天文导航的分类、特点及研究展望

　　0 引言

　　导航在现代战争中具有极其重要的地位，在强电磁干扰的导航战背景下，如何提供高精度、高稳定性、高可靠和全天候的导航信息已成为当今导航技术的重要研究方向。当前，世界各军事强国都在加大天文导航的研究力度，以提升导航的精度和抗电磁干扰能力。

　　1 天文导航的发展与机载平台应用

　　1.1 天文导航的发展

　　元明时期，我国已经能够通过"牵星术"观测星的高度来定地理纬度实现航海，18 世纪，国外六分仪和天文钟的问世，大大提高了天文导航的准确性，前者用于观测天体高度，后者可以在海上用时间法求经度。1837 年美国船长沙姆那发现了等高线，可同时观测经纬度，1875 年法国人圣西勒尔发明了高度差法，简化了天文定位线测定作业，至今仍在应用。

　　基于天文导航技术的特点，天文导航的研究应用范围正在扩大，从航海六分仪到自动的星体跟踪器，从水下的天文导航潜望镜，到航空航天用的星载、机载、弹载天文导航系统。

　　目前，国外天文导航正从传统的可见光测星定位向可见光测星定位和射电测星定位相结合的方向发展，从传统的小视场测星定位向小视场测星定位和大视场测星定位相结合的方向发展，以提高天文导航系统的精度和数据输出率，实现天文导航系统的高精度、自主、全天候和多功能化，满足多种作战平台的需要。

　　我国的天文导航技术近些年发展很快。特别在航天、航海天文导航方面取得了一些新的技术突破，但与国外先进水平相比还存在着较大差距。舰载、导弹、卫星等平台已有相关的应用，空中机载平台应用未见报导。

　　1.2 机载平台应用

　　在航空领域，20 世纪 60 年代之前，航空六分仪和天文罗盘已在某些飞机上使用，60 年代之后，天体自动跟踪器等天文导航设备在机载平台上得到成功应用。如美军的中远程轰炸机、大型运输机、高空侦察机以及苏联的轰炸机均使用了天文导航设备。

　　美军B-2幽灵远程战略轰炸机安装了诺斯罗普公司研制的 NAS-26 型天文/惯性导航系统。它跟踪三颗星定位所需时间约为 1 min,姿态精度优于 3″，定位精度优于 350m.2005 年，诺格公司为美军RC-135 侦察机系列提供了 LN120G 高精度天文导航系统，在惯性/星光组合模式下，位置精度达到0.9km/h,速度精度达 0.6 m/s,姿态精度航向优于20″，俯仰/滚动优于 0.05 °。

　　2 天文导航的分类和特点

　　2.1 天文导航的分类

　　按照观测星体数目多少，天文导航分为单星导航和多星导航。单星导航也称为跟踪式导航，需要星跟踪器有伺服转台保持对星体的跟踪；多星导航也称星图匹配式导航，需要在星敏感器视场中观测到三个以上的星体。各星体之间的方位角差最好在60°~90°之间（越接近 90°越好），高度（俯仰角）最好在 15°~6°之间，星图匹配式导航的精度要优于跟踪式导航。

　　按照星体的峰值光谱和光谱范围分，天文导航可分为星光导航、射电天文导航。观测星体的可见光导航和红外导航叫星光导航，而接收天体辐射的射电信号进行导航的叫射电天文导航。

　　根据测星定位定向原理，天文导航可分为 3 种体系结构：

　　一是基于六分仪原理的天文导航系统，二战前，天文定位是主要的导航手段，许多舰船都配备了天文导航的各种仪表、天文钟和手持航海六分仪。二战后，出现了六分仪和潜望镜相结合的应用。

　　二是基于"高度差法"的天文导航系统，这种系统具有两个特点：

　　（1）导航过程中要依赖于惯导平台提供的水平基准。

　　（2）系统光学分辨率高，抑制背景噪声能力强，导航精度高。

　　三是基于星图识别的多星矢量定位技术的天文导航系统。该系统具有如下特点：（1）大视场光学系统。视场内平均三颗以上的星体被利用，这样可以提高系统捕获星体的概率和导航精度；（2）不需要任何外部信息，直接输出系统相对于惯性空间的姿态，因而能对陀螺误差进行直接校正；（3）确定运载体惯性姿态的精度是现有设备中最高的；（4）系统在大气层以内工作时，受天候影响较大，可靠性有待进一步提高。

　　按照安装平台划分，可分为海基、陆基、机载、弹载、天基 5 种应用平台。

　　2.2 天文导航的特点

　　天文导航建立在天体惯性系框架之上，具有以下特点：

　　（1）被动式测量，自主式导航天文导航以太阳、月亮、恒星等天体作为导航信标，被动地接收天体自身辐射信号，进而获取导航信息，是一种完全自主的导航方式。工作安全、隐蔽。

　　（2）能同时提供位置和时间信息，误差不积累天文导航不仅可以提供载体的位置、速度信息，还可以提供姿态信息。由于从地球到恒星的方位基本保持不变，因此天体测量仪器就相当于惯性导航系统中没有漂移的陀螺仪，虽然有像差、视差和地球极轴的章动等，但这些因素造成的定位误差极小，也可以在星表中加以修正，因此天文导航非常适合长时间自主运行和导航定位精度要求较高的领域。

　　（3）抗干扰能力强，可靠性高天体辐射覆盖了 X 射线、紫外、红外、可见光等整个电磁波谱，从而具有极强的抗干扰能力。此外，天体的空间运动规律不受人为破坏，从根本上保证了天文导航的可靠性。

　　（4）使用范围广，发展空间大天文导航不受地域、空域和时域的限制，是一种在整个宇宙空间处处适用的导航技术，可实现空间和全球的全天时、全天候、全自动天文导航。

　　（5）设备简单，便于应用推广天文导航不需要设立陆基台站，更不必向空中发射轨道运行体，设备简单，工作可靠，不受敌对制约，便于建成独立的导航体制。在战争情况下将是一种难得的精确导航定位与校准手段。

　　（6）导航过程时间短，定向精度高天文导航完成一次定位、定向过程只需 1~2min,当采用光电自动瞄准定向时，只需 15s,而且天文导航在导航系统中定向精度最高。不仅能够为未来战场武器系统提供精确实时的航向和惯导校正信息，而且可作为未来空天高速飞行器的导航保障手段之一。