天文导航的原理及应用
天文导航概述
p
地面真地平 地心真地平
A ht’ ht 90o-ht PG ht
ht=ht’+p
天文船位圆： 圆心：天体地理位置PG 半径：90o－ht
第二节 天文导航主要内容
➢ 1、为了确定天体地理位置PG：天球坐标 ➢ 2、天体在天球坐标系中的位置变化是有规律的：天体视
运动 ➢ 3、天体位置随时间变化：精确时间（时间系统）对应精
航海学简介
航海学（Navigation）
研究有关船舶在海上航行的航线选择与 设计、船位的测定和各种条件下的航行方 法等重要问题，为船舶安全、经济航行提 供保障。
航海学主要研究内容
航线拟定 确定船位： 测定船位－－陆标定位 (地文航海)
－－天文定位 (天文航海)
－－无线电定位 (电子航海)
航行方法：大洋航行、沿岸航行、狭水道航行
特殊条件下航行(雾中、冰区航行)
天 文 导航
第一章 概论
天文定位是利用天体在海上进行定位的 技术，是船舶在大洋航行时获取船位非 常重要的一种方法。
可供定位天体：恒星、太阳、月亮和行 星
第一章 概论
➢ 十九世纪Βιβλιοθήκη 页，由法国航海家圣·希勒尔 （St.Hilaire）提出的高度差法又称截距法
➢ 优点：设备简单、可靠，观测的目标是自 然天体而不受人控制，不发射任何声、光 和电波而具有隐蔽性等。
确位置 ➢ 4、为了得到天文船位圆半径：测天体高度（六分仪） ➢ 5、根据天体地理位置及天文圆半径：天文定位
谢谢欣赏
THANK YOU FOR WATCHING
➢ 缺点：受自然条件限制，不能全天候导航， 必须人工观测，计算繁琐等
第一节 天文定位基本概念
距离定位原理
天文导航
式中 r x 2 y 2 z 2 为卫星位置矢量参数
(x,y,z)卫星在惯性坐标系下X、Y、Z方向的位 置 (vx,vy,vz)卫星在惯性坐标系下X、Y、Z方向的 速度 μ是地心引力常数 J2为地球引力系数 ДFx、 ДFy 、 ДFz为地球非球形的高阶摄动、 日月摄动以及太阳光压力摄动和大气摄动 等
2，星光仰角：指从飞行器上观测到的导航恒星与
地球边缘的切线方向之间的夹角
s Υ 星光仰角
飞行器
r
Re 地球
飞行器轨道
Re sr arcsin 星光仰角Υ的表达式为： arccos r r
Re sr arccos arcsin 星光仰角Υ的表达式为： r r 其中r是卫星在地心惯性球坐标系中的位置
dx dt v x dy v y dt dz v z dt z2 dv x x 1 J Re 7.5 2 1.5 Fx 2 3 dt r r r dv y y z2 Re 3 1 J 2 7 . 5 2 1. 5 Fy r r r dt z z2 Re dv z 7. 5 2 4 . 5 Fz dt r 3 1 J 2 r r
地球卫星的轨道动力学模型为二体问题，
其天文导航系统的模型相对简单，我们 以地球卫星为例学习基于轨道动力学的 自主天文导航原理。 根据原理，自主天文导航包括三个部分： 1，建立系统的状态模型 2，建立量测模型 3，估计
1，建立系统的状态模型（状态方程）
系统状态模型即卫星轨道动力学模型
第4章 天文导航(4课时)
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
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。
33
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
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
29
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
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)
星星的指引：宇宙中的导航之谜
1. 人类自古以来就对星星抱有着浓厚的兴趣和好奇心。
除了美丽的景观，星星还帮助人们在夜晚找到方向。
然而，星星的作用不仅止于此。
在宇宙中，星星扮演着重要的角色，为航海家、航天员和科学家提供了宝贵的导航工具。
2. 这是一个神秘而庞大的宇宙，在这个宇宙中，星星点缀其中。
通过观察星星的位置、亮度和运动，人们发现了一种独特的导航方法，称为天文导航。
在没有现代技术的年代，人们依靠星星来指引方向，探索未知的领域。
3. 天文导航的基本原理是依靠星星的位置和运动来确定自身的位置和朝向。
当人们知道自己所处的位置，他们就可以预测星星的位置和运动，并以此为基准来导航。
这需要观察和记录星星的位置和亮度，以及它们与其他星体的相对位置。
4. 在古代，人们用简单的工具如十字杖和星盘来进行天文导航。
十字杖是一种测量天体角度的工具，而星盘则是一个可旋转的圆盘，上面标有星座和星体的位置。
通过将星盘对准特定的星体，人们可以确定自己所处的位置，并根据它们的运动来导航。
5. 随着科学和技术的进步，天文导航变得更加精确和高效。
现代天文导航使用先进的设备和技术来观察和记录星星的位置和运动。
卫星导航系统如全球定位系统（GPS）利用多颗卫星的信息来确定地面接收器的位置和时间。
6. 天文导航不仅在地球上发挥着重要作用，还在太空探索中起到关键性的作用。
航天员们依靠星星来确定他们的位置和飞行方向。
他们使用星座和特定的亮星来导航，确保他们的航天器在正确的轨道上飞行。
7. 此外，天文导航对于深空探测任务也至关重要。
当航天器远离地球时，GPS等卫星导航系统无法提供准确的定位信息。
在这种情况下，天文导航成为唯一的选择。
科学家们通过观测和计算星星的位置和运动来确定航天器的准确位置，以便进行精确的导航。
8. 天文导航不仅仅是为了寻找方向，它还在科学研究中起着重要作用。
通过研究星星的位置和亮度变化，科学家可以深入了解宇宙的演化和结构。
他们可以利用星星的信息来研究恒星的生命周期、星系的形成和演化，以及宇宙的起源和命运。
天文导航基础(四)
探测器上自身携带的量测设备，通过观测天体 进行天文导航的方法。
5.4深空探测器的自主天文导航
天文导航作为辅助导航手段
水手9号拍摄的火卫二图像
海盗号的天文导航
5.4深空探测器的自主天文导航
海盗号的天文导航
水手9号的天文导航
5.4深空探测器的自主天文导航
旅行者号的拍摄的海王星及其卫星
5.4深空探测器的自主天文导航
深空探测器天文导航的关键技术和发展趋势 • 一类是与自主天文导航理论和方法相关的关键技术； • 一类是与导航系统硬件相关的关键技术。
天文导航理论 状态方程的精确建模 新型测量原理和相应量测方程的建立 先进滤波方法及相应的理论在天文导航中的应用 天文组合导航方法
5.4深空探测器的自主天文导航
天文导航系统技术
观测量示意图
5.1.3基于 “日-地-月”导航
通过观测日-地-月信息，确定地心赤道惯性坐标系下的 航天器位置矢量。
几何关系及观测量示意图
5.1.3基于 “日-地-月”导航
几何关系示意图
5.1.4基于星光折射的天文导航方法
• 通过星光折射间接敏感地平方法，是80年代初发 展起来的一种航天飞行器低成本自主定位方案。
5.4深空探测器的自主天文导航
观测量及观测方程
行星的视角
恒星仰角
5.4深空探测器的自主天文导航
观测量及观测方程
掩星观测
5.4深空探测器的自主天文导航
观测量及观测方程
一个近天体和一个远天体间的夹角
夹角确定的位置面
5.4深空探测器的自主天文导航
观测量及观测方程
两个近天体间的夹角确定位置面
两个近天体间的夹角
5.5射电天文导航
天文导航1
如图所示，飞行器与近天体1（例如地球） 的单位位置矢量为 re ，近天体1与3颗导航恒
星的单位方向矢量为 s1 , s 2 , s3 ，A , A , A 的补角分 别为3次观测得到的3个量测量。可得到如 下方程：
1 2 3
恒星1
圆锥1
S1
航天器 S2 A1 Y 行星 R1 O X 圆锥3 A3 L1 S3 恒星3 A2 圆锥2 恒星2
这一几何描述也可用矢量公式表达。设i为 由近天体到恒星视线的单位矢量，这一矢 量的方向可由天文年历计算出来；r为近天 体到飞行器的位置矢量，r为未知量，由矢 量点乘关系可得位置面的数学描述为：
r i r cos A
其中A为已知的观测量。
近天体/飞行器/近天体
在图2.8中V为飞行器，P1、P2为两个近 天体，在t时刻由飞行器载仪表对P1和P2 进行天文测量，通过测量可求得P1与P2 间的夹角A。由几何关系可知，这时的位 置面是以两近天体连线为轴线，旋转通过 这两点的一段圆弧而获得的超环面，这段 圆弧的中心O在P1P2连线的垂直平分线 上，圆弧半径R与两近天体之间的距离rP 以及A的关系为
天文导航
1，概述
2，天文导航位置面的概念
3，基于纯天文几何解析法的天文导航原理
4，基于轨道动力学方程的天文导航原理
§2.1 概述
天文导航：以已知准确空间位置的自然天体
为基准，通过天体测量仪器被动探测天体位 置，经解算确定测量点所在载体的导航信息。 Βιβλιοθήκη 天器天文导航是通过观测天体来测定飞行
中的航天器所在位置的技术。
系统状态方程简写为：
X (t ) f ( X , t ) w(t )
式中，状态矢量 X [ x
天文导航第10章 星光折射间接敏感地平天文导航方法
位置估计误差
1200
速度估计误差
6
估计误差
滤波方差
1000
5
估计误差 滤波方差
800
4
600
3
400
2
200
1
0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
t /min
t /min
位置估计误差约150m（1σ），速度估计误差约0.18m/s（1σ）。
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
折射角获取精度 /″
30
天文导航原理及应用
10.3.2 影响因素分析
3、一个轨道周期内折射星观测次数
位置估计精度/m
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
一个轨道内观测折射星出现的次数
31
天文导航原理及应用
时间/min
速度估计误差
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450
时间/min
图 1 在大气高度 20km-25km 范围内基于折射角的仿真结果
船用天文导航设备在船只导航中的实际应用案例分析
船用天文导航设备在船只导航中的实际应用案例分析导航是船只航行过程中不可或缺的一部分。
随着科技的发展，船用导航设备也得到了广泛应用。
其中，船用天文导航设备以其高精度和可靠性受到了广泛关注。
本文将以三个实际应用案例为例，分析船用天文导航设备在船只导航中的实际应用。
案例一：利用星座导航确定船只位置在航行过程中，准确确定船只的位置是至关重要的。
传统的GPS设备可以满足大多数船只的导航需求，但在某些特殊情况下，GPS信号可能受到干扰或无法到达。
船用天文导航设备则可以提供一种备选的导航方法。
一艘渔船在某天晚上遭遇了GPS信号干扰，无法准确确定船只的位置。
船长立即启用了船用天文导航设备。
通过观察夜空中的星座，并结合已知的星座图表，船长确认了船只的位置。
随后，渔船成功找到安全水域，并顺利完成了本次航行任务。
案例二：借助船用天文导航设备规避危险区域在航行中，船只需要避开危险区域，以确保航行安全。
船用天文导航设备可以提供精确的星体位置信息，帮助船只规避潜在的危险。
一艘货船在航行过程中接近一个浅滩，某个特定时刻则是浅滩最为危险的时刻。
船长利用船用天文导航设备观测了星体的位置并进行了计算，确定了当前的时间。
船长发现此时距离浅滩最近，因此立即采取了措施改变航向，成功避开了浅滩。
案例三：使用船用天文导航设备辅助路线规划船只航行时需要制定合理的航线，以优化航行时间和燃料消耗。
船用天文导航设备提供了精确的星体位置信息，可以辅助航线规划。
一家货运公司需要将货船从一个港口运送到另一个港口。
为了选择最佳航线，船长使用船用天文导航设备观测了多个星体的位置。
根据观测数据和预先设定的路线参数，船长计算出最经济且最快捷的航线。
货船遵循这条航线航行，最终成功抵达目的港口。
综上所述，船用天文导航设备在船只导航中具有重要的实际应用价值。
它可以帮助船只在GPS信号受干扰或无法到达时确定位置，规避危险区域，并辅助航线规划，优化船只航行的效率和安全性。
船用天文导航设备的工作原理及其应用方法介绍
船用天文导航设备的工作原理及其应用方法介绍导航是航海中的重要环节，而天文导航作为传统的导航方法之一，在航海史上扮演着重要的角色。
船用天文导航设备通过观测天体的位置、运动和亮度等参数，并根据天体导航规则和天体表进行计算，以确定船舶的位置和方向。
本文将详细介绍船用天文导航设备的工作原理以及应用方法。
一、船用天文导航设备的工作原理船用天文导航设备主要基于天体的位置和运动进行导航计算。
其工作原理可以分为以下几个步骤：1. 天体观测：船舶上安装有天文仪器，如船舶六分仪、船舶光电全球定位仪等，用于观测天体的位置、亮度和运动等相关参数。
观测通常在夜晚进行，以确保天体的可见性。
2. 计算观测数据：根据观测到的天体数据，包括天体的赤经、赤纬、视差和时间等，利用导航星表和计算公式进行计算。
导航星表是按照天体在天空中的位置和亮度等参数编制的一份详细表格，它能够帮助确定观测到的天体的身份和位置。
3. 确定位置和方向：通过观测数据的计算，船用天文导航设备能够确定船舶的准确位置和航向。
其中，船舶的位置是通过天体的赤经和赤纬计算得出，而航向则是通过天体的方位角和高度角计算得出。
二、船用天文导航设备的应用方法1. 天文纬度法：航海中常用的一种船用天文导航方法是天文纬度法。
该方法是根据某一天体（通常是北极星）在天空中的位置，结合仪器观测数据进行计算，确定船舶所处的纬度。
通过在不同时间观测同一天体的高度角，结合天文表和计算公式，可以推算出船舶的纬度。
2. 天文经度法：天文经度法是通过观测不同天体间的角距离，结合测量时间和观测数据进行计算，确定船舶所处的经度。
在进行观测时，需要准确测量天体的视差、方位角和高度角等参数，并据此进行计算。
天文经度法的精度较高，但观测过程较繁琐，需要船员具备一定的天文观测技能和知识。
3. 光电全球定位仪（GPS）辅助：随着现代技术的发展，船用天文导航设备通常结合GPS导航系统进行使用，以提高导航的准确性和可靠性。
低轨地球卫星自主天文导航基本原理PPT课件
School of Geodesy and Geomatics
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目录
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
i1 • i1 cos1 ir • i2 cos2
ir• rpr Nhomakorabearp
r
co
s
3
School of Geodesy and Geomatics
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纯天文解析导航实例
• 式中，i1,i2为太阳到恒星1和恒星2的单位矢量；r为航天器 相对太阳的位置矢量；rp为地球相对太阳的位置矢量。
• 求解该方程组可得到航天器的位置，但满足该方程的解不 是唯一的。
• 从几何上看，即为两个圆锥面的交线有两条，且这两条交 线与超环面的交点也不唯一。
• 该模糊度可通过航天器位置的预估值或增加观测量来消除。
第八章
天文与深空导航的理论基础 天文导航的天体敏感器 低轨地球卫星自主天文导航基本原理 深空探测器的自主天文导航原理与方法 VLBI技术用于深空探测器导航的原理与方法 USB技术用于深空探测器导航的原理与方法 脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原 理与方法 其他导航技术在深空探测中应用与国内外深空 探测计划
12
3.1.3纯天文几何解析方法基本原理
⑤这两个圆锥相交便确定了两条位置线，航天器就位于这两 条位置线的一条上，模糊度可以通过观测第三颗恒星来 消除。
• 但是，航天器位置的大概值一般已知，因此，航天器的 实际位置线通
天文导航的原理和应用pdf
天文导航的原理和应用pdf1. 引言天文导航是一种利用天体的位置和运动来确定地球或其他天体位置的方法。
天文导航的原理基于天体的固有属性和运行轨迹，通过观测和测量天体的位置和运动，可以确定导航者所处位置的方法。
本文将介绍天文导航的基本原理和其在实际应用中的具体场景。
2. 天文导航的基本原理天文导航的基本原理是利用天体的位置和运动来确定导航者所处位置的方法。
具体而言，天文导航依赖于以下几个关键要素：• 2.1 天体位置测量导航者需要准确地测量天体的位置。
这通常通过使用天文仪器如望远镜进行观测，并结合星表等工具来确定天体的准确位置。
• 2.2 天体运动测量天体的位置随时间变化，因此导航者需要测量天体的运动。
这可以通过观测天体在不同时刻的位置来实现，然后利用数学模型推算天体的运动轨迹。
• 2.3 天体运动模型为了准确地推算天体的位置和运动轨迹，导航者需要建立一定的天体运动模型。
这个模型可以基于天体的物理性质和行星力学原理来构建，并结合天文观测数据进行校准和验证。
• 2.4 导航计算方法最后，导航者需要利用测量到的天体位置和运动信息，结合天体运动模型，进行导航计算。
这个计算过程可以通过数学模型和算法来实现，以确定导航者所处的位置。
3. 天文导航的应用场景天文导航在实际应用中有广泛的应用场景。
以下列举了几个常见的应用场景：• 3.1 航空航天导航天文导航在航空航天领域有着重要的应用。
航空器和宇宙飞船可以通过测量天体的位置和运动来确定自身的位置，从而进行准确的导航和定位。
• 3.2 地理导航天文导航也可以应用于地理导航。
通过观测和测量地球上不同位置的天体，如太阳、北极星等，可以确定观测地点的经纬度等地理信息，从而实现导航和定位。
• 3.3 海上导航在海上航行中，天文导航可以帮助船舶准确地确定自身的位置。
通过测量太阳、月亮和恒星等天体的位置和运动，船舶可以使用天文仪器和导航工具确定自己的经度和纬度。
• 3.4 太空探索天文导航在太空探索中也具有重要的应用。
天文导航的原理及应用
天文导航的原理及应用1. 引言天文导航是一种利用天体进行导航的方法。
它基于天体的位置、轨道和光学特性来确定航向和位置。
天文导航在航海、航空、航天和地质勘探等领域有着广泛的应用。
2. 天文导航的原理天文导航的原理基于天体的观测和测量。
以下是几种常用的天文导航原理：2.1 天体定位通过观测天空中的星体，可以获得它们的位置和轨道信息。
根据已知星体的位置和轨道，可以计算出观测者所处的位置和航向。
2.2 天体测距利用视差原理和测距方法，可以通过测量天体在不同观测点的位置差异来计算观测者与天体的距离。
借助测距原理，可以确定观测者的位置。
2.3 天体引导天体引导是指利用天体的运动来确定观测者的航向。
参考星体的位置和运动特征，观测者可以通过调整航向，使得参考星体始终保持在某个特定的位置。
2.4 天体光学特性天体的光学特性可以提供导航信息。
例如，太阳的位置和亮度变化可以用于季节和时间的测量，而极光则可以用于确定地理位置。
3. 天文导航的应用天文导航在以下领域有着重要的应用：3.1 航海天文导航在航海中扮演着至关重要的角色。
通过观测太阳、星星、月亮等天体，并结合地平仪和天体测距仪等工具，船舶可以确定自己的位置和航向。
3.2 航空在航空领域，天文导航被广泛应用于仪表飞行。
飞行员可以通过观测星星、月亮和太阳等天体，辅之以无线电导航系统，准确确定飞机的位置和航向。
3.3 航天天文导航在航天探测任务中起着重要的作用。
航天器可以利用天体的引力和光学信息，确定自己的轨道和位置，从而进行精确的航天飞行和控制。
3.4 地质勘探天文导航也被应用于地质勘探中的导航和定位。
通过观测地球上的星体和太阳，地质勘探人员可以确定自己的位置和方向，从而进行地质勘察和地质调查。
4. 结论天文导航作为一种利用天体进行导航的方法，具有广泛的应用前景。
通过观测和测量天体的位置、轨道和光学特性，可以准确地确定观测者的位置和航向。
天文导航在航海、航空、航天和地质勘探等领域都发挥着重要的作用，为人类探索和发展提供了重要的帮助。
船用天文导航设备的船只识别与定位技术研究
船用天文导航设备的船只识别与定位技术研究导语：船只的识别与定位对于海上交通管理和安全至关重要。
船用天文导航设备作为一种非常有效的定位技术，被广泛应用于航海领域。
本文将对船用天文导航设备的船只识别与定位技术进行深入研究，探索其应用方向与发展前景。
一、船用天文导航设备的原理和工作原理船用天文导航设备是基于天体测量原理进行船只定位和导航的系统。
其原理是通过观测恒星、太阳、月亮等天体在天空中的位置和时间来确定船只的位置、航向和速度。
该设备由天文望远镜、定位计算器和数据处理器组成。
望远镜用于准确定位天体位置，定位计算器用于计算船只的位置，数据处理器用于存储和处理观测数据。
二、船只识别技术1. 天体测量识别法天体测量识别法是通过观测天体的位置来识别船只。
根据不同的天体观测数据，可以确定船只的位置和航向。
这种方法依赖于船只上的观测仪器的准确性和精度。
对于较小的船只，观测仪器的精度要求更高。
天体测量识别法的优点是准确性高，但需要专业的知识和技能。
2. 无线电识别法无线电识别法是通过接收和分析船只发送的无线电信号来识别船只的位置和身份。
每艘船只都有一个唯一的无线电设备标识码，可以通过该码识别船只。
这种方法无需观测仪器，只需接收无线电信号即可实现船只的识别。
无线电识别法的优点是快速、方便，但精度相对较低。
三、船只定位技术1. 航向测量定位法航向测量定位法是根据船只的航向来确定其位置。
船只的航向可以通过观测天体的位置和时间变化来测量。
根据观测数据和船只的速度，可以计算出船只的位置。
这种方法适用于需要实时定位的船只，但对观测天体的精确度要求较高。
2. 精确测距定位法精确测距定位法是通过测量船只与地标之间的距离来确定其位置。
测距可以使用水声、激光等技术。
根据测距数据和地标的位置，可以计算出船只的位置。
这种方法适用于需要高精度定位的船只，但需要较复杂的设备和算法支持。
四、船用天文导航设备的应用方向1. 海上交通管理船用天文导航设备可以提供准确的船只识别和定位信息，用于海上交通管理。
天文导航的原理和应用
天文导航的原理和应用1. 概述天文导航是一种利用天体观测进行定位导航的方法，利用天体的位置和运动规律来确定地点和方向。
它是一种古老而可靠的导航技术，广泛应用于航海、航空、太空探测等领域。
本文将介绍天文导航的基本原理和实际应用。
2. 天文导航的原理天文导航的原理基于以下几个关键点：2.1 天体位置测定天文导航通过观测天体的位置来确定自身的位置。
天体位置测定的主要方法有：•天体测量角度•天体测量方位•天体测量高度2.2 天体运动规律天体运动规律是天文导航的基础之一。
主要的天体运动规律有：•地球自转•地球公转•天体自身运动2.3 时间测量天文导航需要准确的时间测量来计算天体的位置。
时间测量可以通过摄制时间和其他天文现象的观测来实现。
3. 天文导航的应用天文导航在许多领域都有重要的应用，下面介绍几个典型的应用场景：3.1 航海天文导航是航海中常用的导航方法之一。
航海员通过观测太阳、星星等天体的位置来确定自己的位置和航向，以帮助船只找到正确的航线。
3.2 航空天文导航在航空领域也有重要的应用。
航空导航使用天文数据来辅助飞行员确定航线和飞行方向，提高飞行的安全性和准确性。
3.3 太空探测在太空探测任务中，天文导航也起到了关键作用。
通过观测行星、恒星等天体的位置，太空探测器可以定位自身的位置和确定目标的方向。
3.4 科学研究天文导航不仅可以用于定位导航，还可以为科学研究提供重要的数据。
科学家通过观测天体的位置和运动规律，可以推断出一些天体运动的规律和天文现象的原理。
3.5 文化遗产保护天文导航在文化遗产保护中也有一定的应用。
一些古代建筑和遗址的设计和布局，常常与天文现象有关，通过观测天体位置和运动规律，可以揭示出这些古代文化遗产的特殊意义。
4. 总结天文导航是一种古老而可靠的导航技术，通过观测和计算天体的位置和运动规律，可以确定地点和方向。
天文导航在航海、航空、太空探测等领域有广泛的应用，同时也为科学研究和文化遗产保护提供了重要的数据和方法。
海洋天文与星象导航
海洋天文与星象导航在古代，没有先进的导航设备和技术，人们只能依靠天文现象和星象来辨别方向和导航。
海洋天文和星象导航成为了航海家们必备的知识和技能。
本文将介绍海洋天文和星象导航的基本原理和方法。
一、海洋天文导航海洋天文导航是通过观测太阳、月亮、星星等天体的位置和运动来确定船只在海上的位置和航向的一种导航方法。
在海洋天文导航中，主要使用的是全天候星位观测法和太阳经线观测法。
1. 全天候星位观测法全天候星位观测法是指通过观测天空中的星星来确定船只的经度和纬度。
观测时，船只上的导航员使用六分仪等仪器来测量星星的高度角和方位角，然后结合准确的星表来计算出船只的位置和航向。
2. 太阳经线观测法在白天无法观测星星的情况下，导航员可以利用太阳的位置来确定船只的经度。
太阳每天在天空中的位置都有规律可循，通过测量太阳的高度角和方位角，结合太阳经纬度时间表，可以计算出船只所在的经线。
二、星象导航星象导航是通过观测星座和星星的位置来确定船只的方向和位置的一种导航方法。
在星象导航中，主要使用的是北斗星导航法和极星导航法。
1. 北斗星导航法北斗星导航法是指通过观测北斗七星的位置来确定船只的方向。
北斗七星是北半球常见的星座，通过观测北斗七星的位置和方向，可以确定船只的北方向。
结合船只的航向角度，可以计算出船只的方向和位置。
2. 极星导航法极星导航法是指通过观测北极星的位置来确定船只的方向。
北极星位于北极点的正上方，不论在哪个地点和时间，北极星的位置都非常稳定。
通过观测北极星的高度角和方位角，可以确定船只的方向和位置。
总结起来，海洋天文和星象导航是古代航海家们依靠天文现象和星象来辨别方向和导航的方法。
通过观测太阳、月亮、星星等天体的位置和运动，以及观测北斗七星和北极星的位置，可以确定船只的位置、航向和方向。
虽然现代导航技术日趋先进，但海洋天文和星象导航作为古代导航方法的重要一环，仍然有其独特的历史价值和现实意义。
海洋天文和星象导航的传统技术有其局限性，对于现代船舶导航来说就不再适用。
低轨地球卫星自主天文导航基本原理PPT课件
i1 • i1 cos1 ir • i2 cos2
ir
• rp
r
rp
r
co
s
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School of Geodesy and Geomatics
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纯天文解析导航实例
• 式中，i1,i2为太阳到恒星1和恒星2的单位矢量；r为航天器 相对太阳的位置矢量；rp为地球相对太阳的位置矢量。
• 求解该方程组可得到航天器的位置，但满足该方程的解不 是唯一的。
• 由于星敏感器的精度远高于地平仪的精度，因此，利用 星光折射法可以得到更为精确的航天器位置信息。
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3.1.3航天器纯天文几何解析方法基本原理
• 在航天器上观测到的两颗恒星之间的夹角不会随航天器位置 的改变而变化，而一颗恒星和一颗行星中心之间的夹角则会 随航天器位置的改变而改变，该角度的变化才能够表示位置 的变化。
②利用星间链路的自主导航。该方法主要多颗卫星之间的星 间距离等测量信息进行自主导航。
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3.2 地球卫星直接敏感地平的自主天文导航 2）地球卫星自主导航的主要方法
③利用磁强计的自主导航。
– 该方法是利用三轴磁强计 作为测量仪器；
– 通过卫星所在位置的地磁 场强度的量测值与国际地 磁场模型(IGRF)之间的差 值；
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3.2.1地球卫星直接敏感地平自主天文导航原 理
• 星光角距(恒星视线方向 与地心矢量方向间的夹 角)为直接敏感地平方法 中常用的一种观测量， 其中：
– 恒星视线方向由星敏感器 测得；
低轨地球卫星自主天文导航基本原理
低轨地球卫星自主天文导航基本原理
一、简介
低轨地球卫星自主天文导航是基于太阳、月亮和星空的恒星导航系统，主要用于水陆空多种运动目标的定位、导航、控制、精确跟踪、跟踪控制。
它与GPS、北斗、GLONASS等卫星定位导航系统相比，具有安全可靠、开
放共享的特点，使用成本低，能够满足航空、海洋、军事等高精度定位、
导航、控制等要求。
二、原理
低轨地球卫星自主天文导航系统主要由控制系统及本地仪器组成，其
中本地仪器负责接收星空信号，并根据观测结果，计算出天文点位置、航向、距离、速度等数据，并实时反馈给控制系统；控制系统则负责处理本
地仪器反馈的数据，并将其输入到相关的导航软件中，以实现对运动目标
的定位、导航和控制。
三、优势
1.安全可靠：低轨地球卫星自主天文导航系统使用天文恒星作为参照，不受地球电磁波的干扰，因此，安全可靠，适应环境广，可以在任何地点
使用。
2.开放共享：低轨地球卫星自主天文导航系统无需购买任何类型的设备，只需安装天文恒星软件。
天文导航系统
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2天文导航的分类源自分 类 一按照峰值光谱和光谱范围进 行分类: 1、星光导航：观测天体的 可见光进行导航 2、射电天文导航：接收天 体辐射的射电信号(不可见 光)进行导航
分 类 二
按照跟踪的星体数目进行分类： 1、单星导航：航向基准误差 大而定位精度低 2、双星导航：两颗星体的方 位角差越接近90°，定位精度 越高 3、三星导航：用来确定航天 器在三维空间中的位置
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天文导航发展趋势
高精度定位定向 全天候导航 自动化导航
探讨不用垂线基准或采用 粗略垂线基准进行精确天 文定位的新导航方法，发 展小型化高精度垂直陀螺 仪，加强天文导航中信息 融合理论的应用研究等， 对提高天文导航精度具有 重要意义。
射电天文导航要解决的 关键技术主要包括：研 究和发现新的射电源； 研制小型化及高灵敏度 接收天线；射电源中心 确认技术和红外天文探 测技术等。
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。
二战前，天文定位是主要的导航手段， 几乎全部战船都配备各种天文仪表、天 文钟和手持航海六分仪。二战后，潜艇 用的天文导航也发展起来了。同时，各 种大型水面舰艇使用的星体跟踪器也不 断取得技术突破。
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天文导航在军事上的应用
4
2
天文导航的优点
天文导航建立在天体惯性系框架基础之上，具有直接、自然、可靠、精确 等优点，拥有无线电导航无法比拟的独特优越性。
天文导航原理及应用第3章.
系。
zs
Os
ys
春分点
黄道
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天文导航原理及应用
3.3 空间坐标系
3.3.1 惯性坐标系
2、地心赤道惯性坐标系
地心坐标系的坐标原点在地心。常 用的地心惯性坐标系有地心黄道惯 性坐标系和地心赤道惯性坐标系。 在此仅介绍地心赤道惯性坐标系。 如图所示为地心赤道惯性坐标系 Oexeyeze。坐标轴Oexe在赤道面内， 指向春分点；Oeze轴垂直于赤道面， xey 与地球自转角速度矢量一致；Oeye 轴与Oexe轴和Oeze轴垂直，且 Oexeyeze构成右手直角坐标系。
1、 第一赤道坐标系 （续） 坐标
1 天体地方时角： 测者午半圆到天体时圆在天赤道上所夹 的弧距，用“t”表示。 天体地方时角按其度量方法的不同，可 分为地方半圆时角和地方西行时角。 (1) 地方半圆时角：以测者午半圆起， 在天赤道上向东或向西量到天体时圆止， 范围0°-180°。天体在东半天球，向东 度量，命名为东（E）；天体在西半天球， 向西度量，命名为西（W）。如图所示： 天体B的地方半圆时角tB=120°E; 天体C的地方半圆时角tC=45°W;
如图所示: 天体B的象限方位 AB=60°SE 天体C的象限方位 AC=60°NW
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天文导航原理及应用 3.2 天球坐标系
N
三种天体方位的换算
留个小作业：分别写出图中4个天 体的三种方位。
B4
B1
30°
W
Z 120°
E
80°
75°
B3
B2
S
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天文导航原理及应用
3.2 天球坐标系
2、 坐标（续） 天体高度和天体顶距
3.2 天球坐标系
天球区域的划分
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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。