基于CCD星敏感器的天文导航关键技术的发展
摘 要 天文导航是一种自主式的精确导航方法，在航海、航空、航天等领域，都发挥着重要作用。本文对天文导航系统和关键技术的发展历程进行了详细分析，其中包括天文导航系统的原理，以及星图模拟、星图提取等技术。本文对天文导航系统关键技术的发展进行了总结，指出结合实际传感器参数和实际应用中载体的运动情况，进一步对关键技术进行研究，是天文导航技术发展的必经之路。
关键词 天文导航 星图模拟 星图提取 星敏感器
中图分类号：U666.131 文献标识码：A
1 概述
随着光学技术、电子技术、人工智能技术等领域的不断发展，以大视场CCD星敏感器为传感器，基于星图识别和星图匹配技术的天文导航系统由于精度高、不需人工干预、不需要向外辐射信号等特点，成为目前无源自主导航的热点发展方向之一。此外，由于系统结构简单、体积小、重量轻，因此易于和其他系统进行集成，可用于空中飞行器、舰船、陆地车辆等，是导航系统重要的发展方向。我国从上世纪末开始，也对天文导航技术投入了大量研究，本文重点研究天文导航系统的基本原理，以及其中相关的关键技术发展进程。
2 国内外天文导航技术的发展
早在二千多年前，我国就已有天文方法应用于航海的记载。随着天文学的发展，特别是到了十八世纪.欧洲出现了船上使用的测角仪器——六分仪和船上使用的准确计时仪器——航海天文钟，使天测船位的精度有明显的提高。后来，又有美国船长沙姆纳于1837年发现了利用等高度线求经、纬度的方法，这方法又于1875年被法国海军中校圣·希勒尔改进为近代广泛应用的“圣·希勒尔法”，又称为“高度差法”的画天文船位线的方法，使天文导航方法日趋完善。
近几十年来，以恒星位置为基准的进行精确定位的星敏感器（Star Sensor），也称星跟踪器（Star Tracker），已经得到了广泛地应用。40年代未50年初，星敏感器在飞行器和导弹的导航方面的应用开始发展起来，并能为其提供位置和方向的参考。在50年代到60年代间，星敏感器开始与陀螺仪为基础的惯性导航平台结合，随后星敏感器逐渐地开始用于气球、火箭及地球卫星、月球和各种行星飞行器的姿态稳定。
这些早期的应用所需要的运行时间相对较短。导弹和火箭飞行只需几分钟，航空器和气球飞行可能要几小时到几天，而早期太空飞行器则需要几天到几个月的时间不等。为完成这些任务，采用了以光电倍增管为主并辅以如切割转盘（Chopping Wheel）、振动簧片（Vibrating Reeds）等多种机械手段的各种技术措施。从70年代开始使用固体探测器提高星光的分辨力，使用平衡环扩展有效视场。具有电场或磁场转向和调制能力的析像管IDT（Image Dissector），加上高灵敏度的光电倍增管成为不需宽转向角应用的优选技术。六七十年代间，星敏感器开始广泛地用于各种任务如月球卫星、返回卫星等。
随着太空飞行任务的复杂性和所需运行时间的增加，早期星敏感器、星图识别、姿态测定方法的局限性开始显现出来。为了克服早期星敏感器的稳定性差，温度、磁场影响大等问题以及满足新任务所需的新稳定性能的需要，新的星敏感器开始出现。固体成像器件如CCD、CID技术发展，星敏感器获得了更高的可靠性，精度得到了极大地提高。而CCD技术与微处理器技术的有机结合，促进了新一代星敏感器的快速发展。新一代星敏感器能同时对参视场中的多颗星进行跟踪，并提供高精度的姿态信息，稳定性好，具有全自主的计算能力，能大大地减轻姿态控制计算机的计算负载。美国70年代最早研究应用星敏感器；前苏联应用星敏感器的水平较高，1989年在和平号空间站上已经使用了；前西德和日本也先后使用了星敏感器测量飞行器姿态。最近，一种以APS（Active Pixel Sensor）为基础的新型星敏感器开始出现，如JPL（Jet Propulsion Laboratory）所开发的MAST（Micro APS-based Star Tracker）。这种星敏感器可被设计用来完成星图识别、星体跟踪、姿态确定、太空对接、特征追踪、图像下传以及目标跟踪等任务，如Teamsat上的自动视觉系统AVS（Autonomous Vision system）。另一方面，由几个正交的视场FOV组成，同时观测天球并将其星图聚焦成像在一个单一的CCD/CMOS像检测平面上的星敏感器也已研制成功，如意大利航天局的StarNav III就是一个三正交视场的星敏感器。这种多视场的星敏感器的测量精度要比单视场的测量精度高一个数量级。
目前，我国航天器上的姿测系统主要使用单自由度测速陀螺（简称陀螺）、圆锥扫描式红外地球敏感器（简称红外）或狭缝数字式太阳敏感器（简称太阳敏感器）进行定姿。但这些设备难以满足航天器姿态测量精度的更高要求。而具有高精度的星敏感器则技高一筹。一般来说，当卫星姿态确定精度低于1€笆保缘厍虼笃呓缥嫉暮焱獾厍蛎舾衅骷爸械染鹊耐勇菥涂陕阋蟆5弊颂范ň仍？.1€啊？€爸涫保焱獾厍蛎舾衅骷巴勇萃猓行柙黾右蕴粑恢梦嫉母呔仁质教裘舾衅鳌5蔽佬亲颂范ň仍？.03€啊？.1€爸洌踔粮哂诖酥担鲜霾饬肯低尘筒荒苈阋罅耍匦朐黾右院阈俏恢梦嫉男敲舾衅鞑拍艽锏健V泄教炜萍技殴疚逶？02所自80年代开始星敏感器的研制，其技术基本成熟，正样产品通过部级鉴定， 并被首次应用在资源2号卫星上。
天文导航技术建立在恒星参考系基础之上，不需要地面设备，利用天体辐射能（星光、射电及红外辐射），隐蔽性好，不受人工与自然电磁波干扰，测量误差也不随时间而积累，对于远距离、长时间飞行（航行）的平台是一种较好的导航手段。天文导航系统也为自备式导航，其使用范围广、设备简单、造价低、工作可靠，不受别人制约，便于推广应用并建成独立自主的导航体制。目前天文导航作为综合导航系统的重要组成部分，已经被广泛应用于舰艇、飞机、导弹和空间飞行器等。电荷耦合器件（CCD）和全息透镜与微处理器的迅速发展，以及多种导航手段的有机组合，必将有力地促进天文导航的精度、自动化、昼夜与全天候导航四个方面的不断提高。