天文导航系统

1、天文导航系统一、天文导航的定义与分类 天文导航系统是利用对自然天体的测量来确定自身位置和航向 的导航技术。 由于天体位置是已知的， 测量天体相对于导航用户参考 基准面的高度角和方位角就可计算出用户的位置和航向。 天文导航系 统不需要其他地面设备的支持， 所以是自主式导航系统。 不受人工或 自然形成的电磁场的干扰，不向外辐射电磁波，隐蔽性好，定位、定 向的精度比较高，定位误差与定位时刻无关，因而得到广泛应用。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

2、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。天文导航系统的分类： 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

3、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。二、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。（ 1 ）自主性强，无误差积累。天文导航以天体作为导航基准， 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

4、自主 的导航方式， 而且其定位误差和航向误差不随时间的增加而积累， 也 不会因航行距离的增大而增大。（ 2 ）隐蔽性好，可靠性高。作为天文导航基准的天体，其空间 运动规律不受人为破坏，不怕外界电磁波的干扰，具有安全、隐蔽、 生命力强等特点， 从根本上保证了天文导航系统最完备的可靠性。 现 代战争对制信息权的争夺， 使战场电磁环境十分复杂， 当敌方实施强 力无线电干扰， 使卫星导航等无线电导航系统无法正常工作时， 启用 天文导航， 对于保证己方的战略核打击威力及战斗优势， 具有重要意 义。3）适用范围大，发展空间广。天文导航不受地域、空域和时 域的限制， 是一种在整个宇宙内处处适用的导航技术，

5、发展空间极其 广阔。技术成熟后可实现全球、昼夜、全天侯、全自动天文导航。（4 ）设备简单，便于推广应用。 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，不受别人制约， 便于建成独立自主的导航体制。 在战争情况下将是一种难得的精确导 航定位与校准手段。（5 ）导航过程时间短， 定向精度最高。 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 而且天文导航在所有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。三、天文导航在军事上的应

6、用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。（1）潜艇舰船的天文导航。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。1990年美国海空发

7、展中心、 诺思罗普公司联合推出了新一代星光 惯性捷联式组合导航系统，采用全息多焦点广角透镜和 C C D 焦 平面阵列实现了星体昼夜观测定位。稍后，美国波尔光电公司，也研 制出新型 C C D 昼夜星体跟踪系统， 白天测+ 等星，夜间测 + 等星， 精度达 5 角秒。前苏联列宁格勒国立光学机械厂研制并装备 G 级弹 道导弹核潜艇的 1 2 M 天文导航潜望镜定位精度为 海里，航向精度 67角分。在“台风”级、D-皿级、阿尔法级和维克托-皿级等型 核潜艇上也装备有天文定位系统， 在 M 级战略导弹核潜艇和 Y 级核 动力潜艇上装有较先进的“鳕眼”星光射电组合导航系统。前苏联 在其靶场测量船上安装

8、的光学自动定向仪， 采用光电倍增管作为星体 敏感元件，高度轴和方位轴的检测精度为 6 角秒，白天测 + 等星， 夜间测 + 等星。 1993 年下水的法国建造的凯旋级弹道导弹核潜艇上 装有 M92 型光电潜望镜（六分仪） 。俄罗斯航空母舰的导航设备中， 除无线电导航设备外， 与惯导组合的天文导航设备有： 两套光学自动 定向仪（即星体跟踪器）和一套无线电六分仪，以及一套天文校正用 的计算机系统。（ 2）空天武器的天文导航。 随着天文导航技术的不断发展提高， 其应用范围也从航海扩展到航空航天。 天文导航现已应用于远程飞机 导航、弹道导弹制导和航天飞机导航， 将来也将应用于空天飞机等新 一代航天武器

9、导航中。美国 B 5 2 远程轰炸机上装有 M D - 1 天文自 动罗盘，在 B 5 7 远程轰炸机上装有光电六分仪 K S - 8 5 ，高度观测 范围为 5° 70°，观测精度为 4'方位精度为°。 1 9 7 0 年美国在 超音速运输机上装备天文 - 惯性-多普勒组合导航系统。 后来研制的 N A S - 2 6 型天文- 惯性组合导航系统安装在 B 2 轰炸机等先进战 机上。 1965 年美国首先将星光 / 惯性制导用于三叉戟导弹上，射程 增加到7400km,命中精度提高到。前苏联也将天文/惯性制导设备 用于 SS-N-8 导弹上，大大提高了命中

10、精度。如今，天文制导已是各 种导弹、精确制导炸弹必不可少的制导方式之一。 卫星和宇宙飞船等 航天器利用其上安装的星体敏感器、红外地平仪和空间六分仪 等设备来实现天文导航, 保障飞行。 深空探测航天器的自主导航系统 更加离不开天文导航。 因为在星际航行时 , 无线电导航和 G P S 都无 法使用, 只能依靠天文导航或惯性导航, G P S 只用于深空探测航天 器近地段的导航。 虽然地面站遥测是精度最高、 应用最广的深空探测 器的导航方法,但它不能自主,必须依赖地面站的支持,必须保证可 靠的无线电通信能力。一旦当地面台站发生阻塞就无法完成导航任 务。而且探测器上必须装备复杂、昂贵的测控和通信设备

11、,增加了任 务成本。目前基于电荷耦合器件（CCD ）的高精度星体跟踪器可达到角 秒级精度 , 这使得天文导航系统在航天器自主定轨方面得到进一步 的发展。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四、天文导航的发展趋势1.天文导航技术发展趋势 天文导航技术总体发展趋势是提高定位定向精度与导航定位的 自动化、智能化水平，实现昼夜导

12、航、全天侯导航和全球导航。（ 1）高精度定位定向。目前的天文导航方法是以当地垂线为基 准测量天体的天顶距而进行定位的。 定位精度主要取决于垂线基准精 度和天文仪器测量精度 （含轴角测量和星体检测精度 ）。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。（2）昼夜导航。实现昼夜连续的天文导航定位，具有十分重要 的军事意义。被测星体的星光通过光学系统后被聚焦在靶面上的星像 是直径不大于 0 . 0 5 m m 的光点。只要靶面上的星像照度大于星像 传感器的阀值，便可检测到星体

13、。夜间测星是易于做到的。而白天由 于阳光透过大气层时的散射与折射， 使天空背景变得很亮， 星光难以 检测。因此从明亮的天空背景中检测比较弱的星体信号是实现昼夜天 文导航的关键技术。此外，高质量成像技术、高精度复合控制技术、 不同峰值光谱的星光检测技术、 昼夜星光自动跟踪技术等也是实现昼 夜导航应发展的重点。（3）全天候导航。不良天气条件下的星光检测技术研究是实现 全天侯天文导航的关键。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。（4）自动化导航。自动化的天文导航主要需要解决对星体的自 动捕获、自动跟踪

14、、自动检测；定位定向自动解算，其技术难点是自 动捕获跟踪星体与自动检测星体。 目前，自动捕获跟踪星体的数学模 型已经建立，关键是提高跟踪精度以减小星像在视场中的抖动。 2.组合导航各种导航系统都有各自的优缺点， 它们的基本原理决定了它们中 的任何一种都不可能取代其他导航系统而独占导航领域。 为了使它们 扬长避短，优势互补，因此出现了组合导航系统的概念。组合导航系统不是各种导航系统的简单集合， 它是把参与组合的 惯性导航、天文导航、卫星导航（G P S）、无线电导航等各种导航设 备通过中心计算机形成一个有机整体， 采用综合数据处理与信息融合 技术，通过误差校正，得到导航定位信息的优化值；利用故障

15、自动检 测和软件控制， 实现不同工作方式的自动转换。 当某一设备发生故障 时，系统可自动判断并立即转到另一工作方式，以保证导航不中断， 从而提高了系统可靠性。“天文 / 惯性”或“天文 / 惯性 / 卫星”组合导航系统是目前天 文导航与其它导航进行组合的主要形式。 在组合导航系统中， 天文导 航的作用相当于校正仪器。 利用天文导航或卫星导航误差有界性 （收 敛性）的特点来克服惯导误差随时间发散的缺点。 惯导系统获得校准 信号后，除了修正掉已经积累的误差外， 还有助于惯导计算机分析出 陀螺仪和加速度计的零点漂移误差， 有助于提高惯导系统自身短时导 航精度。在天文 / 惯性/ 卫星组合导航系统中， 惯导能提供运载体精 确的经纬度、水平基准与三维速度，以及横摇、纵摇、翻滚等姿态信 息，但它的误差随时间积累；天文导航隐蔽性好，自主性强，定向精 度高，然而易受天气和低空限制。卫星导航系统（G P S ）则是全球、 全天候、连续、实时、高精度的导航定位系统，但其频带窄，载体在 做较高机动时容易