天文制導

天文制導以不可毀滅的自然天體做為導航信標，是一種完全獨立自主的導航方式。在電子導航系統設備越來越發達的今天，天文制導導航技術不但沒有退出歷史舞台，反而以其獨特的優勢備受世人矚目，是一種極具生命力和發展前途的制導方式。

天文制導系統與地形匹配製導系統、全球導航星定位系統（GPS）並稱為提高彈道飛彈命中精度的三大系統。

基本介紹

• 中文名：天文制導
• 外文名：celestial guidance
• 特點：導航精度高
• 運用領域：航海、飛彈、星際導航

定義

天文制導以不可毀滅的自然天體做為導航信標，是一種完全獨立自主的導航方式。並且天文制導系統與地形匹配製導系統、全球導航星定位系統（GPS）並稱為提高彈道飛彈命中精度的三大系統。

除飛彈領域外，天文制導系統在行星際導航和深宇宙導航中也有著十分重要的意義。阿波羅登月飛船就成功的運用了天文制導系統來進行中途修正，使飛船以很高的精度登上月球和返回。而未來的深宇宙航行中，天文制導系統將發揮主導的作用。

天文制導系統

天文制導系統採用的敏感元件有星光跟蹤器和空間六分儀。這兩個儀器的概念是不完全一致的。星光跟蹤器放在飛彈的慣性穩定平台上，根據計算機的指令自動跟蹤星體，用以修正彈道飛彈的發射位置和發射方位以及飛行中慣性平台的漂移。空間六分儀則不一定放在慣性平台上，因為一旦飛行器進入星際空間以後，它將不再受到突然的、毫無規律性的大幅度擾動影響，例如強烈的陣風等，尤其在作自由飛行時它本身就是一個良好的穩定平台。另外空間六分儀可以根據計算機的指令自動跟蹤星體，也可以由太空人操作來跟蹤星體。空間六分儀可以獨立於其他的制導設備而確定航天飛行器的速度和位置。但是星光跟蹤器和空間六分儀也有相似之處，它們的測角原理和結構幾乎是一樣的。

基本原理

計算空間位置需要的光學觀測數據，是位置已知的幾個近天體相對已知慣性參考系的瞄準線方向。慣性參考線可由任意兩個不共線的恆星線(指瞄準線)或任意一組三根不共面的恆星線或慣性平台的坐標軸確定。

顯然，空間定位只有通過觀測近天體才能做到，因為這種測量才有位置的幾何意義。對確定位置所需角度數據的測量，實質上是近天體對恆星背景瞄準線的視差測量。舉例來說，一顆恆星(慣性系)和一顆行星中心(近天體)之間的夾角隨空間飛行器位置的改變而改變。另一方面，很顯然兩顆恆星線之間的夾角不發生測量變化。因此，角度的變化能夠表示位置的變化。

在行星際航行時必須對恆星線視差進行修正。但是，修正量比要測量的近天體視差小得多。因此，對於沒有必要是很精確的恆星線可以進行簡單的修正，並且這是不成問題的。

圖1 一次觀測確定的位置錐

討論光學定位所涉及到的某些幾何學基本原理是有指導意義的。考慮用一個簡單的六分儀作為側量兩個點光源(它們之中的一個是近光源)之間夾角的測量儀。為了簡化，假定定位所需的各種觀測是同時進行的。

如果用六分儀來測量某一顆恆星和某一顆行星光碟中心之間的夾角，那么空間飛行器的位置就由空間的圓錐面來確定(如圖1)。這個圓錐面是這樣的，在空間飛行器位置上指向恆星和指向行星光碟中心的射線所形成的張角是一個常值。也就是說,根據這一組觀測數據確定的空間飛行器位置處在圓錐上。對第二顆恆星和同一顆行星體進行第二次測量，便得到頂點也和行星的位置相重合的第二個圓錐。這兩個圓錐相交便確定兩條線(如圖2)。空間飛行器就位於這兩條線的一條上。模糊度可以選擇第三顆恆星來消除。但是，一般來說空間飛行器位置的標準值是事先知道的。因此，空間飛行器所在的實際的線通常不需要第三顆恆星就可以確定。

圖2 確定空間飛行器位置的兩根線

為了決定空間飛行器線上上的位置，需要選擇到第一顆近天休的距離向量已知的第二顆近天體。為對位置進行“三角測量”，需要選擇第二顆近天體。頂點在第二顆近天體上的第三個圓錐與前兩個圓錐相交便確定出兩個點，即圖3所示的a和c，它們之中的一個點是模糊點。(這個模糊點也可以用上面提到過的方法解決)。在三個圓錐的交點上選出的點表示相對於任一顆近天體的位置。

圖3 完全定位

計算位置需要有一個恆星表和至少兩顆近天體(行星)的星曆信息。我們會發現各種定位技術(不管這些技術是包括兩顆行星，還是包括視距技術或陸標跟蹤)都要求這些基本的信息。恆星作為對天文坐標定位的參考而引人的，所含的基木測量數據是三個或更多的角度，用這些角度就可確定出從空間飛行器的位置上觀測到的近天體同選定的恆星之間的夾角。

特點與優勢

在電子導航系統設備越來越發達的今天，天文制導導航技術不但沒有退出歷史舞台，反而以其獨特的優勢備受世人矚目。隨著電子天文導航設備的出現和成熟，天文定位與定向技術開始走出航海領域的限制，逐漸向更廣闊的領域發展。在飛彈制導領域，天文技術套用有以下優勢：

1. 導航精度高。毋庸置疑，天文導航短時間內的導航精度低於慣性導航，但誤差不隨時間積累，導航精度主要取決於天體敏感器的精度。目前來看，在穩定的狀態下，主流天體敏感器均可達到1.8 km 的測角定位精度；
   
2. 抗干擾能力強。除慣性導航外，幾乎任何一種電子制導方式都可進行有效的干擾。而天體輻射覆蓋了整個電磁波段，在世界各地均可接收，具有極強的抗干擾能力；
   
3. 成本低廉。相對昂貴的慣導設備而言，天文制導具有顯著的經濟優勢；
   
4. 質量輕。當前，主流恆星敏感器質量為 2 ～ 3 kg，太陽敏感器鏡頭甚至不足 1 kg，遠遠低於慣性導航系統的質量。
   

可以看出，天文制導技術具有目前主流技術所不具有的顯著優勢，這使得以天文導航技術為主體的制導技術具有廣闊的套用前景。