0 引言

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

1 天文導航的發展與機載平臺應用

1.1 天文導航的發展

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

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

目前，國外天文導航正從傳統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合的方向發展，從傳統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合的方向發展，以提高天文導航系統的精度和數據輸出率，實現天文導航系統的高精度、自主、全天候和多功能化，滿足多種作戰平臺的需要。

我國的天文導航技術近些年發展很快。特別在航天、航海天文導航方面取得了一些新的技術突破，但與國外先進水平相比還存在著較大差距。艦載、導彈、衛星等平臺已有相關的應用，空中機載平臺應用未見報導。

1.2 機載平臺應用

在航空領域，20 世紀 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航設備在機載平臺上得到成功應用。如美軍的中遠程轟炸機、大型運輸機、高空偵察機以及蘇聯的轟炸機均使用了天文導航設備。

美軍B-2幽靈遠程戰略轟炸機安裝了諾斯羅普公司研制的 NAS-26 型天文/慣性導航系統。它跟蹤三顆星定位所需時間約為 1 min,姿態精度優于 3″，定位精度優于 350m.2005 年，諾格公司為美軍RC-135 偵察機系列提供了 LN120G 高精度天文導航系統，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,姿態精度航向優于20″，俯仰/滾動優于 0.05 °。

2 天文導航的分類和特點

2.1 天文導航的分類

按照觀測星體數目多少，天文導航分為單星導航和多星導航。單星導航也稱為跟蹤式導航，需要星跟蹤器有伺服轉臺保持對星體的跟蹤；多星導航也稱星圖匹配式導航，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，星圖匹配式導航的精度要優于跟蹤式導航。

按照星體的峰值光譜和光譜范圍分，天文導航可分為星光導航、射電天文導航。觀測星體的可見光導航和紅外導航叫星光導航，而接收天體輻射的射電信號進行導航的叫射電天文導航。

根據測星定位定向原理，天文導航可分為 3 種體系結構：

一是基于六分儀原理的天文導航系統，二戰前，天文定位是主要的導航手段，許多艦船都配備了天文導航的各種儀表、天文鐘和手持航海六分儀。二戰后，出現了六分儀和潛望鏡相結合的應用。

二是基于"高度差法"的天文導航系統，這種系統具有兩個特點：

（1）導航過程中要依賴于慣導平臺提供的水平基準。

（2）系統光學分辨率高，抑制背景噪聲能力強，導航精度高。

三是基于星圖識別的多星矢量定位技術的天文導航系統。該系統具有如下特點：（1）大視場光學系統。視場內平均三顆以上的星體被利用，這樣可以提高系統捕獲星體的概率和導航精度；（2）不需要任何外部信息，直接輸出系統相對于慣性空間的姿態，因而能對陀螺誤差進行直接校正；（3）確定運載體慣性姿態的精度是現有設備中最高的；（4）系統在大氣層以內工作時，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 種應用平臺。

2.2 天文導航的特點

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

（2）能同時提供位置和時間信息，誤差不積累天文導航不僅可以提供載體的位置、速度信息，還可以提供姿態信息。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于慣性導航系統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，因此天文導航非常適合長時間自主運行和導航定位精度要求較高的領域。

（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，天體的空間運動規律不受人為破壞，從根本上保證了天文導航的可靠性。

（4）使用范圍廣，發展空間大天文導航不受地域、空域和時域的限制，是一種在整個宇宙空間處處適用的導航技術，可實現空間和全球的全天時、全天候、全自動天文導航。

（5）設備簡單，便于應用推廣天文導航不需要設立陸基臺站，更不必向空中發射軌道運行體，設備簡單，工作可靠，不受敵對制約，便于建成獨立的導航體制。在戰爭情況下將是一種難得的精確導航定位與校準手段。

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