鄭勇，劉新江，李崇輝

1. 信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，鄭州 450001

2. 32021 部隊(duì)，天津 300140

導(dǎo)航是引導(dǎo)行人和運(yùn)動(dòng)載體沿一定路線(xiàn)從一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到另一點(diǎn)的技術(shù)方法。天文導(dǎo)航是人類(lèi)最早發(fā)明的導(dǎo)航方法之一。它通過(guò)觀(guān)測(cè)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(jī)領(lǐng)航，在太空中測(cè)定航天器姿態(tài)，甚至在深空為飛行器及月球和火星探測(cè)器導(dǎo)航[1-2]。

長(zhǎng)期以來(lái)，天文導(dǎo)航都是通過(guò)肉眼或望遠(yuǎn)鏡接收天體可見(jiàn)光來(lái)實(shí)現(xiàn)的。直至20世紀(jì)才擴(kuò)展到紅外、射電、X射線(xiàn)等波段，出現(xiàn)了紅外天文導(dǎo)航、射電天文導(dǎo)航和X射線(xiàn)脈沖星導(dǎo)航等[3-4]。所以，目前天文導(dǎo)航已不僅局限于可見(jiàn)光導(dǎo)航。為加以限定，常將基于接收星體可見(jiàn)光實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航稱(chēng)為“星光導(dǎo)航”；星敏感器也特指用于接收和感應(yīng)恒星可見(jiàn)光實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的設(shè)備，簡(jiǎn)稱(chēng)“星敏”。

星敏作為星光導(dǎo)航最主要的設(shè)備，在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用已得到迅速發(fā)展，但在陸地導(dǎo)航中的應(yīng)用卻相對(duì)較少。這與陸地星光導(dǎo)航受氣象因素和應(yīng)用環(huán)境的制約有關(guān)，它要求應(yīng)用于室外開(kāi)闊地、視野無(wú)遮擋、無(wú)強(qiáng)光干擾源和無(wú)雨雪天氣等。傳統(tǒng)星敏在地面上一般只有在晴天無(wú)云的夜晚才能感應(yīng)到星光，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的觀(guān)測(cè)和導(dǎo)航。隨著相關(guān)領(lǐng)域理論和技術(shù)的發(fā)展，新型星敏已突破氣象因素制約，實(shí)現(xiàn)了白天對(duì)恒星的觀(guān)測(cè)[5]，加上固有的其他導(dǎo)航技術(shù)無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)，為發(fā)展星敏陸地導(dǎo)航提供了有力支撐。

星敏陸地導(dǎo)航的應(yīng)用對(duì)象大體可分為運(yùn)動(dòng)載體和徒步行人兩類(lèi)。其中運(yùn)動(dòng)載體主要包括各類(lèi)車(chē)輛，云層以下低空無(wú)人機(jī)，部隊(duì)裝甲車(chē)、火炮和導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)發(fā)射平臺(tái)等。徒步行人主要包括野外徒步旅行、探險(xiǎn)者，野外工程、勘察、救援和特殊工作人員，部隊(duì)執(zhí)行野戰(zhàn)任務(wù)的小分隊(duì)和單兵等。專(zhuān)用于徒步行人導(dǎo)航的星敏陸地導(dǎo)航裝備，可稱(chēng)為單兵星敏導(dǎo)航裝備，簡(jiǎn)稱(chēng)“單兵星敏”。

星光導(dǎo)航具有不受電磁干擾，能提供絕對(duì)姿態(tài)信息等優(yōu)點(diǎn)。但目前的星敏主要是為天基和空基導(dǎo)航而發(fā)展的，將其應(yīng)用于單兵導(dǎo)航是否必要、需克服什么技術(shù)難點(diǎn)、能達(dá)到怎樣的效果等都是需要探索的問(wèn)題。為此，本文在第一部分首先論述了發(fā)展單兵星敏的必要性；第二部分深入探討了單兵星敏導(dǎo)航的技術(shù)特點(diǎn)，這是開(kāi)展單兵星敏導(dǎo)航裝備研究應(yīng)充分了解和掌握的；第三部分提出并分析了發(fā)展單兵星敏導(dǎo)航裝備需解決的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，以期為單兵星敏導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制提供參考；第四部分給出了本文研究的結(jié)論。

1 發(fā)展單兵星敏的必要性

1.1 是其他單兵導(dǎo)航裝備失效時(shí)的保底裝備

目前單兵導(dǎo)航首選的是衛(wèi)星導(dǎo)航裝備，這無(wú)疑是最為方便、高效和低成本的導(dǎo)航裝備。但它的可靠性存在隱患，受復(fù)雜電磁環(huán)境干擾破壞、發(fā)生系統(tǒng)失能的可能性日益加劇。例如，2019年7月11日，歐洲“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)生原因不明的重大事故，導(dǎo)致系統(tǒng)服務(wù)中斷，信號(hào)不可使用[6]。美軍在其“導(dǎo)航戰(zhàn)”概念中明確指出，核心就是“阻止對(duì)手使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息”[7]。近年來(lái)，從地面運(yùn)控系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、傳播環(huán)境及用戶(hù)設(shè)備等多維度對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信息的遮蔽和干擾已越來(lái)越多的應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)[8]。為此產(chǎn)生了一個(gè)不可回避的問(wèn)題：在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障或?qū)Ш綉?zhàn)使其失效的極端條件下，單兵用戶(hù)靠什么裝備來(lái)導(dǎo)航？

除衛(wèi)星導(dǎo)航外，慣性導(dǎo)航作為一種不受電磁環(huán)境和氣象因素影響的自主導(dǎo)航技術(shù)，已廣泛用于陸?？仗旄黝?lèi)導(dǎo)航中。但當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航裝備失效時(shí)，它是否能獨(dú)立為“單兵”這種特殊用戶(hù)導(dǎo)航呢？目前，能夠長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立提供導(dǎo)航信息的是“戰(zhàn)略級(jí)”慣導(dǎo)裝備，主要裝配在艦艇和某些飛機(jī)、洲際導(dǎo)彈上[9]。其系統(tǒng)復(fù)雜，體重龐大，不適用單兵導(dǎo)航。而裝配在車(chē)輛上的“戰(zhàn)術(shù)級(jí)”小型慣導(dǎo)[10]，誤差隨時(shí)間累積發(fā)散很快，獨(dú)立工作時(shí)間很短。其主要作用是與衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備組合，為載體提供高頻位姿變化信息，或在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)短暫中斷時(shí)提供相對(duì)位姿信息。只要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或設(shè)備失效超過(guò)1小時(shí)甚至幾分鐘，就無(wú)法獨(dú)自提供有效的導(dǎo)航信息[11]。由此可知，現(xiàn)有慣導(dǎo)還不能構(gòu)成輕便可靠的單兵導(dǎo)航裝備，在衛(wèi)星導(dǎo)航長(zhǎng)時(shí)間失效時(shí)獨(dú)立為單兵用戶(hù)導(dǎo)航。

單兵星敏接收的導(dǎo)航信號(hào)是遙遠(yuǎn)自然天體發(fā)出的可見(jiàn)光，是一種不受電磁干擾破壞的自主導(dǎo)航裝備。與慣導(dǎo)相比，其最大的優(yōu)勢(shì)是，測(cè)量誤差不隨時(shí)間的增加而積累和發(fā)散。因此，它能自成體系，在長(zhǎng)期沒(méi)有衛(wèi)星導(dǎo)航等外部信息支持的條件下，獨(dú)立獲得定位定向信息，實(shí)現(xiàn)單兵導(dǎo)航。

1.2 能彌補(bǔ)單兵衛(wèi)星導(dǎo)航裝備無(wú)法定向的缺陷

行進(jìn)方向的確定，是實(shí)現(xiàn)單兵導(dǎo)航必不可少的關(guān)鍵信息，其精度直接決定了導(dǎo)航的精度和成敗。發(fā)展星敏單兵導(dǎo)航的重要理由之一，就是其定向精度是各種導(dǎo)航技術(shù)中最高的，目前已達(dá)到亞角秒量級(jí)[12]。這是由星敏特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)決定的，也是其他導(dǎo)航技術(shù)難以替代的。

衛(wèi)星導(dǎo)航定向原理是，將兩臺(tái)以上天線(xiàn)接收機(jī)安置在運(yùn)動(dòng)載體上，由載波相位差分信息解算出其基線(xiàn)矢量，進(jìn)而結(jié)合各天線(xiàn)安裝關(guān)系定出載體的姿態(tài)和航向[13]。這種技術(shù)的定向精度與基線(xiàn)長(zhǎng)度直接相關(guān)，基線(xiàn)越長(zhǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)。由其原理知，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航定向，至少要兩臺(tái)相隔一定距離的天線(xiàn)接收機(jī)。顯然，僅有一臺(tái)接收機(jī)構(gòu)成的便攜式單兵衛(wèi)星導(dǎo)航裝備，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)定向的。

慣導(dǎo)是最常用的運(yùn)動(dòng)載體定向技術(shù)。但由于設(shè)備性能不同，定向精度差別很大，且都存在誤差隨時(shí)間增加而不斷增大和發(fā)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(dǎo)系統(tǒng)，其中體積最小的GEONYX系統(tǒng)功耗為15瓦，靜止校準(zhǔn)測(cè)量5分鐘后的定向精度0.35密位[10]。用于測(cè)量工程的陀螺經(jīng)緯儀[15]，目前的重量為13千克，用電池供電，在靜止校準(zhǔn)測(cè)量8～15分鐘 后的定向精度可達(dá)5角秒[16]。綜合設(shè)備體重、功耗、測(cè)量時(shí)間和誤差發(fā)散等因素可知，目前的慣導(dǎo)設(shè)備并不適用于靈活、機(jī)動(dòng)、輕便的單兵導(dǎo)航定向。

表1 陸地慣導(dǎo)系統(tǒng)主要性能

位置和方向信息對(duì)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航是同等重要的。雖然，目前在正常條件下，單兵導(dǎo)航的位置信息已可由最先進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航來(lái)提供了，但其所需的方向信息仍只能靠傳統(tǒng)的指南針或羅盤(pán)來(lái)提供。單兵衛(wèi)星導(dǎo)航的定位精度已優(yōu)于10米[17]，而羅盤(pán)的最好定向精度只有0.5度(見(jiàn)表2)[18]，這種技術(shù)及性能的嚴(yán)重不匹配，已越來(lái)越難以滿(mǎn)足各類(lèi)野外行進(jìn)人員對(duì)更高效率和精度的導(dǎo)航需求。

表2 TargetPoint DMC 電子羅盤(pán)性能參數(shù)

為此，發(fā)展單兵星敏，不僅可作為衛(wèi)星導(dǎo)航失效時(shí)的保底裝備，還可作為正常條件下高精度定向裝備，彌補(bǔ)單兵單天線(xiàn)接收機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航裝備無(wú)法定向的缺陷，通過(guò)兩種導(dǎo)航技術(shù)組合，實(shí)現(xiàn)安全可靠的單兵導(dǎo)航。

1.3 已具備了實(shí)現(xiàn)全天時(shí)導(dǎo)航的條件

過(guò)去單兵星敏沒(méi)有得到有效發(fā)展的主要原因之一，是它受制于各種氣象因素，不能實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候?qū)Ш?。傳統(tǒng)星敏接收的是恒星可見(jiàn)光，因太陽(yáng)輻射的可見(jiàn)光遠(yuǎn)強(qiáng)于恒星，白天基本上探測(cè)不到恒星，所以無(wú)法全天時(shí)導(dǎo)航。另外，因云霧雨雪等天氣對(duì)星光的衰減，星敏只能在晴天無(wú)云的夜晚工作，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候?qū)Ш健?/p>

但隨著理論和技術(shù)的發(fā)展，新型星敏已初步具備了白天探測(cè)恒星和實(shí)現(xiàn)全天時(shí)導(dǎo)航條件。作為星敏核心部件的CCD相機(jī)，目前大多都已將工作波長(zhǎng)延伸到可見(jiàn)光譜的短紅外部分。由于太陽(yáng)在此波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度明顯減弱，這類(lèi)星敏可在白天探測(cè)到300顆左右亮星。已有專(zhuān)門(mén)的短紅外波段星敏，白天在H波段和Ks波段分別能探測(cè)到大量亮于6.4等和5.8等的恒星[19]。

星敏全天候?qū)Ш降难芯浚壳耙踩〉昧撕艽筮M(jìn)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(jiàn)光波段弱，所以在有薄云時(shí)也能探測(cè)到一定數(shù)量的恒星。本文作者所在團(tuán)隊(duì)的大量研究結(jié)果表明，即使在云層較厚探測(cè)不到恒星的條件下，只要白天能探測(cè)到太陽(yáng)[20]，晚上能探測(cè)到月亮，也能實(shí)現(xiàn)定向和概略定位[21-22]；采用超大視場(chǎng)魚(yú)眼天文相機(jī)[23]，對(duì)局部云雨或其他天氣，只要能在地平之上的全天區(qū)范圍內(nèi)同時(shí)探測(cè)到兩個(gè)以上天體，包括同時(shí)探測(cè)日月和較亮的行星，或同時(shí)探測(cè)月球、行星和恒星等，也能實(shí)現(xiàn)一定精度的導(dǎo)航。

由此可知，最新的研究進(jìn)展已突破了部分氣象因素限制，有效地?cái)U(kuò)展了在各種氣象環(huán)境下實(shí)現(xiàn)單兵星敏導(dǎo)航可行性，為發(fā)展和應(yīng)用星敏單兵導(dǎo)航裝備創(chuàng)造了條件。

2 單兵星敏導(dǎo)航的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的技術(shù)原理與運(yùn)動(dòng)載體不同

星敏導(dǎo)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(biāo)[24]。依據(jù)相對(duì)論時(shí)空理論，天球參考系是不受地球自轉(zhuǎn)甚至公轉(zhuǎn)影響的局部慣性系。單兵導(dǎo)航的空間基準(zhǔn)是地球參考系，它與地球固連并受其自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)影響，不是慣性系。

運(yùn)動(dòng)載體星敏導(dǎo)航測(cè)定的是載體在天球參考系中的姿態(tài)和航向。技術(shù)原理是：將星敏與載體固聯(lián)，確定兩者本體坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；由星敏感應(yīng)恒星方向，測(cè)定星敏本體坐標(biāo)系在天球參考系中的指向；通過(guò)星敏與載體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得載體姿態(tài)和航向信息。

單兵星敏導(dǎo)航測(cè)定的是星敏在地球參考系中的位置和方向，垂直基準(zhǔn)是星敏所在地的鉛垂線(xiàn)。技術(shù)原理是：將星敏與垂直基準(zhǔn)設(shè)備(水平儀等)固聯(lián)，確定兩者本體坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；由星敏感應(yīng)恒星方向，測(cè)定星敏本體坐標(biāo)系在地球參考系中的指向；由垂直基準(zhǔn)設(shè)備感應(yīng)鉛垂線(xiàn)方向，測(cè)定它與垂直基準(zhǔn)設(shè)備本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；通過(guò)主光軸—垂直基準(zhǔn)設(shè)備—鉛垂線(xiàn)三者的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得星敏位置和方向信息，即天文經(jīng)緯度和方位角。

由此知，單兵星敏導(dǎo)航與運(yùn)動(dòng)載體導(dǎo)航采用的空間基準(zhǔn)、測(cè)定的導(dǎo)航信息和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)原理都有差別。特別是，載體姿態(tài)和航向僅由星敏就可測(cè)定，而單兵星敏的位置和方向則必須由星敏加垂直基準(zhǔn)設(shè)備才能測(cè)定。垂直基準(zhǔn)設(shè)備是單兵星敏導(dǎo)航裝備必不可少的核心部件。

2.2 與衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)定的導(dǎo)航信息及采用的坐標(biāo)系不同

單兵星敏導(dǎo)航的另一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)是，它只能測(cè)定所在位置三維空間坐標(biāo)中的平面坐標(biāo)，即天文經(jīng)緯度，而不能測(cè)定高程。這是由星敏的技術(shù)特點(diǎn)所決定的，因?yàn)樾敲粲^(guān)測(cè)的是遙遠(yuǎn)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(wèi)星導(dǎo)航接收的是距地面有限高度上的衛(wèi)星信號(hào)，它測(cè)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(biāo)(x,y,z)，或地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度)加高程。

另外，衛(wèi)星導(dǎo)航采用的是地心坐標(biāo)系，測(cè)定的是單兵所在位置的地心矢量，這是一個(gè)幾何量，與地球物質(zhì)分布無(wú)關(guān)。星敏導(dǎo)航采用的天文坐標(biāo)系，測(cè)定的是以鉛垂線(xiàn)為基準(zhǔn)的天文經(jīng)緯度，鉛垂線(xiàn)是地球重力的方向線(xiàn)，是物理量，與地球物質(zhì)分布及密度有關(guān)。地心矢量與鉛垂線(xiàn)不重合，兩者的方向差稱(chēng)為垂線(xiàn)偏差。垂線(xiàn)偏差一般為幾角秒，大的可達(dá)幾十角秒[25]。每1″垂線(xiàn)偏差對(duì)應(yīng)的地面距離差約為30 m，10″則可達(dá)到300 m左右。所以，衛(wèi)星導(dǎo)航和星敏導(dǎo)航采用的是不同坐標(biāo)系，結(jié)果受垂線(xiàn)偏差影響差別也很大，這點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中一定不能忽略。

目前應(yīng)用最廣的是衛(wèi)星導(dǎo)航，幾乎所有的陸地導(dǎo)航地圖和信息，采用的都是衛(wèi)星導(dǎo)航坐標(biāo)系。為此，除特殊應(yīng)用外，都需將單兵星敏導(dǎo)航的結(jié)果加上垂線(xiàn)偏差改正，轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星導(dǎo)航坐標(biāo)系中。這就需要“單兵”有可能到達(dá)的全國(guó)、甚至全球任意地點(diǎn)的高精度的垂線(xiàn)偏差信息。這是發(fā)展單兵星敏導(dǎo)航將要涉及的一項(xiàng)長(zhǎng)期、龐大的基礎(chǔ)性工作。

2.3 工作環(huán)境及實(shí)現(xiàn)原理與天文大地測(cè)量技術(shù)接近

就工作環(huán)境和技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理而言，單兵星敏與天文大地測(cè)量是最為接近的。在空間大地測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，天文大地測(cè)量一直是大地控制測(cè)量最主要的技術(shù)手段之一。其任務(wù)是通過(guò)測(cè)量恒星的方向來(lái)精密的確定地面點(diǎn)的位置及其沿某一方向的方位，從而建立國(guó)家的大地坐標(biāo)起算原點(diǎn)以及全國(guó)范圍內(nèi)的大地控制網(wǎng)[26]，表3列出了一等天文大地測(cè)量精度指標(biāo)。由此可知，單兵星敏導(dǎo)航與天文大地測(cè)量技術(shù)的工作環(huán)境相同，都是在地面上；測(cè)量對(duì)象相同，都是恒星的方向；提供的測(cè)量成果相同，都是天文經(jīng)緯度和方位角。

表3 一等天文大地測(cè)量精度指標(biāo)

兩種技術(shù)的不同點(diǎn)主要有：任務(wù)目標(biāo)不同，單兵星敏是快速獲取單兵的位置和方向；天文大地測(cè)量是精確獲取地面上一個(gè)空間固定基準(zhǔn)點(diǎn)的位置和方向。工作模式不同，單兵星敏是實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、快速的獲得定位定向結(jié)果；天文大地測(cè)量是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)測(cè)量及復(fù)雜的事后數(shù)據(jù)處理，獲得精密的定位定向結(jié)果。采用的技術(shù)設(shè)備不同，單兵星敏由于裝備小型化、便攜式的應(yīng)用要求，只能采用小型星敏來(lái)實(shí)現(xiàn)。而天文大地測(cè)量由于高精度測(cè)量的要求，采用的是設(shè)計(jì)復(fù)雜的專(zhuān)用設(shè)備，包括：等高儀、子午儀、經(jīng)緯儀和數(shù)字天頂儀[27]等。這些設(shè)備的設(shè)計(jì)主要是為了消除和減弱各種測(cè)量誤差源，提高測(cè)量精度。雖然也是用于野外測(cè)量，但對(duì)設(shè)備的小型化、便攜式的要求相對(duì)單兵星敏要低很多。

3 單兵星敏導(dǎo)航需解決的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 氣象因素影響的消減

1.3節(jié)指出，星敏已具備全天時(shí)和部分氣候下單兵導(dǎo)航的條件，解決了“可不可導(dǎo)”問(wèn)題，但“導(dǎo)的好不好”的問(wèn)題還有待解決。因?yàn)?，星敏性能和?dǎo)航精度還會(huì)受各種氣象因素的影響，包括：大氣散射使得進(jìn)入大氣層的星光強(qiáng)度明顯減弱，導(dǎo)致星敏所能感應(yīng)到的恒星數(shù)量減少[28]、星光成像不規(guī)則、像點(diǎn)中心提取精度降低；大氣折射使得星光在大氣層內(nèi)的傳播路徑發(fā)生偏折[29]，引起成像位置變化，從而影響星點(diǎn)坐標(biāo)的提取精度和星圖識(shí)別準(zhǔn)確率；云霧雨雪等天氣將使星敏無(wú)法探測(cè)到星光甚至日月的方向。

目前的星敏主要是為空天基導(dǎo)航而發(fā)展的，與單兵星敏所處的大氣環(huán)境各有不同。天基星敏工作在大氣層外，不受大氣環(huán)境的影響?？栈敲綦m工作在大氣層內(nèi)，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(lái)發(fā)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(wěn)定性高[30]，其星敏主要受高超聲速引起的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響[31]。與?；敲粝啾龋捎陉懙睾秃Ｉ蠚夂驓庀髼l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(dǎo)航必須結(jié)合自己的技術(shù)特點(diǎn)，研究消減氣象因素影響的技術(shù)方法和算法模型，不能直接引用空基或?；模駝t將無(wú)法有效提高裝備性能和導(dǎo)航精度。

3.2 時(shí)間基準(zhǔn)和電源的長(zhǎng)期維持

時(shí)間基準(zhǔn)是星敏導(dǎo)航的基礎(chǔ)。星敏不僅要獲取姿態(tài)、位置、方向等導(dǎo)航信息，還要提供信息獲取的時(shí)刻，否則無(wú)法導(dǎo)航。另外，星敏工作也離不開(kāi)電源。在運(yùn)動(dòng)載體上，有統(tǒng)一的電源和時(shí)間基準(zhǔn)單元，為各系統(tǒng)供電、提供時(shí)間信息。但對(duì)于自成體系的單兵星敏裝備，則需要有自己獨(dú)立的電源和時(shí)間基準(zhǔn)單元。

單兵星敏應(yīng)具有在一些特殊條件下導(dǎo)航的能力，包括野外長(zhǎng)期沒(méi)有外部信息和電能支持的極端條件。這要求它不僅有獨(dú)立的電源和時(shí)間基準(zhǔn)，還需要能長(zhǎng)期獨(dú)立的維持。這一技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)單兵星敏裝備的設(shè)計(jì)研制是個(gè)難點(diǎn)。因?yàn)?，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(shí)間基準(zhǔn)單元應(yīng)在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行并滿(mǎn)足精度指標(biāo)前提下，盡可能減小體積、重量和耗電。目前，最常用的小型時(shí)間頻率源是石英晶振，由它構(gòu)成單兵星敏的時(shí)間基準(zhǔn)單元，體積、重量和耗電應(yīng)該是滿(mǎn)足要求的。但晶振的穩(wěn)定度相對(duì)較差，需研究其時(shí)間基準(zhǔn)的長(zhǎng)期維持精度是否能滿(mǎn)足單兵星敏的要求，或在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能滿(mǎn)足。近幾年出現(xiàn)的芯片原子鐘[32]，相對(duì)普通原子鐘已做到微型化了，穩(wěn)定度也比最好的晶振高2個(gè)數(shù)量級(jí)[33]。但在體積、重量，特別是耗電方面能否滿(mǎn)足單兵星敏需求，還有待研究。表4列出了溫補(bǔ)晶振和芯片原子鐘主要技術(shù)指標(biāo)的比較。

表4 溫補(bǔ)晶振和芯片原子鐘主要技術(shù)指標(biāo)

對(duì)于單兵星敏電源，有一個(gè)特殊要求，即在單兵執(zhí)行任務(wù)期間，只要有可能用到星敏導(dǎo)航，它就要一直為時(shí)間基準(zhǔn)單元供電，以維持不間斷的時(shí)間基準(zhǔn)。這就要求所設(shè)計(jì)選用的電源，在盡可能減小體積、重量的前提下，具有長(zhǎng)期供電的能力。

3.3 系統(tǒng)探測(cè)性能與系統(tǒng)小型化的平衡

由于空天基載體運(yùn)動(dòng)速度和姿態(tài)變化非常快，為了提高精度，要求導(dǎo)航技術(shù)有盡可能高的采樣率和實(shí)時(shí)性，這是空天基星敏追求的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。相對(duì)空天基載體，單兵用戶(hù)的速度是非常慢的，為此其星敏的采樣率和實(shí)時(shí)性指標(biāo)要求可適當(dāng)降低，以便能將更多的軟硬件資源用于提高其他關(guān)鍵性的性能指標(biāo)上。

單兵星敏裝備的小型化要求是，體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)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(cè)性能要比空天基弱很多，再要求小型化，勢(shì)必進(jìn)一步減弱其性能。所以，需研究如何實(shí)現(xiàn)小型化、便攜式和探測(cè)性能之間的平衡，在保證一定導(dǎo)航精度指標(biāo)的條件下，設(shè)計(jì)出盡可能小的星敏。

4 結(jié) 論

對(duì)發(fā)展單兵星敏導(dǎo)航裝備的必要性及其技術(shù)特點(diǎn)等進(jìn)行了深入的研究和探討。結(jié)果表明，發(fā)展單兵星敏是十分必要的，因?yàn)樗皇茈姶鸥蓴_和破壞，不僅可作為衛(wèi)星導(dǎo)航失效時(shí)的保底裝備，也可彌補(bǔ)單兵單天線(xiàn)接收機(jī)衛(wèi)導(dǎo)裝備不能定向的缺陷；在衛(wèi)星導(dǎo)航正?？捎玫臈l件下，將兩種技術(shù)組合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度定位和定向。相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展，已使星敏能在白天和部分云雨天氣拍攝到星體，有效擴(kuò)展了它在不同氣象條件下的應(yīng)用能力。單兵星敏的主要技術(shù)特點(diǎn)有：實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的技術(shù)原理與運(yùn)動(dòng)載體不同，與衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)定的導(dǎo)航信息及采用的坐標(biāo)系不同，工作環(huán)境及實(shí)現(xiàn)原理與天文大地測(cè)量技術(shù)接近等。而發(fā)展單兵星敏導(dǎo)航裝備需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要包括：氣象因素影響的消減、時(shí)間基準(zhǔn)和電源的長(zhǎng)期維持、系統(tǒng)探測(cè)性能與系統(tǒng)小型化的平衡等。研究結(jié)果可為發(fā)展單兵星敏導(dǎo)航技術(shù)、設(shè)計(jì)研制單兵星敏導(dǎo)航系統(tǒng)提供參考。