天文導航儀

天文導航是以已知準確空間位置、不可毀滅的自然天體為基準，並通過光電和射電方式被動探測天體位置，經解算確定測量點所在平台的經度、緯度、航向和姿態等信息。天文導航儀便是基於天文導航技術的導航儀。

基本介紹

• 中文名：天文導航儀
• 外文名：astronomical navigation
• 原理：天文導航技術
• 作用：導航

相關背景

天文導航作為一種隱蔽、可靠的導航手段，其主要用途有導航、校準慣導及為武器系統提供位置、航向和姿態信息等。

現代高技術戰爭的重要特點是強電子對抗和精確打擊，這對導航系統的可靠性和精度提出了更高的要求。

強電子對抗使戰場環境極其惡劣，電磁干擾使得包括導航設備在內的諸多電子設備失靈。GPS作為目前定位精度最高的導航系統，在和平時期或擁有制電磁權的條件下，優勢得以充分體現。但在對方具有電子對抗能力的情況下，GPS的作用將受到嚴重影響。如在2003年的伊拉克戰爭中，美軍在對伊拉克的打擊中使用的大部分(美軍方稱達68%)是精確制導武器，主要有艦(潛)射“戰斧” BlockⅢ巡航飛彈、空射“風暴前兆”和AGM-86B /C巡航飛彈、“寶石路”制導炸彈、聯合直接攻擊武器(JDAM)和聯合防區外武器(JSOW)，這些精確制飛彈藥均採用了GPS制導，命中精度高。但在伊軍的有限干擾下，美軍發射的部分GPS制導飛彈明顯偏離了預定目標。另外，作為歷史較為悠久的陸基無線電導航系統在戰時也會面臨與GPS同樣的問題。而天文導航作為一種隱蔽、無源、被動的導航手段不存在類似問題，在戰時將具有極高的軍事套用價值。

慣性制導飛彈的打擊精度與發射平台的位置、航向和姿態密切相關,這對艦艇位置、航向和姿態的精度提出了很高的要求。慣導作為一種戰時能全面提供導航信息的可靠手段在一定時段內能保證一定的精度，但隨著慣性器件的漂移，其導航精度難以滿足武器系統的需求。天文導航以宇宙中具有精確空間位置的天體作為導航信標，其精度主要取決於設備本身，無時間累積誤差,是一種可靠的高精度導航手段。同時，天文導航系統的航向精度在現有艦艇導航設備中是最高的，可為武器系統提供精確的位置、航向和姿態信息。
基於自身的特點和優勢，天文導航一直受到國外軍方的重視，已成為綜合導航系統的重要組成部分，廣泛套用於艦艇、飛機、飛彈和空間飛行器等。目前，國外天文導航在小視場測星定位系統的基礎上又形成了大視場測星定位和射電測星定位兩種系統，並正在從傳統的可見光測星定位向可見光測星定位和射電測星定位相結合的方向發展，從傳統的小視場測星定位向小視場測星定位和大視場測星定位相結合的方向發展，以提高天文導航系統的精度和數據輸出率，實現天文導航系統的高精度、自主、全天候和多功能化,滿足多種作戰平台的需要。

天文導航原理

天文導航是以太陽、月球、行星和恆星等自然天體作為導航信標，以天體的地平坐標(方位或高度)作為觀測量，進而確定測量點地理位置(或空間位置)及方位基準的技術和方法。

航空和航天的天文導航都是在航海天文導航基礎上發展起來的。航空天文導航跟蹤的天體主要是亮度較強的恆星。航天中則要用到亮度較弱的恆星或其他天體。以天體作為參考點，可確定飛行器在空中的真航向。使星體跟蹤器中的望遠鏡自動對準天體方向，可以測出飛行器前進方向與天體方向（即望遠鏡軸線方向）之間的夾角，即航向角。由於天體在任一瞬間相對於南北子午線之間的夾角（即天體方位角）是已知的。這樣，從天體方位角中減去航向角就得到飛行器的真航向。通過測量天體相對於飛行器參考面的高度就可以判定飛行器的位置。以地平坐標系在飛行器上測得某星體C的高度角h，由90°-h 可得天頂距z，以星下點(天體在地球上的投影點)為圓心，以天頂距z所對應的地球球面距離R為半徑作一圓，稱為等高圓。在這個圓上測得的天體高度角都是h。同時測量兩個天體C1、C2,便得到兩個等高圓。由這兩個圓的交點得出飛行器的實際位置 M 和虛假位置M′。再用飛行器位置的先驗信息或第三個等高圓來排除虛假位置，經計算機解算即得出飛行器所在的經、緯度(λ、φ)。

天文導航儀分類

根據測星定位定向原理，天文導航儀主要包括3種體系結構。

基於六分儀原理的天文導航儀

二戰前，天文定位是主要的導航手段，許多戰船都配備天文導航的各種儀表、天文鐘和手持航海六分儀。當時，航海六分儀的主要產品有：德國漢堡普拉特儀器廠生產的普拉特六分儀；美國海軍軍械實驗室研製的MARK型航海六分儀；英國倫敦希思公司生產的DELUXE型六分儀；蘇聯也生產各種手持航海六分儀和航海氣泡六分儀。二戰後,出現了六分儀與潛望鏡相結合，研究水下測天定位技術的熱潮。期間，法國PIVAIR潛望鏡中的精密六分儀和英國CK034、CK035潛望鏡中採用的AHPS型人工水天線六分儀系統是這其中的佼佼者。

基於“高度差法”的天文導航儀

基於“高度差法”的天文導航最早用於水面艦船和水下潛艇，後來陸續用於飛機和飛彈。從工作原理看具有以下共同特點：①導航過程要依賴於慣導平台提供的水平基準。它同慣導相互依存，既要痛過慣導獲得運載體的初始位置、姿態,以便實施對星體的搜尋、捕獲和跟蹤，又利用自身解算出的運載體位置和航向信息，反過來校正慣導因長時間工作而導致的位置和航向誤差；②系統光學解析度高，抑制背景噪聲能力強，因而導航精度高。俄羅斯“德爾塔”級彈道飛彈核潛艇採用天文/慣導組合導航系統，定位精度為0. 25nmile；法國“勝利”級彈道飛彈核潛艇上裝有M92光電天文導航潛望鏡；德國212型潛艇上也裝備了具有天文導航功能的潛望鏡。

基於多星矢量定位技術的天文導航儀

基於多星矢量定位技術的天文導航系統最大的優點就是可不藉助於任何先驗信息而自主確定運載體相對於慣性空間的姿態。系統的工作過程主要由大視場成像、多星體目標同步提取、星圖識別、導航解算等幾步組成。該技術具有如下特點：①大視場光學系統(一般為10× 10～ 50× 50範圍)。視場內平均有3顆以上的星體被利用，這樣可提高系統捕獲星體的機率和導航精度；②不需任何外部信息，直接輸出系統相對於慣性空間的姿態，因而能對慣導的陀螺誤差進行直接校正；③確定運載體慣性姿態的精度是現有測量設備中最高的；④系統在大氣層以內工作時，受天候影響較大，可靠性有待進一步提高。

天文導航的優越性

1)被動式測量，自主式導航
天文導航以天體作為導航信標，被動地接收天體自身輻射信號，進而獲取導航信息，是一種完全自主的導航方式。工作安全、隱蔽。
(2)抗干擾能力強，高度可靠
天體輻射覆蓋了X射線、紫外、可見光、紅外整個電磁波譜，從而具有極強的抗干擾能力。此外，天體的空間運動規律不受人為改變,這從根本上保證了天文導航最完備的可靠性.
(3)適用範圍廣，發展空間大
天文導航不受地域、空域和時域的限制，是一種在宇宙空間內處處適用的導航技術。對地面導航而言，技術成熟後可實現全球、晝夜、全天候、全自動天文導航。
(4)設備簡單造價低,便於推廣套用
天文導航不需要設立陸基台站，更不必向空中發射軌道運行體，設備簡單，工作可靠，不受別人制約，便於建成獨立自主的導航體制。

發展歷史

我們的祖先曾走在天文導航的前列，西漢《淮南子·齊俗訓》記載“夫乘舟而惑者，不知東西，見斗極則悟矣”，表明當時已經使用“北斗導向”；元代我國航海天文技術已能通過觀測星的高度來確定船的緯度；明代鄭和船隊通過“日月升墜辨東西，星斗高低量遠近”，使人類真正實現了遠洋航行，這套“牽星為準，所實無差”的技術，被形象定名為“牽星過洋術”。一百多年後，歐洲才逐漸掌握這方面技術，告別了輪船“白晝順風沿岸航行”的歷史。

十七世紀，歐洲工程師們設計出了能在晃動的甲板上快速、精準測量天體高度的六分儀，英國國會又以兩萬英鎊獎金徵集到適於遠航計時的高精度天文鐘。前者大大提高了觀測天體高度的準確性，便於測定緯度；後者可在海上用時間法推算經度，二者成功奠定了近代天文導航的基礎。

從此，歐洲人開始領跑天文導航，迎來了持續近兩個世紀的大航海時代，最終用商船、炮艦將世界的中心由東方遷移到西方。

而今，新技術的突飛猛進使天文導航實現了觀測更快、更準、更自動化的飛躍，但是當年的測定機理、測算辦法等迄今仍在套用。現在，利用多孔徑星體敏感器可輕易觀測到數以萬計的恆星，利用高速掃描技術高超音速飛彈也不會出現“拖尾”，軍事強國甚至利用觀測和計算優勢可將測量精度提升至接近GPS水平。