乎沧海者，必仰辰极以得反。
——晋 葛洪《抱朴子外篇· 嘉逐》
12
1 概论
1.1 天文航海（5）
天文导航
大海弥漫无边，不识东西，唯望日、月、星
宿而进。
——东晋 法显 天竺取经 海路返回
天文导航
星敏感器
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2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（14）
2）星敏感器（11） 应用在其它平台
天文导航
星敏感器在卫星上
海基平台（美国北极星潜艇 、俄罗斯“德尔塔”级
弹道导弹核潜艇等） 弹载平台（“三叉戟”II型弹道导弹 、民兵III地地导弹） 机载平台（美国B-2A轰炸机、RC-135侦察机、前
地球敏感器-------地球辐射红外信息
紫外敏感器-------天体辐射紫外信息
X射线探测器-----脉冲星发射的X射线光子
空间六分仪
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2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（2）
天文导航
1）太阳敏感器（1） 通过敏感太阳矢量的方位来确定太阳矢量在星 体坐标中的方位，从而获取航天器相对于太阳方位 信息的光学姿态敏感器。 使用最广泛 所有卫星都配有 近似点光源 高亮度 高信噪比 光学头部 传感器部分 信号处理部分 0-1式 模拟式 数字式 小型化 模块化 标准化 长寿命 大视场 高精度 高可靠性 37
设备进行观察的自然天体就构成了天文导航
的信标，通过对信标观测所获得的数据进行
处理后，可获得航天器的所在位置。
航天器天文导航就是通过观测天体来测
定飞行中的航天器所在位置的技术。
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2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（1）
太阳敏感器-------太阳可见光 星敏感器---------恒星可见光
天文导航
2.2 常用天体敏感器（9）
2）星敏感器（6）
天文导航
光轴
44
2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（10）
2）星敏感器（7） 提取星像坐标 坐标系：像平面坐标。
天文导航
y
o
45
x
2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（11）
2）星敏感器（8）
德国Jena公司，ASTRO-10
天文导航
视场17°1 4°
或等高圆。
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1 概论
1.2 天文导航的特点（1）
船舶的定位步骤：
1）利用六分仪测得某恒星的高度角
天文导航
2）根据天文年历及天文钟的时间，查出该时刻恒星星下点
的位置，半径根据天体的观测高度经计算得到 3）在地图上作出一个等高圆 4）用同样的方法观测另外一颗恒星可得到第二个等高圆 5）两个圆有两个交点，一个是舰船的真实位置，另一个是 虚假位置。
更新率：10Hz 探测星等：5.4Mv
精度：10
面阵： 670 520 动态性能2 °/s
46
2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（12）
2）星敏感器（9）
JPL， FSC701
天文导航
视场22°22 °
更新率：30Hz 探测星等：6Mv
精度：8.7
面阵：10241024 动态性能： 4 °/s
战略导弹核潜艇 星光-射电组合导航
1993 法 弹道导弹核潜艇 光电潜望镜 俄罗斯航母 天文-惯导组合导航
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1 概论
1.4 天文导航的军事应用（2）
空天武器的天文导航
美 B52远程轰炸机 天文自动罗盘
天文导航
美 B57远程轰炸机(仿英堪培拉 越战) 光电六分仪 1965年 美 三叉戟导弹 星光/惯性制导
26
1 概论
1.3 天文导航的观测（4）
设备简单，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，是一种难得的精确导航定位
与校准手段 。
27
1 概论
1.4 天文导航的军事应用（1）
潜艇舰船的天文导航
天文导航
1974 美 第一代CCD星敏感器 定位→定姿 1990 美 星光—惯性捷联组合导航 前苏联 弹道导弹核潜艇 天文导航潜望镜
7世纪，阿拉伯人控制了东西贸易
宋 天文导航为主 指南针为辅
辛巴达
组合导航
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1 概论
1.1 天文航海（6）
天文导航
元 北极星的高度 确定 南北向的位置
观星辨向→观星定位
明代 过洋牵星术 郑和下西洋 计算地理纬度 欧洲 15世纪 北极星/太阳中天高度→纬度 18世纪 六分仪(1730)和天文钟(1735)
−������ −������ ������
(x,y)
Os
星敏感器 透镜
Xs
光轴指向
f
(x0,y0)
星像坐标
像平面
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2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（8）
2）星敏感器（5） 星 敏 器 工 作 过 程
拍摄星图
信号处理
天文导航
星像 提取
导航星库
星图 识别
姿态 计算
姿态输出
43
2 现代天文导航
α和δ分别是该恒星 拍摄时刻在惯性系 下的赤经和赤纬。 41
2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（7）
2）星敏感器（4） 恒星单位矢量在星敏感器器 坐 标系中的表示为
Zs
天文导航
天球
Ys
������ =
������ ������������ + ������������ + ������������
2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（5）
2）星敏感器（2）
天文导航
40
2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（6）
2）星敏感器（3） 恒星单位矢量在惯性坐标 系下表示为
天文导航
������������������������������������������������ ������ = ������������������������������������������������ ������������������������
1970年 美 超音速运输机 天文/惯性/多普勒组合
B2 天文/惯性 前苏联 第一代洲际弹道导弹SS-8 天文/惯性制导 目前各种导弹、精确制导炸弹 制导方式之一
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1 概论
1.4 天文导航的军事应用（3）
卫星和宇宙飞船等的天文导航
天文导航
星体敏感器、红外地平仪和空间六分仪等设备 深空探测航天器自主导航 天文导航或惯性导航 GPS只用于深空探测航天器近地段的导航
天文导航
天文航海
技术 克里特岛
9
1 概论
1.1 天文航海（2）
公元前1100年 腓尼基人 直布罗陀海峡 大西洋
天文导航
西班牙海岸
总结利用北斗
北 斗 七 星
七星导航方法
10
1 概论
1.1 天文航海（3）
2000年前 波利尼西亚人 南太平洋 大三角
天文导航
夏威夷
新西兰
复活岛
复活节岛的巨大石雕像
11
1 概论
47
2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（12）
2）星敏感器（9）
JPL， HAST
天文导航
视场来自百度文库.8°8.8°
更新率：56Hz 探测星等：5.5Mv
精度：0.18
面阵：10241024 动态性能： 20 °/s
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2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（13）
2）星敏感器（10） 应用在卫星上
天文导航的观测包括
观测对象：所有发光或反光的天体 星座 星名 大熊 小熊 猎户座 织女一
天文导航
日 月 恒星
星等
亮暗程度 1~6等
天文观测量：与观测天体相关的物理量或辅助量
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1 概论
1.2 天文导航的观测（2）
星下点—— 某时刻星体与地 心连线与地球表面的交点。
天文导航
高度——观测者所在位置和
苏联的轰炸机Tu-16、Tu-95、Tu-160等飞机 ）
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2 现代天文导航
2.2 常用天体敏感器（15）
天文导航
天文导航
天文导航
2
天文导航
1 概论
2 现代天文导航
3 总结
1 概论
天体
天文导航
天体是宇宙空间中各种星体的总称，天
体包括自然天体（恒星、行星、卫星、彗星
、流星等）和人造天体（人造卫星、空间站
和宇宙飞船等）。
4
1 概论
天体位置（1）
天文导航
自然天体按人类难以干预的恒定的规律
运动，人们通过长期的观察与计算，掌握了
22
1 概论
1.2 天文导航的观测（6）
天文导航
23
1 概论
1.3 天文导航的观测（1）
自主性强，无误差积累
天文导航
天文导航以天体作为导航基准，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，而且其定位误差和航向误差不随时间的
增加而积累，也不会因航行距离的增大而增大
24
全天候导航：星光检测、射电源、小型高灵敏度接收天线
红外天文探测
自动化导航：自动捕获、自动跟踪、自动检测 32
1 概论
1.5 天文导航发展趋势（3）
天文导航
天文导航因其精度较高，误差不随时间
积累，抗干扰能力强，在现代航空、航天领
域仍处于广泛使用中。但卫星导航的出现，
使天文导航退居次要地位。在现代航海中仍
自然天体的运动规律，给出了按年度出版的
反映自然天体运动规律的天文年历。
5
1 概论
天体位置（2）
天文导航
天文年历中给出了太阳、月球、各大行
星和千百颗基本恒星在一年内不同时刻相对
于不同参考系的精确位置。
6
1 概论
天文导航
天文导航是指通过天体测量仪器被动探
测天体位置，以已知准确空间位置的自然天
体为基准，经解算确定测量点所在载体导航
所观测天体的连线与当地水 平面所成的角度。 顶距——观测者所在位置和 所观测天体的连线与测者所 在位置的垂线所成的角度。
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1 概论
1.2 天文导航的观测（3）
AA’——以PG为圆心，球面 距离即真顶距Z＝90°－h t 为半径，在球面上可作一 小圆，测者A一定在该圆上，
天文导航
我们称这个圆为天文船位圆
信息的技术。
确定载体的位置信息（经度、纬度）
确定载体的姿态信息（横滚角、俯仰角和航向角）
7
1 概论
天文导航
天文导航起源于航海，主要研究船舶在
海上如何利用天体导航定位。
在20世纪30年代无线电导航出现前的
2000多年里，天文导航一直是唯一可用的航 海导航手段。
8
1 概论
1.1 天文航海（1）
4000年前 克里特岛 米诺人 初步掌握
天文导航
1735 英国人J.哈里森
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1 概论
1.1 天文航海（10）
天文导航
1837年 美国 T.H.萨姆纳发现高度位线法，
在海上同时测定船位的经度和纬度，奠定了
近代天文定位的基础。
1875年 法国海军军官圣伊芙尔发明“高度
差”法，简化了天文定位线测定作业。
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1 概论
1.2 天文导航的观测（1）