天文導航

天文導航是以已知準確空間位置的自然天體為基準，通過天體測量儀器被動探測天體位置，經解算確定測量點所在載體的導航信息。天文導航不需要其他地面設備的支持，所以具有自主導航特性，也不受人工或自然形成的電磁場的干擾，不向外輻射電磁波，隱蔽性好，定位、定向的精度比較高，定位誤差不隨時間積累，具有廣泛套用。

基本介紹

• 中文名：天文導航
• 外文名：Celestial Navigation
• 特點：自主、誤差不隨時間積累、精度高
• 套用：航空、航天、航海中的自主導航
• 測量儀器：星體跟蹤器、天文羅盤和六分儀等
• 數學基礎：球面三角學

簡介

日月星辰構成的慣性參考系，具有無可比擬的精確性和可靠性，將導航方法建立在恆星和行星參考系基礎上，具有直接、自然、可靠、精確的優點。天文導航就是建立在這些慣性參考系基礎上，運用天體測量儀器來獲取天體相對於測量點的天體方位和高度等信息，並解算出導航信息。

導航原理

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。

天文導航利用畫圓求交點的方法來確定觀測點所在載體的位置信息，由此進行導航。具體過程如下：

導航原理

1）畫圓：確定天體投影點所在位置信息為圓心，並確定該投影點到觀測點在球面上的最短距離（即連線投影點和觀測點的大圓上的弧度值）即為圓的半徑，由此可以畫出該位置圓；

如右圖所示，投影點的位置信息由天體赤緯Dec和地方時角LHA共同決定，兩者可以通過航海天文歷得到；圓的半徑即天體頂距z，由六分儀等測量儀器測得的天體高度角H計算得到（）。

2）求交點

在上一步“畫圓”的基礎上，可以利用薩姆納法或高度差法來求解兩圓或三圓的交點（觀測不同天體或不同時間觀測同一天體可以得到不同的位置圓），即為觀測點所在載體的位置信息。

常用儀器

常用的天文導航儀器有星體跟蹤器、天文羅盤和六分儀等。星體跟蹤器(星敏感器)能從天空背景中搜尋、識別和跟蹤星體，並測出跟蹤器瞄準線相對於參考坐標系的角度；天文羅盤通過測量太陽或星體方向來指示飛行器的航向；六分儀通過對恆星或行星的測量而指示出飛行器的導航信息。　　最為典型的儀器就是六分儀，通過測量天體的高度信息來進行後續的導航解算，如右圖所示，其測角原理如左圖所示。

六分儀

AB是一條從天體射出的光線，經過六分儀上的指標鏡B和水平鏡C，入射到人眼D。

由平面反射鏡定理：一條光線經過兩個不同平面的兩次反射後，入射光線與出射光線的夾角是兩反射面夾角的兩倍。

可知角ADC等於角BGC的兩倍，而角ADC即為天體的高度角，由六分儀測量得到的角BGC，就可以得到天體的高度角信息。

六分儀測角原理示意圖

特點

1）被動式測量、自主式導航

天文導航不依賴其他外部信息，也不向外部輻射能量，被動獲取導航信息，是一種完全自主的導航方式。

2）導航精度高

天文導航相比於其他導航技術其精度不是最高的，但其誤差不隨時間積累，對於長期運行的運載體來說很重要，且定位精度取決於敏感器的精度。

3）抗干擾能力強、可靠性高

天體的空間運動不受人為干擾，具有很好的穩定性，同時天文導航也不受電磁場的干擾。

4）可同時提供位置和姿態信息

天文導航不僅可以提供位置和速度信息，還能不增加硬體成本下提供姿態信息。

5）導航誤差不隨時間積累

地球到恆星的方位基本保持不變，非常適合長時間自主運行和導航定位精度要求較高的領域。

缺點

1）輸出信息不連續；

2）在某些情況下會受到外界環境的影響，比如氣候條件十分惡劣的情況下。