天文導(dǎo)航技術(shù)與機載應(yīng)用研究概述

何建新，何航，康永

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

導(dǎo)航在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中具有極其重要的地位，在強電磁干擾的導(dǎo)航戰(zhàn)背景下，如何提供高精度、高穩(wěn)定性、高可靠和全天候的導(dǎo)航信息已成為當(dāng)今導(dǎo)航技術(shù)的重要研究方向。當(dāng)前，世界各軍事強國都在加大天文導(dǎo)航的研究力度，以提升導(dǎo)航的精度和抗電磁干擾能力。

1 天文導(dǎo)航的發(fā)展與機載平臺應(yīng)用

1.1 天文導(dǎo)航的發(fā)展

元明時期，我國已經(jīng)能夠通過“牽星術(shù)”觀測星的高度來定地理緯度實現(xiàn)航海，18世紀(jì)，國外六分儀和天文鐘的問世，大大提高了天文導(dǎo)航的準(zhǔn)確性，前者用于觀測天體高度，后者可以在海上用時間法求經(jīng)度。1837年美國船長沙姆那發(fā)現(xiàn)了等高線，可同時觀測經(jīng)緯度，1875年法國人圣西勒爾發(fā)明了高度差法，簡化了天文定位線測定作業(yè)，至今仍在應(yīng)用。

基于天文導(dǎo)航技術(shù)的特點，天文導(dǎo)航的研究應(yīng)用范圍正在擴大，從航海六分儀到自動的星體跟蹤器，從水下的天文導(dǎo)航潛望鏡，到航空航天用的星載、機載、彈載天文導(dǎo)航系統(tǒng)。

目前，國外天文導(dǎo)航正從傳統(tǒng)的可見光測星定位向可見光測星定位和射電測星定位相結(jié)合的方向發(fā)展，從傳統(tǒng)的小視場測星定位向小視場測星定位和大視場測星定位相結(jié)合的方向發(fā)展，以提高天文導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和數(shù)據(jù)輸出率，實現(xiàn)天文導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度、自主、全天候和多功能化，滿足多種作戰(zhàn)平臺的需要。

我國的天文導(dǎo)航技術(shù)近些年發(fā)展很快。特別在航天、航海天文導(dǎo)航方面取得了一些新的技術(shù)突破，但與國外先進水平相比還存在著較大差距。艦載、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等平臺已有相關(guān)的應(yīng)用，空中機載平臺應(yīng)用未見報導(dǎo)。

1.2 機載平臺應(yīng)用

在航空領(lǐng)域，20世紀(jì)60年代之前，航空六分儀和天文羅盤已在某些飛機上使用，60年代之后，天體自動跟蹤器等天文導(dǎo)航設(shè)備在機載平臺上得到成功應(yīng)用。如美軍的中遠程轟炸機、大型運輸機、高空偵察機以及蘇聯(lián)的轟炸機均使用了天文導(dǎo)航設(shè)備。

美軍B-2幽靈遠程戰(zhàn)略轟炸機安裝了諾斯羅普公司研制的NAS-26型天文/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。它跟蹤三顆星定位所需時間約為1 min，姿態(tài)精度優(yōu)于3″，定位精度優(yōu)于350m。2005年，諾格公司為美軍RC-135偵察機系列提供了LN120G高精度天文導(dǎo)航系統(tǒng)，在慣性/星光組合模式下，位置精度達到0.9km/h，速度精度達0.6 m/s，姿態(tài)精度航向優(yōu)于20″，俯仰/滾動優(yōu)于 0.05 °。

2 天文導(dǎo)航的分類和特點

2.1 天文導(dǎo)航的分類

按照觀測星體數(shù)目多少，天文導(dǎo)航分為單星導(dǎo)航和多星導(dǎo)航。單星導(dǎo)航也稱為跟蹤式導(dǎo)航，需要星跟蹤器有伺服轉(zhuǎn)臺保持對星體的跟蹤；多星導(dǎo)航也稱星圖匹配式導(dǎo)航，需要在星敏感器視場中觀測到三個以上的星體。各星體之間的方位角差最好在60°～90°之間（越接近90°越好），高度（俯仰角）最好在15°～6°之間，星圖匹配式導(dǎo)航的精度要優(yōu)于跟蹤式導(dǎo)航。

按照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、射電天文導(dǎo)航。觀測星體的可見光導(dǎo)航和紅外導(dǎo)航叫星光導(dǎo)航，而接收天體輻射的射電信號進行導(dǎo)航的叫射電天文導(dǎo)航。

根據(jù)測星定位定向原理，天文導(dǎo)航可分為3種體系結(jié)構(gòu)：

一是基于六分儀原理的天文導(dǎo)航系統(tǒng)，二戰(zhàn)前，天文定位是主要的導(dǎo)航手段，許多艦船都配備了天文導(dǎo)航的各種儀表、天文鐘和手持航海六分儀。二戰(zhàn)后，出現(xiàn)了六分儀和潛望鏡相結(jié)合的應(yīng)用。

二是基于“高度差法”的天文導(dǎo)航系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有兩個特點：

（1）導(dǎo)航過程中要依賴于慣導(dǎo)平臺提供的水平基準(zhǔn)。

（2）系統(tǒng)光學(xué)分辨率高，抑制背景噪聲能力強，導(dǎo)航精度高。

三是基于星圖識別的多星矢量定位技術(shù)的天文導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有如下特點：

（1）大視場光學(xué)系統(tǒng)。視場內(nèi)平均三顆以上的星體被利用，這樣可以提高系統(tǒng)捕獲星體的概率和導(dǎo)航精度；

（2）不需要任何外部信息，直接輸出系統(tǒng)相對于慣性空間的姿態(tài)，因而能對陀螺誤差進行直接校正；

（3）確定運載體慣性姿態(tài)的精度是現(xiàn)有設(shè)備中最高的；

（4）系統(tǒng)在大氣層以內(nèi)工作時，受天候影響較大，可靠性有待進一步提高。

按照安裝平臺劃分，可分為?；?、陸基、機載、彈載、天基5種應(yīng)用平臺。

2.2 天文導(dǎo)航的特點

天文導(dǎo)航建立在天體慣性系框架之上，具有以下特點：

（1）被動式測量，自主式導(dǎo)航

天文導(dǎo)航以太陽、月亮、恒星等天體作為導(dǎo)航信標(biāo)，被動地接收天體自身輻射信號，進而獲取導(dǎo)航信息，是一種完全自主的導(dǎo)航方式。工作安全、隱蔽。

（2）能同時提供位置和時間信息，誤差不積累

天文導(dǎo)航不僅可以提供載體的位置、速度信息，還可以提供姿態(tài)信息。由于從地球到恒星的方位基本保持不變，因此天體測量儀器就相當(dāng)于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中沒有漂移的陀螺儀，雖然有像差、視差和地球極軸的章動等，但這些因素造成的定位誤差極小，也可以在星表中加以修正，因此天文導(dǎo)航非常適合長時間自主運行和導(dǎo)航定位精度要求較高的領(lǐng)域。

（3）抗干擾能力強，可靠性高

天體輻射覆蓋了X射線、紫外、紅外、可見光等整個電磁波譜，從而具有極強的抗干擾能力。此外，天體的空間運動規(guī)律不受人為破壞，從根本上保證了天文導(dǎo)航的可靠性。

（4）使用范圍廣，發(fā)展空間大

天文導(dǎo)航不受地域、空域和時域的限制，是一種在整個宇宙空間處處適用的導(dǎo)航技術(shù)，可實現(xiàn)空間和全球的全天時、全天候、全自動天文導(dǎo)航。

（5）設(shè)備簡單，便于應(yīng)用推廣

天文導(dǎo)航不需要設(shè)立陸基臺站，更不必向空中發(fā)射軌道運行體，設(shè)備簡單，工作可靠，不受敵對制約，便于建成獨立的導(dǎo)航體制。在戰(zhàn)爭情況下將是一種難得的精確導(dǎo)航定位與校準(zhǔn)手段。

（6）導(dǎo)航過程時間短，定向精度高

天文導(dǎo)航完成一次定位、定向過程只需1～2min，當(dāng)采用光電自動瞄準(zhǔn)定向時，只需15s，而且天文導(dǎo)航在導(dǎo)航系統(tǒng)中定向精度最高。不僅能夠為未來戰(zhàn)場武器系統(tǒng)提供精確實時的航向和慣導(dǎo)校正信息，而且可作為未來空天高速飛行器的導(dǎo)航保障手段之一。

3 發(fā)展趨勢和主要研究方向

天文導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢是提高定位定向精度與導(dǎo)航定位的自動化、智能化水平，實現(xiàn)空間和全球的全天時、全天候?qū)Ш?，在技術(shù)體制上呈現(xiàn)出多元體制發(fā)展。主要研究方向除傳統(tǒng)的可見光天文導(dǎo)航技術(shù)外，還有近紅外天文導(dǎo)航、射電天文導(dǎo)航、慣性天體天文導(dǎo)航、天文/慣性/衛(wèi)星組合等研究方向。

天文導(dǎo)航技術(shù)主要研究內(nèi)容包括以下方面：

3.1 天文導(dǎo)航系統(tǒng)誤差模型及綜合標(biāo)校技術(shù)

天文導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度主要取決于水平基準(zhǔn)精度、測角傳感器及其線路檢測精度、軸系制造裝調(diào)與標(biāo)校精度、光電測星精度、蒙氣差與視差的修正精度、時間精度、導(dǎo)航星視位置精度。上述各項中，水平基準(zhǔn)對天文導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航精度的影響最大，可以從采用高精度陀螺、加速度計、光電基準(zhǔn)等新器件和星光折射等新方法上提高其精度。在探測精度的提高上，可以開展光電探測器及其誤差模型的研究，對這些誤差產(chǎn)生的機理及其分布特性進行研究后，可以建立減小這些誤差的綜合標(biāo)校模型及其工程方法，從而進一步提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。美國海軍天文臺天文應(yīng)用室主任P.M.Tanjczek博士認為天文導(dǎo)航獨特之處在于生存力強，測天精度可達到1角秒，定位精度達30m，從而可名副其實地作為GPS替換設(shè)備。

3.2 晝夜導(dǎo)航光電成像和信號處理技術(shù)

在可見光天文導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于脫離大氣層的平臺時，由于背景具有均勻且背離太陽時輻射能較低的特點，很容易實現(xiàn)系統(tǒng)的高質(zhì)量多星光成像技術(shù)。但對于應(yīng)用于大氣層內(nèi)的平臺時，受大氣云層背景不均勻以及白天太陽光散射的緣故，天文導(dǎo)航系統(tǒng)白天的測星能力非常有限，因此，對消雜散光光闌的研究是提高小視場光電成像系統(tǒng)白天測星能力的有效方法。另外，采用全息多焦點廣角透鏡和近紅外CCD焦平面陣列技術(shù)實現(xiàn)晝夜測星多星矢量定位技術(shù)也是行之有效的方法；據(jù)分析，具有紅外輻射源的恒星數(shù)量可以滿足晝夜導(dǎo)航的需求。還有采用光譜濾波技術(shù)、氣動光學(xué)效應(yīng)校正技術(shù)、晝夜星光自動跟蹤技術(shù)也是實現(xiàn)晝夜導(dǎo)航研究的重點。

光電成像系統(tǒng)所拍攝的星圖主要由恒星像點、背景信號和隨機噪聲組成。在天空中，星等較低的恒星占多數(shù)，所以在星圖中存在著大量的微弱恒星目標(biāo)。對于6等以下的星體目標(biāo)，直接提取比較困難，必須先對星圖進行預(yù)處理。由于星圖預(yù)處理的結(jié)果是用于恒星目標(biāo)提取，再求出星像在CCD靶面上的灰度中心位置，并且精度要求達到亞像素級。這就要求所采用的圖像預(yù)處理算法，既能夠有效抑制背景光和噪聲，又不會對恒星目標(biāo)的灰度中心位置造成較大的影響。所以，分析恒星目標(biāo)、背景及其噪聲的灰度分布特點，設(shè)計適合而又能實時實現(xiàn)的濾波算法是天文導(dǎo)航系統(tǒng)信號處理技術(shù)的主要研究內(nèi)容。

3.3 星敏探測技術(shù)

CCD（電耦合器）是常用的一種探測器，CCD上有許多排列整齊的光電二極管陣列，能感應(yīng)光線，并將光信號轉(zhuǎn)換成電信信號，經(jīng)采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信息。CCD主要包含感光二極管、并行信號積存器、并行信號寄存器、信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。CCD電路較為復(fù)雜，成本也高。CCD主要應(yīng)用于較高精度的天文觀測、數(shù)碼攝影等。

APS（動態(tài)像元敏感器）是一種新型光電探測器，APS是光電二極管陣列，采用CMOS工藝，因此具有CMOS器件的各項優(yōu)點，特別是抗輻射水平，集成度可大大提高，從而使接口簡單，電源電壓單一化，并能大大降低體積、重量和功耗；APS每個像元區(qū)還包括獨立的電子開關(guān)、放大器、采保等電路，因此，放大器頻帶低，讀出噪聲低，轉(zhuǎn)換成的電壓直接送給輸出放大器，不需要電荷轉(zhuǎn)換，不會有電荷損耗及圖像模糊，即具有固有的抗“漸暈”特性，目前，APS主要應(yīng)用于較低精度的星跟蹤器、相機、攝像機等。

APD（雪崩光電二極管）單光子探測器是基于硅材料的雪崩光電二極管（Si-APD）和基于銦鎵砷材料的雪崩光電二極管（InGaAs-APD）陣列的未來型探測器，光子是光信號的最小單位，APD單光子探測器可以敏感單個光子的能量，達到光學(xué)探測的極限水平。使用APD單光子探測器可使探測系統(tǒng)的靈敏度相對于傳統(tǒng)光電探測器提高4至6個數(shù)量級，最大工作距離可相應(yīng)提高2至3個數(shù)量級。單光子探測器的應(yīng)用將大大提升天文觀測、數(shù)碼攝影的性能。

3.4 厘米、毫米波射電導(dǎo)航技術(shù)

利用電磁波譜范圍內(nèi)的某些毫米或厘米波段內(nèi)對自然或人工天體進行探測，可有效解決天文導(dǎo)航系統(tǒng)受氣候影響較大，不能全天候工作的問題。在短厘米波段采用小于1m口徑的射電接收天線即可接收太陽、月亮、仙后座、金牛座、天鵝座、織女座等的射電輻射信號，實現(xiàn)射電天文導(dǎo)航。

需要說明的是，射電源天文導(dǎo)航研究中不僅僅只以射電源輻射強度作為實現(xiàn)導(dǎo)航的條件，還要考慮系統(tǒng)所能達到的測量精度，如面源角徑的影響，射電天體重心、張角和流量變化，射電信號特征提取、接收機帶寬和靈敏度，探測信號時間積分等問題。

3.5 X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)

脈沖星是大質(zhì)量恒星演化、坍縮、超新星爆發(fā)的遺跡，是一種具有超高溫、超高壓、超高密度、超強磁場、超強電場和超強引力場等極端物理條件的天體，其典型半徑約為10km，而質(zhì)量卻與太陽相當(dāng)，核心密度達到1012kg/cm。

脈沖星屬于高速自轉(zhuǎn)的中子星，其自轉(zhuǎn)軸與磁極軸之間有一個夾角，兩個磁極各有一個輻射波束。當(dāng)星體自轉(zhuǎn)且磁極波束掃過安裝在載體上的探測設(shè)備時，探測設(shè)備就能夠接收到一個脈沖信號。脈沖星自轉(zhuǎn)周期范圍一般為1.6ms～1000s，且具有良好的周期穩(wěn)定性，尤其是毫秒級脈沖星的自轉(zhuǎn)周期變化率達到10-19～10-21，被譽為自然界最穩(wěn)定的天文時鐘。

脈沖星在射電、紅外、可見光、紫外、X射線和伽馬射線等電磁波頻段產(chǎn)生信號輻射。射線屬于高能光子，集中了脈沖星絕大部分輻射能量，特別是脈沖星X射線，易于小型化設(shè)備探測與處理，適用于空間飛行器導(dǎo)航，但脈沖星X射線難于穿過地球的稠密大氣層，不適宜用以大氣層內(nèi)的載體導(dǎo)航。

X射線脈沖星導(dǎo)航研究內(nèi)容包括：脈沖星X射線的巡天觀測與信號特征提取技術(shù)、脈沖到達時間測量與誤差修正技術(shù)、X射線探測器研制技術(shù)、導(dǎo)航星表建立及自主導(dǎo)航信息處理等技術(shù)。

3.6 導(dǎo)航星表及恒星視位置高精度歸算技術(shù)

導(dǎo)航星表及恒星視位置高精度歸算主要研究內(nèi)容是對擬用于作為導(dǎo)航信標(biāo)的天體輻射源和位置布局等進行統(tǒng)計分析，根據(jù)歸算方法要求來設(shè)計相應(yīng)的導(dǎo)航星表,以便于從影像上獲取相應(yīng)信息與之匹配,最終確定星像點與導(dǎo)航星之間的對應(yīng)關(guān)系。充分考慮天體之間相互影響，以及地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)引起的觀測偏差，修正自行、視差、歲差、章動和光行差等各種影響，通過坐標(biāo)變換，將平位置歸算到恒星視位置坐標(biāo)。同時還需考慮星表的容量、存儲方式、存儲內(nèi)容和讀取方式。

3.7 高精度自主水平基準(zhǔn)和測姿、定位技術(shù)

高精度自主水平技術(shù)主要研究內(nèi)容是建立星光大氣折射/星光色散數(shù)學(xué)模型，利用天文導(dǎo)航系統(tǒng)自身的光電探測功能來獲得由于10〞的高精度水平姿態(tài)。研究工作是釋放平流層氣球?qū)π枪庹凵溥M行實際測量，在此基礎(chǔ)上，對大氣折射的精確模型、測量方案、自然環(huán)境對觀測的約束、誤差分配和系統(tǒng)性能的優(yōu)化進行深入分析和試驗驗證。

天文測姿以天體為導(dǎo)航信標(biāo)，利用星敏感器直接捕獲星圖，通過數(shù)據(jù)處理單元對星圖進行天體質(zhì)心的提取、星圖識別、導(dǎo)航三角解算等一系列計算，可直接輸出載體相對慣性空間的姿態(tài)信息。

天文導(dǎo)航系統(tǒng)在確定位置時，通常只能提供經(jīng)度和緯度二維坐標(biāo)，對于地平高度無法確定。這主要是由于運載體、遙遠天體和地心組成的三角形為一奇異三角形，無法求取載體地平高度。通過發(fā)展近距衛(wèi)星射電測量技術(shù)和星光折射技術(shù)，可以較高精度確定載體的地平高度，從而為運載平臺提供三維坐標(biāo)定位。

在機載環(huán)境下如何提高天文導(dǎo)航系統(tǒng)的測姿、定位精度，是天文導(dǎo)航的難題，為實現(xiàn)晝夜導(dǎo)航，機載天文導(dǎo)航多采用基于小視場星體跟蹤器的解算方法，其導(dǎo)航精度要劣于基于大視場星體敏感器的星圖匹配算法，若將小視場星體跟蹤器與慣性測量、星圖匹配算法結(jié)合，可很好改善機載天文導(dǎo)航的測姿、定位精度。

3.8 機載、彈載環(huán)境下的高帶寬、高精度控制技術(shù)

機載、彈載平臺相比艦載平臺具有頻帶寬、隨機角振動大的特點。因此，天文導(dǎo)航系統(tǒng)首先要解決如何有效抑制基座的高頻隨機振動這項關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)機載動態(tài)環(huán)境，結(jié)合天文導(dǎo)航系統(tǒng)所需要的穩(wěn)定跟蹤能力和星體測量精度，要求系統(tǒng)的各級伺服控制器對任意軸方向的隨機振動的綜合抑制能力為；在1～100Hz頻帶內(nèi)，平臺的殘余角振動均方根值小于20〞。平臺的隨機振動一般表現(xiàn)為平穩(wěn)隨機過程，要設(shè)計適合某環(huán)境的高性能隨機振動抑制器，必須采用參數(shù)辨識和功率譜密度估計等方法來測量、分析平臺的振動特性，以此作為天文導(dǎo)航系統(tǒng)的輸入信息，設(shè)計出滿足系統(tǒng)性能要求的各級伺服控制器。

3.9 天文/慣性組合導(dǎo)航技術(shù)

采用慣性/天文組合導(dǎo)航可以解決慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差隨時間積累的問題，顯著提高導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，在實現(xiàn)慣性測量基準(zhǔn)與星跟蹤器一體化架構(gòu)基礎(chǔ)上，組合技術(shù)需要對組合導(dǎo)航的模式和慣性系統(tǒng)、天文系統(tǒng)精確建模、標(biāo)定、補償、姿態(tài)和定位解算、濾波等技術(shù)進行深入研究。

基于小視場星跟蹤器的天文/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航算法主要包括時間統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、誤差解算、濾波校正、導(dǎo)航輸出等功能模塊，時統(tǒng)模塊是慣性/天文組合導(dǎo)航的時間基準(zhǔn)，是時空統(tǒng)一的基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)采集模塊主要完成捷聯(lián)慣導(dǎo)對機載平臺的測量數(shù)據(jù)采集、星跟蹤器對導(dǎo)航星體的測量數(shù)據(jù)采集；坐標(biāo)統(tǒng)一模塊主要完成系統(tǒng)中不同坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換；誤差解算模塊主要完成捷聯(lián)慣導(dǎo)平臺誤差角和位置誤差角的解算；濾波校正模塊主要完成對捷聯(lián)慣導(dǎo)平臺誤差和位置誤差的濾波和校正。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代信息化戰(zhàn)場是海陸空天磁的空間導(dǎo)航戰(zhàn)，復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境要求導(dǎo)航系統(tǒng)具有很高的抗干擾能力。天文導(dǎo)航隱蔽性強、不受電磁干擾、安全可靠、定向精度高等特點使其占有重要的戰(zhàn)略地位。美國、俄羅斯等軍事強國已將天文導(dǎo)航技術(shù)成熟應(yīng)用于空中平臺，提升了空中平臺的導(dǎo)航精度和抗電磁干擾能力。而我國的天文導(dǎo)航技術(shù)在空中平臺上的應(yīng)用還屬于空白，亟需引起足夠的重視開展研究和形成裝備，提升我空中平臺的導(dǎo)航定位精度、抗電磁干擾、自動化、智能化水平，實現(xiàn)晝夜導(dǎo)航、全天候?qū)Ш胶腿驅(qū)Ш?。加快發(fā)展天文導(dǎo)航技術(shù)，對國防建設(shè)及國民經(jīng)濟建設(shè)具有深遠意義。

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