天文導(dǎo)航的原理及應(yīng)用

1、天文導(dǎo)航的原理及應(yīng)用天文導(dǎo)航是以太陽、月球、行星和恒星等自然天體作為導(dǎo)航信標(biāo)，以天體的地平坐標(biāo)(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(zhǔn)的技術(shù)和方法。航空和航天的天文導(dǎo)航都是在航海天文導(dǎo)航基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。航空天文導(dǎo)航跟蹤的天體主要是亮度較強的恒星。航天中則要用到亮度較弱的恒星或其他天體。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(yuǎn)鏡自動對準(zhǔn)天體方向可以測出飛行器前進方向（縱軸）與天體方向（即望遠(yuǎn)鏡軸線方向）之間的夾角（稱為航向角）。由于天體在任一瞬間相對于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

2、器的真航向。通過測量天體相對于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(biāo)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（圖1），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(yīng)的地球球面距離R為半徑作一圓，稱為等高圓(圖2)。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(jīng)計算機解算即得出飛行器所在的經(jīng)、緯度(、)。天文導(dǎo)航的分類按星體的峰值光譜和光譜范圍分，天文導(dǎo)航可分為星光導(dǎo)航和射電天文導(dǎo)航。觀測天體的可

3、見光進行導(dǎo)航的叫星光導(dǎo)航，而接收天體輻射的射電信號(不可見光)進行導(dǎo)航的叫射電天文導(dǎo)航。前者可解決高精度晝夜全球自動化導(dǎo)航定位，后者可克服陰雨等不良天氣影響，通過探測射電信號進行全天候天文導(dǎo)航與定位。根據(jù)跟蹤的星體數(shù)，天文導(dǎo)航分為單星、雙星和三星導(dǎo)航。單星導(dǎo)航由于航向基準(zhǔn)誤差大而定位精度低，雙星導(dǎo)航定位精度高，在選擇星對時，兩顆星體的方位角差越接近90°，定位精度越高。三星導(dǎo)航常利用第三顆星的測量來檢查前兩次測量的可靠性，在航天中，則用來確定航天器在三維空間中的位置。儀器和系統(tǒng) 航空常用的天文導(dǎo)航儀器有星體跟蹤器、天文羅盤和六分儀等。自動星體跟蹤器(星敏感器)能從天空背景中

4、搜索、識別和跟蹤星體，并測出跟蹤器瞄準(zhǔn)線相對于參考坐標(biāo)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。六分儀通過對恒星或行星的測量而指示出飛行器的位置和距離。天文導(dǎo)航系統(tǒng)通常由星體跟蹤器、慣性平臺、計算機、信息處理電子設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)時間發(fā)生器等組成。星體跟蹤器是天文導(dǎo)航系統(tǒng)的主要設(shè)備，一般由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、星體掃描裝置、星體輻射探測器、星體跟蹤器信號處理電路和驅(qū)動機構(gòu)等組成（圖3）。它通過掃描對星體進行搜索，搜索到星體之后立即轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，同時測出星體的高度角和方位角。星體跟蹤器的輻射探測器在飛機上較多采用光電倍增管和光導(dǎo)攝像管，在航天器上較多采用光導(dǎo)攝像管和析像管。電荷耦合器件是70

5、年代發(fā)展起來的一種探測器，它體積小、靈敏度高、壽命長,不用高壓供電,能直接獲得精確的空間信息，近年來在飛機、導(dǎo)彈、航天飛機和衛(wèi)星上得到廣泛應(yīng)用，并為星體跟蹤器小型化創(chuàng)造了條件。天文導(dǎo)航應(yīng)用 天文導(dǎo)航經(jīng)常與慣性導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。這種組合式導(dǎo)航系統(tǒng)有很高的導(dǎo)航精度，適用于大型高空遠(yuǎn)程飛機和戰(zhàn)略導(dǎo)彈的導(dǎo)航。把星體跟蹤器固定在慣性平臺上并組成天文慣性導(dǎo)航系統(tǒng)時，可為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)提供最優(yōu)估計和進行補償，從而使得一個中等精度和低成本的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠輸出高精度的導(dǎo)航參數(shù)。在低空飛行時因受能見度的限制較少采用天文導(dǎo)航，但對于高空遠(yuǎn)程轟炸機、運輸機和偵察機作跨越海洋、通過極

6、地、沙漠上空的飛行，天文導(dǎo)航則很適用。對于遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈，天文導(dǎo)航能修正發(fā)射點的初始位置和瞄準(zhǔn)角誤差，所以特別適用于機動發(fā)射的導(dǎo)彈。彈道導(dǎo)彈可在主動飛行段的后期使用天文導(dǎo)航，也可借天文導(dǎo)航完成再入后的末制導(dǎo)用以修正風(fēng)的影響。星體跟蹤器對星體的瞄準(zhǔn)能建立精確的幾何參考坐標(biāo)，并且在空間沒有云的干擾，因而天文導(dǎo)航（星光制導(dǎo)）在航天器上得到更廣泛的應(yīng)用。美國1995年開始的導(dǎo)航戰(zhàn)研究結(jié)果表明，GPS系統(tǒng)在未來戰(zhàn)爭中可能誰都無法使用，為此更加注重研究和實施兩種以上導(dǎo)航體制并存的格局，并特別強調(diào)天文導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的重要性。天文導(dǎo)航以其定向精度高、可靠性好及穩(wěn)定性優(yōu)越的特點，被廣泛地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。從一般的航海

7、六分儀到自動的星體跟蹤器，到潛艇專用的天文導(dǎo)航潛望鏡定位系統(tǒng)，又到飛機、導(dǎo)彈的天文定位系統(tǒng)，進而到衛(wèi)星與航天飛機的星體跟蹤器與空間六分儀。天文導(dǎo)航不僅能夠獨立地為運載體提供航向、位置信息，而且還可用于航空航天和航海領(lǐng)域?qū)T導(dǎo)系統(tǒng)的定位誤差校正。天文導(dǎo)航的實際應(yīng)用例子舉不勝舉，從1959年美國第一艘導(dǎo)彈核潛艇上的“11型”天文導(dǎo)航潛望鏡、1964年7月裝備在“阿諾德將軍號”上的FAST星體跟蹤器、“享茨維爾”號測量船上的NAST系統(tǒng)、1970年裝備在超音速運輸機上的LN-20、1984年在麥克級(MIKE)核潛艇上安裝的“鰭眼”射電六分儀和光學(xué)(天文)跟蹤裝置、1987和1988年對LN-20的兩次改進，1993年法國凱旋級彈道導(dǎo)彈核潛艇上的M92型光電六分儀，直到1997年開始服役的NAS一27天文導(dǎo)航單元等等，都是天文導(dǎo)航的實際應(yīng)用。目前，美軍的B-52、FBlll、B-1B、B-2A、C-