發展單兵星敏導航裝備的必要性及技術特點

鄭勇，劉新江，李崇輝

1. 信息工程大學 地理空間信息學院，鄭州 450001

2. 32021 部隊，天津 300140

導航是引導行人和運動載體沿一定路線從一點運動到另一點的技術方法。天文導航是人類最早發明的導航方法之一。它通過觀測日月星辰，在陸地上確定位置和方向，在大海中確定船位和航向，在空中為飛機領航，在太空中測定航天器姿態，甚至在深空為飛行器及月球和火星探測器導航[1-2]。

長期以來，天文導航都是通過肉眼或望遠鏡接收天體可見光來實現的。直至20世紀才擴展到紅外、射電、X射線等波段，出現了紅外天文導航、射電天文導航和X射線脈沖星導航等[3-4]。所以，目前天文導航已不僅局限于可見光導航。為加以限定，常將基于接收星體可見光實現的導航稱為“星光導航”；星敏感器也特指用于接收和感應恒星可見光實現導航的設備，簡稱“星敏”。

星敏作為星光導航最主要的設備，在航空航天等領域的應用已得到迅速發展，但在陸地導航中的應用卻相對較少。這與陸地星光導航受氣象因素和應用環境的制約有關，它要求應用于室外開闊地、視野無遮擋、無強光干擾源和無雨雪天氣等。傳統星敏在地面上一般只有在晴天無云的夜晚才能感應到星光，因而無法實現全天時、全天候的觀測和導航。隨著相關領域理論和技術的發展，新型星敏已突破氣象因素制約，實現了白天對恒星的觀測[5]，加上固有的其他導航技術無法替代的優勢，為發展星敏陸地導航提供了有力支撐。

星敏陸地導航的應用對象大體可分為運動載體和徒步行人兩類。其中運動載體主要包括各類車輛，云層以下低空無人機，部隊裝甲車、火炮和導彈機動發射平臺等。徒步行人主要包括野外徒步旅行、探險者，野外工程、勘察、救援和特殊工作人員，部隊執行野戰任務的小分隊和單兵等。專用于徒步行人導航的星敏陸地導航裝備，可稱為單兵星敏導航裝備，簡稱“單兵星敏”。

星光導航具有不受電磁干擾，能提供絕對姿態信息等優點。但目前的星敏主要是為天基和空基導航而發展的，將其應用于單兵導航是否必要、需克服什么技術難點、能達到怎樣的效果等都是需要探索的問題。為此，本文在第一部分首先論述了發展單兵星敏的必要性；第二部分深入探討了單兵星敏導航的技術特點，這是開展單兵星敏導航裝備研究應充分了解和掌握的；第三部分提出并分析了發展單兵星敏導航裝備需解決的一些關鍵技術問題，以期為單兵星敏導航系統的設計研制提供參考；第四部分給出了本文研究的結論。

1 發展單兵星敏的必要性

1.1 是其他單兵導航裝備失效時的保底裝備

目前單兵導航首選的是衛星導航裝備，這無疑是最為方便、高效和低成本的導航裝備。但它的可靠性存在隱患，受復雜電磁環境干擾破壞、發生系統失能的可能性日益加劇。例如，2019年7月11日，歐洲“伽利略”衛星導航系統發生原因不明的重大事故，導致系統服務中斷，信號不可使用[6]。美軍在其“導航戰”概念中明確指出，核心就是“阻止對手使用衛星導航信息”[7]。近年來，從地面運控系統、衛星系統、傳播環境及用戶設備等多維度對衛星導航信息的遮蔽和干擾已越來越多的應用于實戰[8]。為此產生了一個不可回避的問題：在衛星導航系統出現故障或導航戰使其失效的極端條件下，單兵用戶靠什么裝備來導航？

除衛星導航外，慣性導航作為一種不受電磁環境和氣象因素影響的自主導航技術，已廣泛用于陸海空天各類導航中。但當衛星導航裝備失效時，它是否能獨立為“單兵”這種特殊用戶導航呢？目前，能夠長時間獨立提供導航信息的是“戰略級”慣導裝備，主要裝配在艦艇和某些飛機、洲際導彈上[9]。其系統復雜，體重龐大，不適用單兵導航。而裝配在車輛上的“戰術級”小型慣導[10]，誤差隨時間累積發散很快，獨立工作時間很短。其主要作用是與衛星導航設備組合，為載體提供高頻位姿變化信息，或在衛星導航信號短暫中斷時提供相對位姿信息。只要衛星導航系統或設備失效超過1小時甚至幾分鐘，就無法獨自提供有效的導航信息[11]。由此可知，現有慣導還不能構成輕便可靠的單兵導航裝備，在衛星導航長時間失效時獨立為單兵用戶導航。

單兵星敏接收的導航信號是遙遠自然天體發出的可見光，是一種不受電磁干擾破壞的自主導航裝備。與慣導相比，其最大的優勢是，測量誤差不隨時間的增加而積累和發散。因此，它能自成體系，在長期沒有衛星導航等外部信息支持的條件下，獨立獲得定位定向信息，實現單兵導航。

1.2 能彌補單兵衛星導航裝備無法定向的缺陷

行進方向的確定，是實現單兵導航必不可少的關鍵信息，其精度直接決定了導航的精度和成敗。發展星敏單兵導航的重要理由之一，就是其定向精度是各種導航技術中最高的，目前已達到亞角秒量級[12]。這是由星敏特有的技術優勢決定的，也是其他導航技術難以替代的。

衛星導航定向原理是，將兩臺以上天線接收機安置在運動載體上，由載波相位差分信息解算出其基線矢量，進而結合各天線安裝關系定出載體的姿態和航向[13]。這種技術的定向精度與基線長度直接相關，基線越長精度越高，目前精度為0.03～0.5度[14]，比星敏精度低2至3個數量級。由其原理知，實現衛星導航定向，至少要兩臺相隔一定距離的天線接收機。顯然，僅有一臺接收機構成的便攜式單兵衛星導航裝備，是無法實現定向的。

慣導是最常用的運動載體定向技術。但由于設備性能不同，定向精度差別很大，且都存在誤差隨時間增加而不斷增大和發散的缺陷。表1列出了2019年新出的幾款用于陸地載體的小型慣導系統，其中體積最小的GEONYX系統功耗為15瓦，靜止校準測量5分鐘后的定向精度0.35密位[10]。用于測量工程的陀螺經緯儀[15]，目前的重量為13千克，用電池供電，在靜止校準測量8～15分鐘 后的定向精度可達5角秒[16]。綜合設備體重、功耗、測量時間和誤差發散等因素可知，目前的慣導設備并不適用于靈活、機動、輕便的單兵導航定向。

表1 陸地慣導系統主要性能

位置和方向信息對實現導航是同等重要的。雖然，目前在正常條件下，單兵導航的位置信息已可由最先進衛星導航來提供了，但其所需的方向信息仍只能靠傳統的指南針或羅盤來提供。單兵衛星導航的定位精度已優于10米[17]，而羅盤的最好定向精度只有0.5度(見表2)[18]，這種技術及性能的嚴重不匹配，已越來越難以滿足各類野外行進人員對更高效率和精度的導航需求。

表2 TargetPoint DMC 電子羅盤性能參數

為此，發展單兵星敏，不僅可作為衛星導航失效時的保底裝備，還可作為正常條件下高精度定向裝備，彌補單兵單天線接收機衛星導航裝備無法定向的缺陷，通過兩種導航技術組合，實現安全可靠的單兵導航。

1.3 已具備了實現全天時導航的條件

過去單兵星敏沒有得到有效發展的主要原因之一，是它受制于各種氣象因素，不能實現全天時、全天候導航。傳統星敏接收的是恒星可見光，因太陽輻射的可見光遠強于恒星，白天基本上探測不到恒星，所以無法全天時導航。另外，因云霧雨雪等天氣對星光的衰減，星敏只能在晴天無云的夜晚工作，所以無法實現全天候導航。

但隨著理論和技術的發展，新型星敏已初步具備了白天探測恒星和實現全天時導航條件。作為星敏核心部件的CCD相機，目前大多都已將工作波長延伸到可見光譜的短紅外部分。由于太陽在此波長的輻射強度明顯減弱，這類星敏可在白天探測到300顆左右亮星。已有專門的短紅外波段星敏，白天在H波段和Ks波段分別能探測到大量亮于6.4等和5.8等的恒星[19]。

星敏全天候導航的研究，目前也取得了很大進展。前面提到的短紅外星敏，由于短波紅外波段的大氣衰減比可見光波段弱，所以在有薄云時也能探測到一定數量的恒星。本文作者所在團隊的大量研究結果表明，即使在云層較厚探測不到恒星的條件下，只要白天能探測到太陽[20]，晚上能探測到月亮，也能實現定向和概略定位[21-22]；采用超大視場魚眼天文相機[23]，對局部云雨或其他天氣，只要能在地平之上的全天區范圍內同時探測到兩個以上天體，包括同時探測日月和較亮的行星，或同時探測月球、行星和恒星等，也能實現一定精度的導航。

由此可知，最新的研究進展已突破了部分氣象因素限制，有效地擴展了在各種氣象環境下實現單兵星敏導航可行性，為發展和應用星敏單兵導航裝備創造了條件。

2 單兵星敏導航的技術特點

2.1 實現導航的技術原理與運動載體不同

星敏導航的信息源是恒星，其基本位置是由恒星歷表提供的在星表歷元天球參考系中的坐標[24]。依據相對論時空理論，天球參考系是不受地球自轉甚至公轉影響的局部慣性系。單兵導航的空間基準是地球參考系，它與地球固連并受其自轉和公轉影響，不是慣性系。

運動載體星敏導航測定的是載體在天球參考系中的姿態和航向。技術原理是：將星敏與載體固聯，確定兩者本體坐標系間的轉換關系；由星敏感應恒星方向，測定星敏本體坐標系在天球參考系中的指向；通過星敏與載體的坐標轉換，獲得載體姿態和航向信息。

單兵星敏導航測定的是星敏在地球參考系中的位置和方向，垂直基準是星敏所在地的鉛垂線。技術原理是：將星敏與垂直基準設備(水平儀等)固聯，確定兩者本體坐標系間的轉換關系；由星敏感應恒星方向，測定星敏本體坐標系在地球參考系中的指向；由垂直基準設備感應鉛垂線方向，測定它與垂直基準設備本體坐標系的轉換關系；通過主光軸—垂直基準設備—鉛垂線三者的轉換關系，獲得星敏位置和方向信息，即天文經緯度和方位角。

由此知，單兵星敏導航與運動載體導航采用的空間基準、測定的導航信息和實現的技術原理都有差別。特別是，載體姿態和航向僅由星敏就可測定，而單兵星敏的位置和方向則必須由星敏加垂直基準設備才能測定。垂直基準設備是單兵星敏導航裝備必不可少的核心部件。

2.2 與衛星導航測定的導航信息及采用的坐標系不同

單兵星敏導航的另一個技術特點是，它只能測定所在位置三維空間坐標中的平面坐標，即天文經緯度，而不能測定高程。這是由星敏的技術特點所決定的，因為星敏觀測的是遙遠恒星星光的方向，如果星敏的主光軸在空間指向不變，其位置的有限變化是敏感不到星光方向變化的。單兵衛星導航接收的是距地面有限高度上的衛星信號，它測定的是單兵所在地的三維空間位置，通常有兩種表示形式，即三維直角坐標(x,y,z)，或地理坐標(經緯度)加高程。

另外，衛星導航采用的是地心坐標系，測定的是單兵所在位置的地心矢量，這是一個幾何量，與地球物質分布無關。星敏導航采用的天文坐標系，測定的是以鉛垂線為基準的天文經緯度，鉛垂線是地球重力的方向線，是物理量，與地球物質分布及密度有關。地心矢量與鉛垂線不重合，兩者的方向差稱為垂線偏差。垂線偏差一般為幾角秒，大的可達幾十角秒[25]。每1″垂線偏差對應的地面距離差約為30 m，10″則可達到300 m左右。所以，衛星導航和星敏導航采用的是不同坐標系，結果受垂線偏差影響差別也很大，這點在實際應用中一定不能忽略。

目前應用最廣的是衛星導航，幾乎所有的陸地導航地圖和信息，采用的都是衛星導航坐標系。為此，除特殊應用外，都需將單兵星敏導航的結果加上垂線偏差改正，轉換到衛星導航坐標系中。這就需要“單兵”有可能到達的全國、甚至全球任意地點的高精度的垂線偏差信息。這是發展單兵星敏導航將要涉及的一項長期、龐大的基礎性工作。

2.3 工作環境及實現原理與天文大地測量技術接近

就工作環境和技術實現原理而言，單兵星敏與天文大地測量是最為接近的。在空間大地測量技術廣泛應用之前，天文大地測量一直是大地控制測量最主要的技術手段之一。其任務是通過測量恒星的方向來精密的確定地面點的位置及其沿某一方向的方位，從而建立國家的大地坐標起算原點以及全國范圍內的大地控制網[26]，表3列出了一等天文大地測量精度指標。由此可知，單兵星敏導航與天文大地測量技術的工作環境相同，都是在地面上；測量對象相同，都是恒星的方向；提供的測量成果相同，都是天文經緯度和方位角。

表3 一等天文大地測量精度指標

兩種技術的不同點主要有：任務目標不同，單兵星敏是快速獲取單兵的位置和方向；天文大地測量是精確獲取地面上一個空間固定基準點的位置和方向。工作模式不同，單兵星敏是實時、動態、快速的獲得定位定向結果；天文大地測量是通過長時間靜態測量及復雜的事后數據處理，獲得精密的定位定向結果。采用的技術設備不同，單兵星敏由于裝備小型化、便攜式的應用要求，只能采用小型星敏來實現。而天文大地測量由于高精度測量的要求，采用的是設計復雜的專用設備，包括：等高儀、子午儀、經緯儀和數字天頂儀[27]等。這些設備的設計主要是為了消除和減弱各種測量誤差源，提高測量精度。雖然也是用于野外測量，但對設備的小型化、便攜式的要求相對單兵星敏要低很多。

3 單兵星敏導航需解決的關鍵技術

3.1 氣象因素影響的消減

1.3節指出，星敏已具備全天時和部分氣候下單兵導航的條件，解決了“可不可導”問題，但“導的好不好”的問題還有待解決。因為，星敏性能和導航精度還會受各種氣象因素的影響，包括：大氣散射使得進入大氣層的星光強度明顯減弱，導致星敏所能感應到的恒星數量減少[28]、星光成像不規則、像點中心提取精度降低；大氣折射使得星光在大氣層內的傳播路徑發生偏折[29]，引起成像位置變化，從而影響星點坐標的提取精度和星圖識別準確率；云霧雨雪等天氣將使星敏無法探測到星光甚至日月的方向。

目前的星敏主要是為空天基導航而發展的，與單兵星敏所處的大氣環境各有不同。天基星敏工作在大氣層外，不受大氣環境的影響。空基星敏雖工作在大氣層內，但主要在云層之上，基本不受云霧雨雪天氣影響，大氣散射和大氣折射影響比單兵星敏小。近年來發展的臨近空間高超聲速飛行器，飛行高度平流層以上，大氣密度低穩定性高[30]，其星敏主要受高超聲速引起的氣動光學效應影響[31]。與海基星敏相比，由于陸地和海上氣候氣象條件的差別，星敏性能受到的影響也是不同的。所以，單兵星敏導航必須結合自己的技術特點，研究消減氣象因素影響的技術方法和算法模型，不能直接引用空基或海基的，否則將無法有效提高裝備性能和導航精度。

3.2 時間基準和電源的長期維持

時間基準是星敏導航的基礎。星敏不僅要獲取姿態、位置、方向等導航信息，還要提供信息獲取的時刻，否則無法導航。另外，星敏工作也離不開電源。在運動載體上，有統一的電源和時間基準單元，為各系統供電、提供時間信息。但對于自成體系的單兵星敏裝備，則需要有自己獨立的電源和時間基準單元。

單兵星敏應具有在一些特殊條件下導航的能力，包括野外長期沒有外部信息和電能支持的極端條件。這要求它不僅有獨立的電源和時間基準，還需要能長期獨立的維持。這一技術特點，對單兵星敏裝備的設計研制是個難點。因為，星敏只能占單兵所攜物品體積重量的很小部分，例如，體積小于103立方厘米、重量小于1千克等。由此，時間基準單元應在長時間連續運行并滿足精度指標前提下，盡可能減小體積、重量和耗電。目前，最常用的小型時間頻率源是石英晶振，由它構成單兵星敏的時間基準單元，體積、重量和耗電應該是滿足要求的。但晶振的穩定度相對較差，需研究其時間基準的長期維持精度是否能滿足單兵星敏的要求，或在多長時間內能滿足。近幾年出現的芯片原子鐘[32]，相對普通原子鐘已做到微型化了，穩定度也比最好的晶振高2個數量級[33]。但在體積、重量，特別是耗電方面能否滿足單兵星敏需求，還有待研究。表4列出了溫補晶振和芯片原子鐘主要技術指標的比較。

表4 溫補晶振和芯片原子鐘主要技術指標

對于單兵星敏電源，有一個特殊要求，即在單兵執行任務期間，只要有可能用到星敏導航，它就要一直為時間基準單元供電，以維持不間斷的時間基準。這就要求所設計選用的電源，在盡可能減小體積、重量的前提下，具有長期供電的能力。

3.3 系統探測性能與系統小型化的平衡

由于空天基載體運動速度和姿態變化非常快，為了提高精度，要求導航技術有盡可能高的采樣率和實時性，這是空天基星敏追求的一項重要技術指標。相對空天基載體，單兵用戶的速度是非常慢的，為此其星敏的采樣率和實時性指標要求可適當降低，以便能將更多的軟硬件資源用于提高其他關鍵性的性能指標上。

單兵星敏裝備的小型化要求是，體積小、重量輕、操作簡單、方便攜帶，因此只能采用小型星敏。但由于受大氣等因素影響，星敏的探測性能要比空天基弱很多，再要求小型化，勢必進一步減弱其性能。所以，需研究如何實現小型化、便攜式和探測性能之間的平衡，在保證一定導航精度指標的條件下，設計出盡可能小的星敏。

4 結 論

對發展單兵星敏導航裝備的必要性及其技術特點等進行了深入的研究和探討。結果表明，發展單兵星敏是十分必要的，因為它不受電磁干擾和破壞，不僅可作為衛星導航失效時的保底裝備，也可彌補單兵單天線接收機衛導裝備不能定向的缺陷；在衛星導航正常可用的條件下，將兩種技術組合，同時實現高精度定位和定向。相關理論和技術的發展，已使星敏能在白天和部分云雨天氣拍攝到星體，有效擴展了它在不同氣象條件下的應用能力。單兵星敏的主要技術特點有：實現導航的技術原理與運動載體不同，與衛星導航測定的導航信息及采用的坐標系不同，工作環境及實現原理與天文大地測量技術接近等。而發展單兵星敏導航裝備需解決的關鍵技術問題主要包括：氣象因素影響的消減、時間基準和電源的長期維持、系統探測性能與系統小型化的平衡等。研究結果可為發展單兵星敏導航技術、設計研制單兵星敏導航系統提供參考。