[科普中國]-天文定位

天文定位

天文導(dǎo)航/定位系統(tǒng)的主要任務(wù)就是精確的拍攝一顆或多顆星的影像。從而獲得這些星在CCD平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，經(jīng)星圖識別算法后，知道了這些星在標(biāo)準(zhǔn)星庫中的對應(yīng)星號，也就知道了在天球坐標(biāo)下的坐標(biāo)，這樣就得到了兩個(gè)坐標(biāo)系：CCD平面坐標(biāo)和對應(yīng)的天球坐標(biāo)，通過計(jì)算，得到兩個(gè)坐標(biāo)系之間的位置傳遞函數(shù)，有了位置傳遞函數(shù)，就可以將CCD天文相機(jī)觀測的目標(biāo)在相機(jī)視場內(nèi)的CCD平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為天文坐標(biāo)，完成觀測目標(biāo)的天文定位。

基本原理天文定位的基本原理：測者利用六分儀觀測天體高度，并根據(jù)記錄的天文鐘測天時(shí)刻的世界時(shí)，可從《航海天文歷》中查得天體坐標(biāo)，相應(yīng)地求得天體在地面上投影點(diǎn)的地理坐標(biāo)。以該點(diǎn)為圓心、天體頂距（天體高度的余角）為半徑畫出天文船位圓；兩個(gè)同時(shí)(前后緊接著的兩次觀測視為同時(shí))觀測得出的天文船位圓的交點(diǎn)，即為觀測天體時(shí)的天文船位。這種天文船位圓的半徑通常達(dá)數(shù)千海里，直接按上述方法作天文船位圓求船位是困難的。

方法步驟天文定位的實(shí)用方法是在基本原理的基礎(chǔ)上演進(jìn)而來的，稱高度差法（又稱截距法）。

其定位步驟是：

①用六分儀測定天體的觀測高度（hs），并記錄觀測時(shí)的世界時(shí)。

②根據(jù)觀測時(shí)的世界時(shí)計(jì)算求得該天體的計(jì)算高度（hc）和計(jì)算方位（Ac）。

③將觀測高度修正為天體真高度（ht）。

④求高度差（Dh），Dh=ht－h(huán)c。

⑤從推算船位依據(jù)Ac畫出天體方位線，在該線上根據(jù)高度差截得一個(gè)截點(diǎn)（K）。

⑥通過K作天體方位線的垂線，即為天文船位線。

同時(shí)測得兩條或兩條以上的天文船位線，其交點(diǎn)即為天文船位。當(dāng)測太陽中天(正午)高度或測北極星高度求船位線時(shí)，高度差法可以演進(jìn)為測太陽中天高度求緯度或測北極星高度求緯度等方法。天體定位方式有同時(shí)測天定位和異時(shí)測天定位兩種。前者主要是在晨昏朦影時(shí)同時(shí)觀測兩個(gè)或兩個(gè)以上天體的高度進(jìn)行定位；后者是在白天相隔一定時(shí)間觀測太陽高度，根據(jù)兩次觀測的時(shí)間間隔，按移線定位的方法將兩條天文船位線轉(zhuǎn)移到同一時(shí)刻相交，定出船位。天文定位的精度取決于天文船位線的精度和兩天體方位的夾角。天文船位線的精度主要取決于觀測高度的精度和計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性，兩天體方位夾角以90°為最好。有經(jīng)驗(yàn)的測者在良好條件下定位的誤差一般不超過2海里。

天文定位所用儀器簡單、可靠，定位方法獨(dú)立性強(qiáng)，隱蔽性好，定位誤差穩(wěn)定，滿足遠(yuǎn)離海岸時(shí)的航海要求。用常規(guī)六分儀觀測天體高度須滿足既能看到天體又能看到清晰的水天線兩個(gè)條件。因此，天文定位的時(shí)機(jī)受天氣條件限制，一般只能在晴朗的晨昏和白天進(jìn)行定位。

天文導(dǎo)航及定位技術(shù)的發(fā)展天文定位技術(shù)是一門既古老又精確的導(dǎo)航方法，起源于航海。中國古籍中有許多關(guān)于將天文應(yīng)用于航海的記載，西漢時(shí)代《淮南子·齊俗訓(xùn)》就說過：“夫乘舟而惑者，不知東西，見斗極則悟矣”，如果在大海中乘船而不知東方或西方，那觀看北極星便明白了。宋代指南針應(yīng)用于航海，大約到了明代，我國天文航海技術(shù)有了很大的發(fā)展，己能觀測星的高度來定地理緯度。過洋牽星術(shù)，普遍用于航海導(dǎo)航，《鄭和航海圖》中就有四幅過洋牽星圖，其中所標(biāo)注位置誤差一般不超過5度。

20世紀(jì)中葉，載人航天技術(shù)極大地促進(jìn)了天文導(dǎo)航技術(shù)在航天領(lǐng)域的發(fā)展，阿波羅登月和蘇聯(lián)空間站都使用了天文導(dǎo)航技術(shù)。美國國家航空航天局在1998年10月發(fā)射的“深空一號”探測器所使用的自主光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)（AutoNav），根據(jù)己知星歷的小行星和恒星來定位，所確定的飛船軌道誤差在250千米和0.2米每秒的范圍。近年來高精度天文導(dǎo)航系統(tǒng)，己突破現(xiàn)白晝測星技術(shù)，白天可測得+2.5等星。

天文導(dǎo)航的主要優(yōu)點(diǎn)在于它不需要建立陸基臺(tái)站或向空間發(fā)射軌道運(yùn)行體，是一種被動(dòng)式的自主測量，不怕外界的電磁干擾和破壞，而且主要觀測目標(biāo)是距離遙遠(yuǎn)的永恒星體，因而有隱蔽性好、生命力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)越性。在無線電導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航受到干擾或破壞時(shí)，啟用天文導(dǎo)航更具有深遠(yuǎn)的意義。由于天文導(dǎo)航有上述獨(dú)特的優(yōu)越性和軍事上的重要意義，所以各國在發(fā)展諸如慣導(dǎo)、衛(wèi)導(dǎo)、無線電導(dǎo)航的同時(shí)，從不間斷地發(fā)展天文導(dǎo)航，且達(dá)到頗高精度，例如，德國在2002年研制出基于天文導(dǎo)航原理的天頂儀TZK2-D，測量地理經(jīng)緯度的精確度己經(jīng)達(dá)到0.2" 。

天文定位系統(tǒng)天文定位系統(tǒng)，是利用CCD天頂儀對測站天頂?shù)男窍襁M(jìn)行拍攝，并對拍攝星圖圖像中的星體目標(biāo)進(jìn)行提取和精確定位；結(jié)合測站概略經(jīng)緯度、拍攝天文時(shí)刻及基準(zhǔn)電子星圖庫，對星圖中的恒星目標(biāo)進(jìn)行匹配識別；最后，利用匹配識別的恒星信息通過天體物理學(xué)的方法進(jìn)行解算，精確計(jì)算測站的大地經(jīng)緯度等地理信息。1

天文航海定位天文航海定位是針對船舶在海洋中行進(jìn)時(shí)，對天體進(jìn)行定位數(shù)據(jù)測量，通過反饋回的觀測數(shù)據(jù)，應(yīng)用天文定位理論，進(jìn)行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建并運(yùn)用相關(guān)的公式法則，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終確定船體地理位置的一門天體定位導(dǎo)航的科學(xué)。天文航海學(xué)涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域的理論，其涉及到用于天文定位的時(shí)間系統(tǒng)知識、天文數(shù)學(xué)、天文常識等。運(yùn)用天文學(xué)的相關(guān)知識原理在航海中定位是一種常用的傳統(tǒng)定位方法，尤其是船舶常用的電子導(dǎo)航定位系統(tǒng)被干擾或者毀壞時(shí)，船舶就會(huì)因無法辨別方位而不能正常的行駛，這時(shí)天文定位就會(huì)發(fā)揮其無可比擬的優(yōu)勢。如何將現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)在天文定位中進(jìn)行最有效的利用，使傳統(tǒng)天文定位為人類更好的服務(wù)，是各個(gè)航?？蒲袡C(jī)構(gòu)研究的重要指向，也是傳統(tǒng)航海定位突破枷鎖、瓶頸的一個(gè)重要契機(jī)。

美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、歐洲的伽利略定位系統(tǒng)、俄羅斯CLONSS（格洛納斯）全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)及中國的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)己經(jīng)投入使用或即將投入使用。隨著電子科技導(dǎo)航的快速發(fā)展及其定位的精確性、快捷性及方便性；天文定位被逐漸的邊緣化，但是它仍然是從事航海事業(yè)者的一門必修科目。因?yàn)樘煳膶?dǎo)航定位的儀器相對比較簡單而且容易操作，測量的物標(biāo)是天體，不會(huì)因?yàn)槿藶榈囊蛩刈兓?，可靠性高；天文定位的隱秘性高也是其一大優(yōu)勢，在定位操作過程中不會(huì)因?yàn)橛须姶判盘?、光電信號而暴露，這在電子對抗戰(zhàn)爭中的作用不言而喻。

然而，天文航海定位亦有其缺陷，比如它的定位數(shù)據(jù)必須是人工測量，并且繪圖、計(jì)算過程比較復(fù)雜且需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的處理，這些方面無不制約了天文航海定位的發(fā)展應(yīng)用。尤其是全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)顯示的是船體的實(shí)時(shí)船位，而天文定位確定船體船位需要經(jīng)過數(shù)據(jù)觀測、數(shù)據(jù)處理及資料查詢等相關(guān)過程，得到的船體位置是數(shù)據(jù)測量時(shí)的船位，與實(shí)時(shí)船位有一定的差距。對于快速航行的船舶，一次船體定位的計(jì)算過程需要的時(shí)間，就是十幾海里到幾十海里的距離，這對在海洋中行駛的船舶是致命的弊端。這促使我們必需尋找一種科學(xué)的方式避免這些缺陷，從而使天文航海定位能真正的為我們所用，使其在航海導(dǎo)航定位系統(tǒng)中發(fā)揮著不可或缺的作用。

總而言之，與現(xiàn)代全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)相比，船體定位的滯后性為天文定位的致命弊端；將現(xiàn)代的電子技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的天文定位，是解決這個(gè)問題的可行方案。將STM32單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于天文航海定位，進(jìn)行船用天文定位計(jì)算器的研制，這對傳統(tǒng)天文定位數(shù)據(jù)處理效率差、定位精確度低及定位實(shí)時(shí)性滯后的弊端得到極大改善；航海從業(yè)者可以容易的操作儀器，讀取所測量天體的各種相關(guān)的定位數(shù)據(jù)；將測量的天體定位數(shù)據(jù)，通過液晶屏輸入，按鍵求解即可。從而不用再進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的人工運(yùn)算處理、多條船位線的繪制及誤差的分析與修正，極大方便了航海人員的航海定位的可操作性。2