第27卷 第5期2005年10月
舰 船 科 学 技 术
SH I P SC I E NCE AND TECHNOLOGY
Vol.27 No.5
Oct.2005
文章编号:1672-7649(2005)05-0091-06
大学英语文章国外天文导航技术发展综述
收稿日期:2004-12-15
何 炬
(中国船舶重工集团公司第七一七研究所，湖北武汉430073)
摘 要: 叙述了国外天文导航技术的发展现状及其趋势，包括基于“高度差法”的两星定位技术、基于星
图识别的多星矢量定位技术、自主光学水平基准技术、天文射电定位技术等，并概述了天文导航技术未来的研究方向。
国际贸易专业关键词: 天文导航；定位；水平基准；发展趋势；研究方向
中图分类号: U666.13 文献标识码: A
Survey of overa s celesti a l nav i ga ti on technology develop m en t
HE Ju
(The717Rearch I nstitute of CSI C,W uhan430073,China)
livery
Abstract: This paper describes the devel opment status and tendency of the overas celestial naviga2 ti on technol ogies,including double star l ocalizati on bad on the altitude difference method,multi p le star vect or l ocalizati on bad on the star pattern recogniti on,aut onomous op tical horiz ontal reference technol ogy, radi o celestial l ocalizati on technol ogy,etc.The future devel opment directi ons f or the celestial navigati on technol ogy are briefly discusd。
Key words: celestial navigati on;l ocalizati on;horiz ontal reference;devel opment tendency;re2 arch directi on
1 天文导航技术
天文导航是以已知准确空间位置、不可毁灭的自然天体为基准，并通过光电和射电方式被动探测天体位置，经解算确定测量点所在平台的经度、纬度、航向和姿态等信息。具备的主要特点有：被动探测，隐蔽性好，不受电磁干扰，可靠性高；自主工作，不依赖其他导航手段；精度高，其中定向精度最高，定位精度仅次于GPS；可全天候工作。
天文导航作为一种隐蔽、可靠的导航手段，其主要用途有导航、校准惯导及为武器系统提供位置、航向和姿态信息等。
现代高技术战争的重要特点是强电子对抗和精确打击，这对导航系统的可靠性和精度提出了更高的要求。
广东医学院录取查询强电子对抗使战场环境极其恶劣，电磁干扰使得包括导航设备在内的诸多电子设备失灵。GPS作为目前定位精度最高的导航系统，在和平时期或拥有制电磁权的条件下，优势得以充分体现。但在对方具有电子对抗能力的情况下,GPS的作用将受到严重影响。如在2003年的伊拉克战争中，美军在对伊拉克的打击中使用的大部分(美军方称达68%)是精确制导武器，主要有舰(潜)射“战斧”B l ockⅢ巡航导弹、空射“风暴前兆”和AG M286B/C巡航导弹、“宝石路”制导炸弹、联合直接攻击武器(JDAM)和联合防区外武器(JS OW)，这些精确制导弹药均采用了GPS制导，命中精度高(据报道可达10m左右)。但
在伊军的有限干扰下，美军发射的部分GPS制导导弹明显偏离了预定目标。另外，作为历史较为悠久的陆基无线电导航系统在战时也会面临与GPS同样的问题。而天文导航作为一种隐蔽、无源、被动的导航手段不存在类似问题，在战时将具有极高的军事应用价值。 惯性制导导弹的打击精度与发射平台的位置、航
向和姿态密切相关，这对舰艇位置、航向和姿态的精度提出了很高的要求。惯导作为一种战时能全面提供导航信息的可靠手段在一定时段内能保证一定的精度，但随着惯性器件的漂移，其导航精度难以满足武器系统的需求。天文导航以宇宙中具有精确空间位置的天体作为导航信标，其精度主要取决于设备本身，无时间累积误差，是一种可靠的高精度导航手段。同时，天文导航系统的航向精度在现有舰艇导航设备中是最高的，可为武器系统提供精确的位置、航向和姿态信息。
基于自身的特点和优势，天文导航一直受到国外军方的重视，已成为综合导航系统的重要组成部分，广泛应用于舰艇、飞机、导弹和空间飞行器等。目前，国外天文导航在小视场测星定位系统的基础上又形成了大视场测星定位和射电测星定位2种系统，并正在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。
2 天文导航技术的研究现状
2.1 天文导航系统的几种体系结构及其应用
根据测星定位定向原理，天文导航系统主要包括以下3种体系结构:
(1)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，许多战船都配备天文导航的各种仪表、天文钟和手持航海六分仪。当时，航海六分仪的主要产品有：德国汉堡普拉特仪器厂生产的普拉特六分仪；美国海军军械实验室研制的MARK型航海六分仪；英国伦敦希思公司生产的DE LUXE型六分仪；苏联也生产各种手持航海六分仪和航海气泡六分仪。二战后，出现了六分仪与潜望镜相结合，研究水下测天定位技术的热潮。期间，法国P I V A I R潜望镜中的精密六分仪和英国CK034、CK035潜望镜中采用的AHPS型人工水天线六分仪系统是这其中的佼佼者。determination
(2)基于“高度差法”的天文导航系统
基于“高度差法”的天文导航系统最早用于水面舰船和水下潜艇，后来陆续用于飞机和导弹。从工作原理看具有以下共同特点:①导航过程要依赖于惯导平台提供的水平基准。它同惯导相互依存，既要通过惯导获得运载体的初始位置、姿态，以便实施对星体的搜索、捕获和跟踪，又利用自身解算出的运载体位置和航向信息，反过来校正惯导因长时间工作而导致的位置和航向误差;②系统光学分辨率高，抑制背景噪声能力强，因而导航精度高。april fools day
俄罗斯“德尔塔”级弹道导弹核潜艇采用天文/惯导组合导航系统，定位精度为0.25n m ile；法国“胜利”级弹道导弹核潜艇上装有M92光电天文导航潜望镜；德国212型潜艇上也装备了具有天文导航功能的潜望镜。
目前，美国的B252、F B2111、B21B、B22A中远程轰炸机,C2141A大型运输机、SR271和EP23高空侦察机等都装备有天文导航设备。俄罗斯的T U216、7U295、T U2160等轰炸机上也都装有天文导航设备。
美国“三叉戟”II型弹道导弹的射程为11100 k m，采用天文/惯性组合制导，命中精度为240m。俄罗斯SS2N218导弹射程为9200k m，采用天文/惯性组合制导，命中精度为370m。
(3)基于星图识别的多星矢量定位技术的天文导航系统
基于多星矢量定位技术的天文导航系统最大的优点就是可不借助于任何先验信息而自主确定运载体相对于惯性空间的姿态。系统的工作过程主要由大视场成像、多星体目标同步提取、星图识别、导航解算等几步组成。该技术具有如下特点:①大视场光学系统(一般为10×10～50×50范围)。视场内平均有3颗以上的星体被利用，这样可提高系统捕获星体的概率和导航精度;②不需任何外部信息，直接输出系统相对于惯性空间的姿态，因而能对惯导的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测量设备中最高的;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。
美国波尔宇航系统集团公司研制的CT2633星体跟踪器是一种通用自主式星光姿态测定装置，可作为主姿态传感器使用。德国耶那光电有限公司研制的用于航天器姿态控制的ASTRO系列星体跟踪器，在1989～2001年成功运用于M I R空间站上。美国国家航空航天局(NAS A)喷气推进实验室研制的ASC星体跟踪器已应用于丹麦地磁探测卫星O rsted上。Hughes Danbury光学系统(HDOS)公司从1983年开始，发展HD系列星体跟踪器,HD21000星体跟踪器已用于NAS A/CNE T OPEX太空船中。
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2.2 天文导航系统在不同平台上的应用
美、苏、英、法等国在20世纪80年代前一直把天文导航系统的研制和发展放在重要位置，形成了水面舰艇、潜艇、飞机、导弹、卫星等多平台应用的系列装备。20世纪80年代后，随着GPS的完全实用和惯导精度的不断提高,GPS和惯导作为主要的导航手段得到广泛应用，但天文导航作为战时必备的手段仍受到重视并得到发展，这些天文导航设备或与其他导航设备组合使用，或作为独立的导航系统使用。
(1)海基平台应用情况 天文导航技术在潜艇和水面舰船上已得到了普遍应用，精度达到了较高水平。除前面提到的“德尔塔”、“胜利”和212型潜艇上装备了具有天文导航功能的潜望镜外，美国和俄罗斯的远洋测量船和航空母舰上也装备有天文导航系统。
但这些天文导航设备均为小视场系统，采用“高度差法”导航原理，主要作为惯导的校准设备使用，使用时需要惯导提供姿态等信息，自主能力差，且不能全天候工作，数据输出率低，不能作为一种独立的导航手段使用。
(2)陆基平台应用情况 天文导航技术在陆基上的应用主要是完成平台地理位置和水平姿态的确定，以及对某些陆基高精度跟踪测量设备机械与电气系统的误差综合标校。
奥地利利用天文导航原理测量陆基平台的垂线偏差，其精度达到0.4″。德国在2002年研制出基于天文导航原理的天顶仪，使垂线偏差的测量精度达到0.1″～0.2″。国外的陆基航天测控雷达均采用天文导航原理，对雷达机械与电气系统的误差(基座的水平误差、方位轴与基座的垂直度误差、俯仰轴与方位轴的垂直度误差、雷达电轴与俯仰轴的垂直度误差、测角元件的非线性误差)进行综合标校，综合标校精度优于5″。
(3)机载平台应用情况 在20世纪60年代前后，航空六分仪和天文罗盘已在某些飞机上使用，之后，又
出现了天体自动跟踪器等天文导航设备，并在机载平台的组合导航系统中应用。在这方面美国和苏联的水平处于领先地位。
美国和苏联在发展卫星导航技术的同时，仍非常重视天文导航的发展，并在大型远程飞机中应用。如美军的B252、F B2111、B21B、B22A中远程轰炸机,C2 141A大型运输机,SR271高空侦察机以及苏联的Tu2 16、Tu295、Tu2160轰炸机等均使用了天文导航设备。
美军B22远程战略轰炸机上安装的是加州诺思罗普公司研制的NAS226型天文/惯性导航系统，当纯惯导工作时导航精度不高，约为926m/h，在采用天文导航校正惯导的工作模式时，飞行10h后的导航定位精度仍优于324.8m(圆概率)。有资料显示，性能更好的NAS227型天文/惯性导航系统已研制成功，加装在B22A轰炸机上。
上述天文导航设备仍为小视场系统，采用“高度差法”导航原理，也只能作为惯导的校准设备使用，不能作为一种独立的导航手段使用。
(4)弹载平台应用情况 天文导航系统由于受地面大气的影响较大，因而其应用平台更适合于包括导弹在内的各种高空、远程飞行器。国外早在20世纪50年代就采用天文/惯性组合导航系统，利用天文导航设备得到的精确位置和航向数据来校正惯性导航系统或进行初始对准，尤其适用于修正机动发射的远程导弹。
美国在20世纪50年代开始研制弹载天文/惯性组合制导系统。早期在空—地弹“空中弩箭”和地—地弹“娜伐霍”上得到应用。70年代在“三叉戟”I型水下远程弹道导弹中采用了天文/惯性组合制导系统，射程达7400km，命中精度为370m。90年代研制的“三叉戟”II型弹道导弹的射程达11100km，命中精度为240m。苏联在弹载天文/惯性制导系统方面的发展也很快,SS2N28导弹射程达7950k m，命中精度为930m;SS2N218导弹射程达9200km，命中精度为370m。这两型导弹都采用了天文/惯性组合制导方式。
上述弹载天文导航设备仍为小视场系统，采用“高度差法”导航原理，也只能作为惯导的校准设备使用，不能作为一种独立的导航手段使用。近些年，由于基于星光折射的高精度自主水平基准的出现，使天文导航技术再度成为弹载导航系统研究的热点。
(5)天基平台应用情况 天基平台是天文导航技术的最佳应用环境，国外从20世纪80年代开始研制，以美、德、英、丹麦等国较为突出，至今已有多种产品在卫星、飞船、空间站上得到应用。
美国波尔宇航系统集团公司研制的CT2633星体跟踪器是一种通用自主式星光姿态测定装置，可作为主姿态传感器来使用。在多种应用中不需要其他姿态传感器的配合。CT2633的通用性在于它适合于各种不同的应用，包括地球轨道卫星和空间站。
德国耶那光电有限公司研制的用于航天器姿态控制的ASTRO系列星体跟踪器采用了模块化设计，特别
衣服款式图追求自主式姿态确定能力的实现。在强调观测高精度、模块化结构和工作灵活性的同时，还具有体
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积小、重量轻、功耗低的特点。ASTRO1是其第一代产品，在1989～2001年间，成功运用于M I R空间站。AST RO15是其最新一代的星体跟踪器，在机械结构和电子线路上，采用了一些新的设计。
美国国家航空航天局喷气推进实验室研制的ASC(Advanced Stellar Compass)星体跟踪器，已应用于丹麦O rsted地磁探测卫星上。
Hughes Danbury光学系统公司从1983年开始，发展HD系列星体跟踪器,HD21000星体跟踪器已用于NAS A/CNE T OPEX太空船中。
以上几种天基天文导航设备(大视场星体跟踪器)是一种通过一次观测多颗恒星，采用多星矢量定姿原理，自主提供运载体在惯性空间中三轴绝对姿态的光电设备，又被称为星敏感器，是目前精度最高的惯性姿态敏感器，大大提高了航天器的姿态控制精度和工作寿命。更为重要的是，大视场星体跟踪器采用星光折射原理后，利用自身的光电探测功能，可以获得精度极高的水平姿态，从而形成真正意义上的能同时提供高精度位置、航向和惯性或水平姿态信息的自主天文导航系统。
2.3 射电天文导航技术的应用
射电天文导航技术是在整个电磁波谱范围内的某些mm或c m波段内对自然或人工天体进行探测，采用“高度差法”定位定向原理，解决了光电天文导航系统受天候影响较大，不能全天候工作的问题。该技术虽不属光电导航的范畴，但可作为天文导航技术的一个分支，是光电天文导航技术的有益补充和拓展。
国外于20世纪50年代开始研究基于“高度差法”的射电天文导航技术，现已装备使用。例如，美国的科林斯公司已研制了多种型号射电天文导航设备，其中AN/S AN21型号的精度为3′，工作波段为1. 8～3.2c m，可观测太阳和月亮。俄罗斯的射电天文导航设备的制造商主要有罗蒙联合股份公司、喀山光机股份公司和俄罗斯联邦国立研究中心电气仪表中央科学研究所等3家单位。他们研制的射电天文导航设备大致有3种型号:“鳕鱼眼”射电六分仪A型、“鲤鱼眼”射电六分仪B型和“沙果”型射电六分仪。俄罗
斯的“台风”级弹道导弹核潜艇、D I级弹道导弹核潜艇、D III级弹道导弹核潜艇、“奥斯卡”级巡航导弹核潜艇、“麦克”级潜艇以及“基辅”号航母装都有上述3种射电天文导航设备中的1种或几种。2.4 水平基准的发展现状
天文导航系统在已知水平姿态的条件下，可确定运载体的地理位置和真北航向。在已知地理位置的条件下，可确定运载体的水平姿态和真北航向。一直以来，天文导航系统一般与惯性导航系统组合使用(不包括利用水天线的航海六分仪)，定期对惯导系统的位置和航向漂移进行校正。由此可知，天文导航系统的导航精度受制于惯性水平基准。目前，国内的惯性水平基准最高精度大约为20″(1σ)，国外可达到10″(1σ)。
天文导航系统要真正实现自主导航，主要是摆脱由惯性设备提供水平基准的束缚，解决利用自身功能自主提供高精度水平基准这项关键技术。对脱离大气层的天文导航系统而言完全可以克服这个难题，它可以利用自身的光电探测功能和星光折射/星光色散原理来获得优于10″(1σ)的高精度水平基准。该方法是利用天文导航系统测量恒星星光在通过地球边缘大气层时所发生的折射间接得到大地水平信息，由此可确定运载体的地理位置和真北航向。大连环球雅思
20世纪80～90年代，美国海军研究局、美国国防部高级研究计划局、麻省理工学院D raper实验室、马里兰大学已共同研制出双色折射测量仪。试验表明，该装置可以达到很高的测量精度，在增加了恒
星捕获、检测、识别等功能之后，这种装置就可成为专用的星光折射/色散导航敏感器。结合NAS A地面测控站提供的精确的卫星轨道参数,D raper实验室利用已掌握的2颗NAS A卫星的高精度在轨观测数据对大气平流层的密度进行了深入分析，并在此基础上，分别就低轨道、GPS轨道和地球同步轨道等不同情况，对利用星光折射/星光色散的自主导航方案进行误差分析和全过程仿真研究。结果表明，该系统导航定位精度预计可达50～200m，接近GPS的定位精度。
在同一时期，法国也进行了星光折射法自主导航的研究。这一研究工作由法国国家空间研究中心(CE NS)主持。研究工作主要以低轨道地球观测卫星SP OT为背景。CENS已多次释放平流层气球对星光折射进行了实际测量，在此基础上，对大气折射的精确模型、测量方案、自然环境对观测的约束、误差分配和系统性能的优化等方面进行了深入分析和仿真试验。预计该系统的导航定位精度为300m。
星光折射自主导航系统的主要特点有：仅利用星体跟踪器自身的测量数据，实现全自主导航；测量系统耗费低廉；要求对恒星有很高的测量精度；大气折
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射模型的误差对导航精度的影响十分显著。headache是什么意思
3 天文导航技术的发展趋势
从过去几十年天文导航技术的研究与发展状况来看，欧美一些军事发达国家仍然把天文导航技术的发展放在比较重要的位置，并注重实效进行新型天文导航理论和方法的研究。这些都是由于天文导航技术的独特军事地位所决定的。
随着微电子与计算机技术、光电探测技术的不断发展以及军事领域和太空探索的更高需求，天文导航技术今后的发展趋势是:
(1)对基于“高度差法”的天文导航系统而言，根据影响其导航精度的各项误差(水平基准误差、测角传感器及其线路误差、轴系制造装调与标校误差、CCD光电测星误差、蒙气差、视差、时间误差、导航星视位置误差)的机理与分布特性，研究减小或消除这些误差的理论或工程方法，从而提高系统的导航精度。
(2)对射电天文导航系统而言，随着毫米波卫星应用的不断增多，应发展全天候、小型化、较高精度(0.5n m ile)的mm波天文导航技术，并与可见光天文导航技术融合，形成组合天文导航系统。
(3)对基于“多星矢量定位技术”的大视场天文导航系统而言，其发展趋势是:①用APS传感器代替CCD传感器。APS的优势在于提高了辐射阻抗、大的动态范围、独立的像素积分时间控制等。②使用一片S OPC(片上系统)式微控制器和几块ASI C芯片就能满足系统对控制和处理电路的要求，从而使系统的成本大大减小而应用却进一步扩大。③采用30°左右视场、小焦距且经过严格标校后的高精度光电摄像系统，以满足减小星库容量、提高星图识别率的需求。④系统采用星光折射/星光色散原理向高精度自主定位、定向功能的方向发展，以满足航天和航空器自主导航的需求。⑤利用多星同步测量和瞬时确定载体惯性姿态原理，发展传感器级、高精度天文/惯性最佳组合导航技术。
(4)提高天文导航系统的导航数据输出率、可靠性和自动化程度。
(5)对射电和大视场天文导航系统，研究星体的高精度水平高度测量技术，实现载体的三维定位。
4 天文导航技术主要研究方向
根据天文导航技术的发展趋势和军事需求，未来的主要研究方向包括以下几方面:
(1)天文导航系统误差模型及综合标校技术 天文导航系统的导航精度主要取决于水平基准精度、测角传感器及其线路检测精度、轴系制造装调与标校精度、CCD光电测星精度、蒙气差与视差的修正精度、时间精度、导航星视位置精度。上述各项中，水平基准对天文导航系统导航精度的影响最大，但
只能从采用新器件(高精度陀螺和加速度计)和新方法(星光折射方法)上提高其精度。其他几项因素就其物理本质而言，其精度已达到极限，对这些误差产生的机理及其分布特性进行研究后，可以建立减小这些误差的综合标定模型及其工程方法，从而进一步提高系统的导航精度。比如，由光学镜头、CCD、图像采集卡及相应的计算机软件可组成光电摄像系统，通过对其各种像差、焦距误差、光轴与CCD靶面的垂直误差、光轴与CCD靶面电轴的不重合误差等误差产生的机理进行分析和研究后，可建立对这几项误差进行综合标定的数学模型，标定后，摄像系统对星体的检测精度可达到视场的1/10000。再比如，由俯仰轴、方位轴、视轴、测角传感器组成的星体高度与方位测量部件，可对视轴与俯仰轴的垂直度误差、俯仰轴与方位轴的垂直度误差、方位轴与基座的垂直度误差、测角传感器及其线路的非线性误差等进行分析和研究后，可建立对这几项误差进行综合标定的数学模型，标定后，轴系与测角元件的综合误差可控制在1″～5″。
(2)mm波技术及其在射电天文导航中的应用 天文导航系统要实现全天候工作，须研究和发展射电天文导航技术。过去，由于受mm波器件和我国没有mm波卫星的限制(探测太阳和月亮也不能实现全天侯)，射电探测一直只能针对c m波段的太阳、月亮和卫星，因而，射电天文导航的精度很难有所突破，且由于天线口径大而使其工程应用也受到相应制约。随着mm波器件的发展以及mm波卫星的大量应用,mm 波技术在射电天文导航中将得到广泛应用。
(3)光电成像与信号处理技术 当天文导航系统脱离大气层时，由于背景具有均匀且背离太阳时辐射能
较低的特点，因而，很容易实现系统的高质量多星光电成像技术，这就是在太空中普遍采用大视场的原因。但由于系统处于大气层内时，受大气云层背景不均匀以及白天太阳光散射的缘故，天文导航系统白天的测星能力非常有限，使具有许多优点的多星矢量定位技术在白天环境下根本无法使用。可见，对消杂散光光阑的研究是提高小视场光电成像系统白天测星能力的最有效方法。另外，采用全息多焦点广角透
因为你不喜欢我·
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第5期 何 炬：国外天文导航技术发展综述
