天文导航的原理及应用

天文导航的原理及应用
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（纵轴）与天体方向（即望远镜轴线方向）之间的夹角（称为航向角）。

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（图1），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(图2)。

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)。

天文导航的分类
按星体的峰值光谱和光谱范围分，天文导航可分为星光导航和射电天文导航。

观测天体的可见光进行导航的叫星光导航，而接收天体辐射的射电信号(不可见光)进行导航的叫射电天文导航。

前者可解决高精度昼夜全球自动化导航定位，后者可克服阴雨等不良天气影响，通过探测射电信号进行全天候天文导航与定位。

根据跟踪的星体数，天文导航分为单星、双星和三星导航。

单星导航由于航向基准误差大而定位精度低，双星导航定位精度高，在选择星对时，两颗星体的方位角差越接近90°，定位精度越高。

三星导航常利用第三颗星的测量来检查前两次测量的可靠性，在航天中，则用来确定航天器在三维空间中的位置。

仪器和系统航空常用的天文导航仪器有星体跟踪器、天文罗盘和六分仪等。

自动星体跟踪器(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位置和距离。

天文导航系统通常由星体跟踪器、惯性平台、计算机、信息处理电子设备和标准时间发生器等组成。

星体跟踪器是天文导航系统的主要设备，一般由光学望远镜系统、星体扫描装置、星体辐射探测器、星体跟踪器信号处理电路和驱动机构等组成（图3）。

它通过扫描对星体进行搜索，搜索到星体之后立即转入跟踪状态，同时测出星体的高度角和方位角。

星体跟踪器的辐射探测器在飞机上较多采用光电倍增管和光导摄像管，在航天器上较多采用光导摄像管和析像管。

电荷耦合器件是70年代发展起来的一种探测器，它体积小、灵敏度高、寿命长,不用高压供电,能直接获得精确的空间信息，近年来在飞机、导弹、航天飞机和卫星上得到广泛应用，并为星体跟踪器小型化创造了条件。

天文导航应用
天文导航经常与惯性导航、多普勒导航系统组成组合导航系统。

这种组合式导航系统有很高的导航精度，适用于大型高空远程飞机和战略导弹的导航。

把星体跟踪器固定在惯性平台上并组成天文－惯性导航系统时，可为惯性导航系统的状态提供最优估计和进行补偿，从而使得一个中等精度和低成本的惯性导航系统能够输出高精度的导航参数。

在低空飞行时因受能见度的限制较少采用天文导航，但对于高空远程轰炸机、运输机和侦察机作跨越海洋、通过极地、沙漠上空的飞行，天文导航则很适用。

对于远程弹道导弹，天文导航能修正发射点的初始位置和瞄准角误差，所以特别适用于机动发射的导弹。

弹道导弹可在主动飞行段的后期使用天文
导航，也可借天文导航完成再入后的末制导用以修正风的影响。

星体跟踪器对星体的瞄准能建立精确的几何参考坐标，并且在空间没有云的干扰，因而天文导航（星光制导）在航天器上得到更广泛的应用。

美国1995年开始的导航战研究结果表明，GPS系统在未来战争中可能谁都无法使用，为此更加注重研究和实施两种以上导航体制并存的格局，并特别强调天文导航系统应用的重要性。

天文导航以其定向精度高、可靠性好及稳定性优越的特点，被广泛地应用于军事领域。

从一般的航海六分仪到自动的星体跟踪器，到潜艇专用的天文导航潜望镜定位系统，又到飞机、导弹的天文定位系统，进而到卫星与航天飞机的星体跟踪器与空间六分仪。

天文导航不仅能够独立地为运载体提供航向、位置信息，而且还可用于航空航天和航海领域对惯导系统的定位误差校正。

天文导航的实际应用例子举不胜举，从1959年美国第一艘导弹核潜艇上的“11型”天文导航潜望镜、1964年7月装备在“阿诺德将军号”上的FAST星体跟踪器、“享茨维尔”号测量船上的NAST系统、1970年装备在超音速运输机上的LN-20、1984年在麦克级(MIKE)核潜艇上安装的“鳍眼”射电六分仪和光学(天文)跟踪装置、1987和1988年对LN-20的两次改进，1993年法国凯旋级弹道导弹核潜艇上的M92型光电六分仪，直到1997年开始服役的NAS一27天文导航单元等等，都是天文导航的实际应用。

目前，美军的B-52、FBlll、B-1B、B-2A、C-141A、SR-71、俄罗斯的TU-16、TU-95、TU-160等都装有天文导航设备。

尤其是，1990年美国海空发展中心和诺斯洛普公司联合推出的天文导航系统定位精度达到60英尺，标志着传统的天文导航理论和技术已经取得长足的进展。