天文导航技术与机载应用研究概述

何建新，何航，康永

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

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。

3 发展趋势和主要研究方向

天文导航技术的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，实现空间和全球的全天时、全天候导航，在技术体制上呈现出多元体制发展。主要研究方向除传统的可见光天文导航技术外，还有近红外天文导航、射电天文导航、惯性天体天文导航、天文/惯性/卫星组合等研究方向。

天文导航技术主要研究内容包括以下方面：

3.1 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、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，可以从采用高精度陀螺、加速度计、光电基准等新器件和星光折射等新方法上提高其精度。在探测精度的提高上，可以开展光电探测器及其误差模型的研究，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校模型及其工程方法，从而进一步提高系统的导航精度。美国海军天文台天文应用室主任P.M.Tanjczek博士认为天文导航独特之处在于生存力强，测天精度可达到1角秒，定位精度达30m，从而可名副其实地作为GPS替换设备。

3.2 昼夜导航光电成像和信号处理技术

在可见光天文导航系统应用于脱离大气层的平台时，由于背景具有均匀且背离太阳时辐射能较低的特点，很容易实现系统的高质量多星光成像技术。但对于应用于大气层内的平台时，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，因此，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有效方法。另外，采用全息多焦点广角透镜和近红外CCD焦平面阵列技术实现昼夜测星多星矢量定位技术也是行之有效的方法；据分析，具有红外辐射源的恒星数量可以满足昼夜导航的需求。还有采用光谱滤波技术、气动光学效应校正技术、昼夜星光自动跟踪技术也是实现昼夜导航研究的重点。

光电成像系统所拍摄的星图主要由恒星像点、背景信号和随机噪声组成。在天空中，星等较低的恒星占多数，所以在星图中存在着大量的微弱恒星目标。对于6等以下的星体目标，直接提取比较困难，必须先对星图进行预处理。由于星图预处理的结果是用于恒星目标提取，再求出星像在CCD靶面上的灰度中心位置，并且精度要求达到亚像素级。这就要求所采用的图像预处理算法，既能够有效抑制背景光和噪声，又不会对恒星目标的灰度中心位置造成较大的影响。所以，分析恒星目标、背景及其噪声的灰度分布特点，设计适合而又能实时实现的滤波算法是天文导航系统信号处理技术的主要研究内容。

3.3 星敏探测技术

CCD（电耦合器）是常用的一种探测器，CCD上有许多排列整齐的光电二极管阵列，能感应光线，并将光信号转换成电信信号，经采样放大及模数转换电路转换成数字图像信息。CCD主要包含感光二极管、并行信号积存器、并行信号寄存器、信号放大器、模数转换器等。CCD电路较为复杂，成本也高。CCD主要应用于较高精度的天文观测、数码摄影等。

APS（动态像元敏感器）是一种新型光电探测器，APS是光电二极管阵列，采用CMOS工艺，因此具有CMOS器件的各项优点，特别是抗辐射水平，集成度可大大提高，从而使接口简单，电源电压单一化，并能大大降低体积、重量和功耗；APS每个像元区还包括独立的电子开关、放大器、采保等电路，因此，放大器频带低，读出噪声低，转换成的电压直接送给输出放大器，不需要电荷转换，不会有电荷损耗及图像模糊，即具有固有的抗“渐晕”特性，目前，APS主要应用于较低精度的星跟踪器、相机、摄像机等。

APD（雪崩光电二极管）单光子探测器是基于硅材料的雪崩光电二极管（Si-APD）和基于铟镓砷材料的雪崩光电二极管（InGaAs-APD）阵列的未来型探测器，光子是光信号的最小单位，APD单光子探测器可以敏感单个光子的能量，达到光学探测的极限水平。使用APD单光子探测器可使探测系统的灵敏度相对于传统光电探测器提高4至6个数量级，最大工作距离可相应提高2至3个数量级。单光子探测器的应用将大大提升天文观测、数码摄影的性能。

3.4 厘米、毫米波射电导航技术

利用电磁波谱范围内的某些毫米或厘米波段内对自然或人工天体进行探测，可有效解决天文导航系统受气候影响较大，不能全天候工作的问题。在短厘米波段采用小于1m口径的射电接收天线即可接收太阳、月亮、仙后座、金牛座、天鹅座、织女座等的射电辐射信号，实现射电天文导航。

需要说明的是，射电源天文导航研究中不仅仅只以射电源辐射强度作为实现导航的条件，还要考虑系统所能达到的测量精度，如面源角径的影响，射电天体重心、张角和流量变化，射电信号特征提取、接收机带宽和灵敏度，探测信号时间积分等问题。

3.5 X射线脉冲星导航技术

脉冲星是大质量恒星演化、坍缩、超新星爆发的遗迹，是一种具有超高温、超高压、超高密度、超强磁场、超强电场和超强引力场等极端物理条件的天体，其典型半径约为10km，而质量却与太阳相当，核心密度达到1012kg/cm。

脉冲星属于高速自转的中子星，其自转轴与磁极轴之间有一个夹角，两个磁极各有一个辐射波束。当星体自转且磁极波束扫过安装在载体上的探测设备时，探测设备就能够接收到一个脉冲信号。脉冲星自转周期范围一般为1.6ms～1000s，且具有良好的周期稳定性，尤其是毫秒级脉冲星的自转周期变化率达到10-19～10-21，被誉为自然界最稳定的天文时钟。

脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、X射线和伽马射线等电磁波频段产生信号辐射。射线属于高能光子，集中了脉冲星绝大部分辐射能量，特别是脉冲星X射线，易于小型化设备探测与处理，适用于空间飞行器导航，但脉冲星X射线难于穿过地球的稠密大气层，不适宜用以大气层内的载体导航。

X射线脉冲星导航研究内容包括：脉冲星X射线的巡天观测与信号特征提取技术、脉冲到达时间测量与误差修正技术、X射线探测器研制技术、导航星表建立及自主导航信息处理等技术。

3.6 导航星表及恒星视位置高精度归算技术

导航星表及恒星视位置高精度归算主要研究内容是对拟用于作为导航信标的天体辐射源和位置布局等进行统计分析，根据归算方法要求来设计相应的导航星表,以便于从影像上获取相应信息与之匹配,最终确定星像点与导航星之间的对应关系。充分考虑天体之间相互影响，以及地球自转和公转引起的观测偏差，修正自行、视差、岁差、章动和光行差等各种影响，通过坐标变换，将平位置归算到恒星视位置坐标。同时还需考虑星表的容量、存储方式、存储内容和读取方式。

3.7 高精度自主水平基准和测姿、定位技术

高精度自主水平技术主要研究内容是建立星光大气折射/星光色散数学模型，利用天文导航系统自身的光电探测功能来获得由于10〞的高精度水平姿态。研究工作是释放平流层气球对星光折射进行实际测量，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进行深入分析和试验验证。

天文测姿以天体为导航信标，利用星敏感器直接捕获星图，通过数据处理单元对星图进行天体质心的提取、星图识别、导航三角解算等一系列计算，可直接输出载体相对惯性空间的姿态信息。

天文导航系统在确定位置时，通常只能提供经度和纬度二维坐标，对于地平高度无法确定。这主要是由于运载体、遥远天体和地心组成的三角形为一奇异三角形，无法求取载体地平高度。通过发展近距卫星射电测量技术和星光折射技术，可以较高精度确定载体的地平高度，从而为运载平台提供三维坐标定位。

在机载环境下如何提高天文导航系统的测姿、定位精度，是天文导航的难题，为实现昼夜导航，机载天文导航多采用基于小视场星体跟踪器的解算方法，其导航精度要劣于基于大视场星体敏感器的星图匹配算法，若将小视场星体跟踪器与惯性测量、星图匹配算法结合，可很好改善机载天文导航的测姿、定位精度。

3.8 机载、弹载环境下的高带宽、高精度控制技术

机载、弹载平台相比舰载平台具有频带宽、随机角振动大的特点。因此，天文导航系统首先要解决如何有效抑制基座的高频随机振动这项关键技术。根据机载动态环境，结合天文导航系统所需要的稳定跟踪能力和星体测量精度，要求系统的各级伺服控制器对任意轴方向的随机振动的综合抑制能力为；在1～100Hz频带内，平台的残余角振动均方根值小于20〞。平台的随机振动一般表现为平稳随机过程，要设计适合某环境的高性能随机振动抑制器，必须采用参数辨识和功率谱密度估计等方法来测量、分析平台的振动特性，以此作为天文导航系统的输入信息，设计出满足系统性能要求的各级伺服控制器。

3.9 天文/惯性组合导航技术

采用惯性/天文组合导航可以解决惯性导航系统误差随时间积累的问题，显著提高导航系统的性能，在实现惯性测量基准与星跟踪器一体化架构基础上，组合技术需要对组合导航的模式和惯性系统、天文系统精确建模、标定、补偿、姿态和定位解算、滤波等技术进行深入研究。

基于小视场星跟踪器的天文/惯导组合导航算法主要包括时间统一、数据采集、坐标转换、误差解算、滤波校正、导航输出等功能模块，时统模块是惯性/天文组合导航的时间基准，是时空统一的基础；数据采集模块主要完成捷联惯导对机载平台的测量数据采集、星跟踪器对导航星体的测量数据采集；坐标统一模块主要完成系统中不同坐标系的坐标变换；误差解算模块主要完成捷联惯导平台误差角和位置误差角的解算；滤波校正模块主要完成对捷联惯导平台误差和位置误差的滤波和校正。

4 结束语

现代信息化战场是海陆空天磁的空间导航战，复杂的战场电磁环境要求导航系统具有很高的抗干扰能力。天文导航隐蔽性强、不受电磁干扰、安全可靠、定向精度高等特点使其占有重要的战略地位。美国、俄罗斯等军事强国已将天文导航技术成熟应用于空中平台，提升了空中平台的导航精度和抗电磁干扰能力。而我国的天文导航技术在空中平台上的应用还属于空白，亟需引起足够的重视开展研究和形成装备，提升我空中平台的导航定位精度、抗电磁干扰、自动化、智能化水平，实现昼夜导航、全天候导航和全球导航。加快发展天文导航技术，对国防建设及国民经济建设具有深远意义。

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