天文航海

海上观测天体高度、方位等以确定船位的导航技术

天文航海，又称“天文导航”，“航海天文学”。是指在海上观测天体高度、方位等以确定船位的导航技术。例如，某时刻同时观测两天体的高度,可得到相应的两个天文船位图，两圆相交，靠近推算船位的一个交点就是与观测时刻相对应的天文船位。天文船位圆的半径一般很大，对定位有用的仅是靠近推算船位、在实用上可视为直线的小弧段——天文船位线。与其他定位方法相比，天文定位受天气条件限制，解箅复杂费时，但具有独立性强、仪器简单、费用节省、隐蔽性好、没有覆盖区限制、定位误差稳定、没有积累误差等优点。

定义

天文导航的定义：根据天体来测定飞行器位置和航向的航行技术。天体的坐标位置和它的运动规律是已知的，测量天体相对于飞行器参考基准面的高度角和方位角就可以计算出飞行器的位置和航向。天文导航系统是自主式系统，不需要地面设备，不受人工或自然形成的电磁场的干扰，不向外辐射电磁波，隐蔽性好，定向、定位精度高，定位误差与时间无关，因而天文导航得到广泛应用。

原理

航空和航天的天文导航都是在航海天文导航基础上发展起来的。航空天文导航跟踪的天体主要是亮度较强的恒星。航天中则要用到亮度较弱的恒星或其他天体。以天体作为参考点，可确定飞行器在空中的真航向。使星体跟踪器中的望远镜自动对准天体方向可以测出飞行器前进方向（纵轴）与天体方向（即望远镜轴线方向）之间的夹角（称为航向角）。由于天体在任一瞬间相对于南北子午线之间的夹角（即天体方位角）是已知的。这样，从天体方位角中减去航向角就得到飞行器的真航向。通过测量天体相对于飞行器参考面的高度就可以判定飞行器的位置。以地平坐标系在飞行器上测得某星体C的高度角h,由90°-h 可得天顶距z（图1），以星下点(天体在地球上的投影点)为圆心，以天顶距z所对应的地球球面距离R为半径作一圆，称为等高圆(图2)。在这个圆上测得的天体高度角都是h。同时测量两个天体C1、C2,便得到两个等高圆。由这两个圆的交点得出飞行器的实际位置M 和虚假位置M′。再用飞行器位置的先验信息或第三个等高圆来排除虚假位置，经计算机解算即得出飞行器所在的经、纬度(λ、φ)。

天文导航分类

根据跟踪的星体数，天文导航分为单星、双星和三星导航。单星导航由于航向基准误差大而定位精度低，双星导航定位精度高，在选择星对时，两颗星体的方位角差越接近90°，定位精度越高。三星导航常利用第三颗星的测量来检查前两次测量的可靠性，在航天中，则用来确定航天器在三维空间中的位置。

仪器和系统

航空常用的天文导航仪器有星体跟踪器、天文罗盘和六分仪等。自动星体跟踪器自动星体跟踪器(星敏感器)能从天空背景中搜索、识别和跟踪星体，并测出跟踪器瞄准线相对于参考坐标系的角度。天文罗盘通过测量太阳或星体方向来指示飞行器的航向。六分仪通过对恒星或行星的测量而指示出飞行器的位置和距离。天文导航系统通常由星体跟踪器、惯性平台、计算机、信息处理电子设备和标准时间发生器等组成。星体跟踪器是天文导航系统的主要设备，一般由光学望远镜系统、星体扫描装置、星体辐射探测器、星体跟踪器信号处理电路和驱动机构等组成（图3）。它通过扫描对星体进行搜索，搜索到星体之后立即转入跟踪状态，同时测出星体的高度角和方位角。星体跟踪器的辐射探测器在飞机上较多采用光电倍增管和光导摄像管，在航天器上较多采用光导摄像管和析像管。电荷耦合器件是70年代发展起来的一种探测器，它体积小、灵敏度高、寿命长，不用高压供电,能直接获得精确的空间信息，近年来在飞机、导弹、航天飞机和卫星上得到广泛应用，并为星体跟踪器小型化创造了条件。

应用

天文导航经常与惯性导航、多普勒导航系统组成组合导航系统。这种组合式导航系统有很高的导航精度，适用于大型高空远程飞机和战略导弹的导航。把星体跟踪器固定在惯性平台上并组成天文－惯性导航系统时，可为惯性导航系统的状态提供最优估计和进行补偿，从而使得一个中等精度和低成本的惯性导航系统能够输出高精度的导航参数。

在低空飞行时因受能见度的限制较少采用天文导航，但对于高空远程轰炸机、运输机和侦察机作跨越海洋、通过极地、沙漠上空的飞行，天文导航则很适用。对于远程弹道导弹，天文导航能修正发射点的初始位置和瞄准角误差，所以特别适用于机动发射的导弹。弹道导弹可在主动飞行段的后期使用天文导航，也可借天文导航完成再入后的末制导用以修正风的影响。星体跟踪器对星体的瞄准能建立精确的几何参考坐标，并且在空间没有云的干扰，因而天文导航（星光制导）在航天器上得到更广泛的应用。

参考书目

王裕齐、申功勋编译：《天文导航》，国防工业出版社，北京，1966。

天文航海的定义：在海上观测天体确定船位的技术，又称天文导航、航海天文学。

发展简况

中国古籍有很多关于将天文应用于航海的记载。西汉《淮南子·齐俗训》：“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则寤矣。”东晋法显《佛国记》：“大海弥漫无边，不知东西，唯望日月星辰而进。”北宋朱彧《萍洲可谈》：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”明《武备志》所收的《过洋牵星图》记有南北、东西星体在水天线上若干指（角度单位）的数据，用以估计船位。

欧洲在15世纪以前仅能白昼顺风沿岸航行。15世纪出现了用北极星高度或太阳中天高度求纬度的方法。当时只能先南北向驶到目的地的纬度，再东西向驶抵目的地。16世纪虽然已有观测月距（月星之间角距）求经度法，但不够准确，而且解算繁冗。18世纪六分仪和天文钟先后问世，前者用于观测天体高度，大大提高了准确性；后者可以在海上用时间法求经度。1837年美国船长T.H.萨姆纳发现天文船位线，从此可以在海上同时测定船位的经度和纬度，奠定了近代天文定位的基础。1875年法国海军军官圣伊莱尔发明截距法，简化了天文定位线测定作业，至今仍在应用。

原理和方法

天文定位的基本问题就是通过观测天体高度求得天文船位线。按照天球和地球的对应关系，被测天体在观测时刻所对应的地理位置，即天体向地心投影的地面点,称为星下点(S)。天体星下点的经度和纬度分别等于该天体在观测时刻的格林时角和赤纬，二者均可根据观测时间从航海天文历查得。观测所得天体高度(h)的补角为天体顶距(z)，即：

z=90°-h

观测时的测者必定位于以星下点为中心，以天体顶距在地面所跨距离（一角度分相当于1海里）为半径的圆上，这个圆称天文船位圆，又称等高圆。观测两个不同天体可得两个天文船位圆，两圆相交，靠近推算船位的交点就是天文船位（图1）。天文船位圆一般很大，对定位有用的仅是靠近推算船位的在实用上可视为直线的小弧段，称为天文船位线，又称萨姆纳线。通常在晨昏蒙影时间内同时观测两个以上星体求得天文船位线相交点定位；或在白天间隔一定时间（一般为2～3小时）观测太阳求得天文船位线，按照航向和航程移线相交定位。航海者常将上午的太阳船位线移线与观测太阳中天高度求得的纬度线相交得出中午天文船位。

截距法

截距法简介

天文船位线的求法一般是求解由天顶、天极、天体三点构成的球面三角形（称为天文三角形）。天文三角形的解法有经度法和截距法，前者曾流行于19世纪，现已让位于后者。

截距法是利用推算船位求出观测和计算高度之差来画天文船位线的方法，又称高度差法或高度法。

截距法步骤

其步骤是：①用推算船位所对应的天顶解天文三角形求得天体计算高度和方位,精度分别要求达到0.1′和0.1°。②观测高度减计算高度得截距，即得推算船位至天文船位圆的距离。截距为“+”，即推算船位在天文船位圆之外，说明天文船位线处于推算船位向着天体（星下点）的方向。截距为“-”,天文船位线处于背向天体的方向。③根据截距的符号和大小在天体计算方位线上量取截点，即可垂直画出天文船位线。图2中观测高度大于计算高度，截距为“+”，应从推算船位向着天体画天文船位线。实际上用以解天文三角形的推算点经、纬度在实用范围内可以任选，不影响定位准确性。

基本计算公式

基本计算公式如下：

sinhc=sin嗘csinδ+cos嗘ccosδcostc

ctgAc=tgδcos嗘ccsctc-sin嗘cctgtc

或　 sinAc=sintccosδsechc　（先解算hC）

式中嗘c、δ、tc分别为推算纬度、天体赤纬、天体地方时角(用推算经度)；hc、Ac分别为天体计算高度、计算方位。为简化用截距法解天文三角形的数学演算，可应用天体高度方位表查取天体计算高度和方位。

观测南北方向（中天）天体所得的纬度线为特殊的天文船位线，它的公式简化为以下代数式：

式中中天顶距命名与天体方向相反。顶距与赤纬同名相加，异名相减。纬度与大项同名。

天文船位误差　取决于天文船位线的误差及其方位夹角。船位误差中有偶然误差也有系统误差。船位偶然误差以误差椭圆方法表示较为准确，但用均方误差圆方法表示较方便。对两条等精度天文船位线：

天文船位均方误差圆半径（63%～68%概率）=

式中m、e分别为船位线的偶然误差和系统误差；A1、A2为两天体方位。两式中，天体方位夹角的影响正好相反。如m和e为同数量级，为了兼顾这两种影响，两天体方位夹角取 60°～70°最好，避免小于30°或大于150°。增加观测天体的次数取均值，可提高定位的精确性。如果观测三四个天体，它们的方位以分别相距120°和90°为最好。这样也便于消除系统误差。有经验的航海者在良好条件下测天定位的误差很少超过2海里。

展望

与无线电定位相比，天文定位受天气条件限制，解算复杂费时，但却有独立性强，仪器简单，费用节省，隐蔽性好，没有覆盖区限制，定位误差稳定，没有积累误差等优点。目前天文定位正从如下几方面改进：①实现定位计算全部自动化。各国已研制出多种航海计算器或天文定位计算器，有些已达到实现计算全部自动化的要求。②扩大昼夜观测的时机。如40年代出现的几种人工地平气泡、陀螺六分仪，70年代前后出现的光增强夜视六分仪、昼夜数字六分仪、遥控微光电视照相六分仪、计算机六分仪等，但大部分仍处在完善或降低价格阶段。③提高海上观测的精度。如研究连续观测高度、自动平差的仪器设备等。④开发天文定位的新途径。如测定天体其他参数或其他的辐射波。20世纪50年代开始研制的射电六分仪，就是观测天体的无线电波。⑤天文定位与其他导航仪联合使用，取长补短。如已出现的组合导航系统。

出处：Nathaniel Bowditch, LL. D., American Practical Navigator, 1977 ed., Part Three, DMAHC, USA.

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