发展单兵星敏导航装备的必要性及技术特点

郑勇，刘新江，李崇辉

1. 信息工程大学 地理空间信息学院，郑州 450001

2. 32021 部队，天津 300140

导航是引导行人和运动载体沿一定路线从一点运动到另一点的技术方法。天文导航是人类最早发明的导航方法之一。它通过观测日月星辰，在陆地上确定位置和方向，在大海中确定船位和航向，在空中为飞机领航，在太空中测定航天器姿态，甚至在深空为飞行器及月球和火星探测器导航[1-2]。

长期以来，天文导航都是通过肉眼或望远镜接收天体可见光来实现的。直至20世纪才扩展到红外、射电、X射线等波段，出现了红外天文导航、射电天文导航和X射线脉冲星导航等[3-4]。所以，目前天文导航已不仅局限于可见光导航。为加以限定，常将基于接收星体可见光实现的导航称为“星光导航”；星敏感器也特指用于接收和感应恒星可见光实现导航的设备，简称“星敏”。

星敏作为星光导航最主要的设备，在航空航天等领域的应用已得到迅速发展，但在陆地导航中的应用却相对较少。这与陆地星光导航受气象因素和应用环境的制约有关，它要求应用于室外开阔地、视野无遮挡、无强光干扰源和无雨雪天气等。传统星敏在地面上一般只有在晴天无云的夜晚才能感应到星光，因而无法实现全天时、全天候的观测和导航。随着相关领域理论和技术的发展，新型星敏已突破气象因素制约，实现了白天对恒星的观测[5]，加上固有的其他导航技术无法替代的优势，为发展星敏陆地导航提供了有力支撑。

星敏陆地导航的应用对象大体可分为运动载体和徒步行人两类。其中运动载体主要包括各类车辆，云层以下低空无人机，部队装甲车、火炮和导弹机动发射平台等。徒步行人主要包括野外徒步旅行、探险者，野外工程、勘察、救援和特殊工作人员，部队执行野战任务的小分队和单兵等。专用于徒步行人导航的星敏陆地导航装备，可称为单兵星敏导航装备，简称“单兵星敏”。

星光导航具有不受电磁干扰，能提供绝对姿态信息等优点。但目前的星敏主要是为天基和空基导航而发展的，将其应用于单兵导航是否必要、需克服什么技术难点、能达到怎样的效果等都是需要探索的问题。为此，本文在第一部分首先论述了发展单兵星敏的必要性；第二部分深入探讨了单兵星敏导航的技术特点，这是开展单兵星敏导航装备研究应充分了解和掌握的；第三部分提出并分析了发展单兵星敏导航装备需解决的一些关键技术问题，以期为单兵星敏导航系统的设计研制提供参考；第四部分给出了本文研究的结论。

1 发展单兵星敏的必要性

1.1 是其他单兵导航装备失效时的保底装备

目前单兵导航首选的是卫星导航装备，这无疑是最为方便、高效和低成本的导航装备。但它的可靠性存在隐患，受复杂电磁环境干扰破坏、发生系统失能的可能性日益加剧。例如，2019年7月11日，欧洲“伽利略”卫星导航系统发生原因不明的重大事故，导致系统服务中断，信号不可使用[6]。美军在其“导航战”概念中明确指出，核心就是“阻止对手使用卫星导航信息”[7]。近年来，从地面运控系统、卫星系统、传播环境及用户设备等多维度对卫星导航信息的遮蔽和干扰已越来越多的应用于实战[8]。为此产生了一个不可回避的问题：在卫星导航系统出现故障或导航战使其失效的极端条件下，单兵用户靠什么装备来导航？

除卫星导航外，惯性导航作为一种不受电磁环境和气象因素影响的自主导航技术，已广泛用于陆海空天各类导航中。但当卫星导航装备失效时，它是否能独立为“单兵”这种特殊用户导航呢？目前，能够长时间独立提供导航信息的是“战略级”惯导装备，主要装配在舰艇和某些飞机、洲际导弹上[9]。其系统复杂，体重庞大，不适用单兵导航。而装配在车辆上的“战术级”小型惯导[10]，误差随时间累积发散很快，独立工作时间很短。其主要作用是与卫星导航设备组合，为载体提供高频位姿变化信息，或在卫星导航信号短暂中断时提供相对位姿信息。只要卫星导航系统或设备失效超过1小时甚至几分钟，就无法独自提供有效的导航信息[11]。由此可知，现有惯导还不能构成轻便可靠的单兵导航装备，在卫星导航长时间失效时独立为单兵用户导航。

单兵星敏接收的导航信号是遥远自然天体发出的可见光，是一种不受电磁干扰破坏的自主导航装备。与惯导相比，其最大的优势是，测量误差不随时间的增加而积累和发散。因此，它能自成体系，在长期没有卫星导航等外部信息支持的条件下，独立获得定位定向信息，实现单兵导航。

1.2 能弥补单兵卫星导航装备无法定向的缺陷

行进方向的确定，是实现单兵导航必不可少的关键信息，其精度直接决定了导航的精度和成败。发展星敏单兵导航的重要理由之一，就是其定向精度是各种导航技术中最高的，目前已达到亚角秒量级[12]。这是由星敏特有的技术优势决定的，也是其他导航技术难以替代的。

卫星导航定向原理是，将两台以上天线接收机安置在运动载体上，由载波相位差分信息解算出其基线矢量，进而结合各天线安装关系定出载体的姿态和航向[13]。这种技术的定向精度与基线长度直接相关，基线越长精度越高，目前精度为0.03～0.5度[14]，比星敏精度低2至3个数量级。由其原理知，实现卫星导航定向，至少要两台相隔一定距离的天线接收机。显然，仅有一台接收机构成的便携式单兵卫星导航装备，是无法实现定向的。

惯导是最常用的运动载体定向技术。但由于设备性能不同，定向精度差别很大，且都存在误差随时间增加而不断增大和发散的缺陷。表1列出了2019年新出的几款用于陆地载体的小型惯导系统，其中体积最小的GEONYX系统功耗为15瓦，静止校准测量5分钟后的定向精度0.35密位[10]。用于测量工程的陀螺经纬仪[15]，目前的重量为13千克，用电池供电，在静止校准测量8～15分钟 后的定向精度可达5角秒[16]。综合设备体重、功耗、测量时间和误差发散等因素可知，目前的惯导设备并不适用于灵活、机动、轻便的单兵导航定向。

表1 陆地惯导系统主要性能

位置和方向信息对实现导航是同等重要的。虽然，目前在正常条件下，单兵导航的位置信息已可由最先进卫星导航来提供了，但其所需的方向信息仍只能靠传统的指南针或罗盘来提供。单兵卫星导航的定位精度已优于10米[17]，而罗盘的最好定向精度只有0.5度(见表2)[18]，这种技术及性能的严重不匹配，已越来越难以满足各类野外行进人员对更高效率和精度的导航需求。

表2 TargetPoint DMC 电子罗盘性能参数

为此，发展单兵星敏，不仅可作为卫星导航失效时的保底装备，还可作为正常条件下高精度定向装备，弥补单兵单天线接收机卫星导航装备无法定向的缺陷，通过两种导航技术组合，实现安全可靠的单兵导航。

1.3 已具备了实现全天时导航的条件

过去单兵星敏没有得到有效发展的主要原因之一，是它受制于各种气象因素，不能实现全天时、全天候导航。传统星敏接收的是恒星可见光，因太阳辐射的可见光远强于恒星，白天基本上探测不到恒星，所以无法全天时导航。另外，因云雾雨雪等天气对星光的衰减，星敏只能在晴天无云的夜晚工作，所以无法实现全天候导航。

但随着理论和技术的发展，新型星敏已初步具备了白天探测恒星和实现全天时导航条件。作为星敏核心部件的CCD相机，目前大多都已将工作波长延伸到可见光谱的短红外部分。由于太阳在此波长的辐射强度明显减弱，这类星敏可在白天探测到300颗左右亮星。已有专门的短红外波段星敏，白天在H波段和Ks波段分别能探测到大量亮于6.4等和5.8等的恒星[19]。

星敏全天候导航的研究，目前也取得了很大进展。前面提到的短红外星敏，由于短波红外波段的大气衰减比可见光波段弱，所以在有薄云时也能探测到一定数量的恒星。本文作者所在团队的大量研究结果表明，即使在云层较厚探测不到恒星的条件下，只要白天能探测到太阳[20]，晚上能探测到月亮，也能实现定向和概略定位[21-22]；采用超大视场鱼眼天文相机[23]，对局部云雨或其他天气，只要能在地平之上的全天区范围内同时探测到两个以上天体，包括同时探测日月和较亮的行星，或同时探测月球、行星和恒星等，也能实现一定精度的导航。

由此可知，最新的研究进展已突破了部分气象因素限制，有效地扩展了在各种气象环境下实现单兵星敏导航可行性，为发展和应用星敏单兵导航装备创造了条件。

2 单兵星敏导航的技术特点

2.1 实现导航的技术原理与运动载体不同

星敏导航的信息源是恒星，其基本位置是由恒星历表提供的在星表历元天球参考系中的坐标[24]。依据相对论时空理论，天球参考系是不受地球自转甚至公转影响的局部惯性系。单兵导航的空间基准是地球参考系，它与地球固连并受其自转和公转影响，不是惯性系。

运动载体星敏导航测定的是载体在天球参考系中的姿态和航向。技术原理是：将星敏与载体固联，确定两者本体坐标系间的转换关系；由星敏感应恒星方向，测定星敏本体坐标系在天球参考系中的指向；通过星敏与载体的坐标转换，获得载体姿态和航向信息。

单兵星敏导航测定的是星敏在地球参考系中的位置和方向，垂直基准是星敏所在地的铅垂线。技术原理是：将星敏与垂直基准设备(水平仪等)固联，确定两者本体坐标系间的转换关系；由星敏感应恒星方向，测定星敏本体坐标系在地球参考系中的指向；由垂直基准设备感应铅垂线方向，测定它与垂直基准设备本体坐标系的转换关系；通过主光轴—垂直基准设备—铅垂线三者的转换关系，获得星敏位置和方向信息，即天文经纬度和方位角。

由此知，单兵星敏导航与运动载体导航采用的空间基准、测定的导航信息和实现的技术原理都有差别。特别是，载体姿态和航向仅由星敏就可测定，而单兵星敏的位置和方向则必须由星敏加垂直基准设备才能测定。垂直基准设备是单兵星敏导航装备必不可少的核心部件。

2.2 与卫星导航测定的导航信息及采用的坐标系不同

单兵星敏导航的另一个技术特点是，它只能测定所在位置三维空间坐标中的平面坐标，即天文经纬度，而不能测定高程。这是由星敏的技术特点所决定的，因为星敏观测的是遥远恒星星光的方向，如果星敏的主光轴在空间指向不变，其位置的有限变化是敏感不到星光方向变化的。单兵卫星导航接收的是距地面有限高度上的卫星信号，它测定的是单兵所在地的三维空间位置，通常有两种表示形式，即三维直角坐标(x,y,z)，或地理坐标(经纬度)加高程。

另外，卫星导航采用的是地心坐标系，测定的是单兵所在位置的地心矢量，这是一个几何量，与地球物质分布无关。星敏导航采用的天文坐标系，测定的是以铅垂线为基准的天文经纬度，铅垂线是地球重力的方向线，是物理量，与地球物质分布及密度有关。地心矢量与铅垂线不重合，两者的方向差称为垂线偏差。垂线偏差一般为几角秒，大的可达几十角秒[25]。每1″垂线偏差对应的地面距离差约为30 m，10″则可达到300 m左右。所以，卫星导航和星敏导航采用的是不同坐标系，结果受垂线偏差影响差别也很大，这点在实际应用中一定不能忽略。

目前应用最广的是卫星导航，几乎所有的陆地导航地图和信息，采用的都是卫星导航坐标系。为此，除特殊应用外，都需将单兵星敏导航的结果加上垂线偏差改正，转换到卫星导航坐标系中。这就需要“单兵”有可能到达的全国、甚至全球任意地点的高精度的垂线偏差信息。这是发展单兵星敏导航将要涉及的一项长期、庞大的基础性工作。

2.3 工作环境及实现原理与天文大地测量技术接近

就工作环境和技术实现原理而言，单兵星敏与天文大地测量是最为接近的。在空间大地测量技术广泛应用之前，天文大地测量一直是大地控制测量最主要的技术手段之一。其任务是通过测量恒星的方向来精密的确定地面点的位置及其沿某一方向的方位，从而建立国家的大地坐标起算原点以及全国范围内的大地控制网[26]，表3列出了一等天文大地测量精度指标。由此可知，单兵星敏导航与天文大地测量技术的工作环境相同，都是在地面上；测量对象相同，都是恒星的方向；提供的测量成果相同，都是天文经纬度和方位角。

表3 一等天文大地测量精度指标

两种技术的不同点主要有：任务目标不同，单兵星敏是快速获取单兵的位置和方向；天文大地测量是精确获取地面上一个空间固定基准点的位置和方向。工作模式不同，单兵星敏是实时、动态、快速的获得定位定向结果；天文大地测量是通过长时间静态测量及复杂的事后数据处理，获得精密的定位定向结果。采用的技术设备不同，单兵星敏由于装备小型化、便携式的应用要求，只能采用小型星敏来实现。而天文大地测量由于高精度测量的要求，采用的是设计复杂的专用设备，包括：等高仪、子午仪、经纬仪和数字天顶仪[27]等。这些设备的设计主要是为了消除和减弱各种测量误差源，提高测量精度。虽然也是用于野外测量，但对设备的小型化、便携式的要求相对单兵星敏要低很多。

3 单兵星敏导航需解决的关键技术

3.1 气象因素影响的消减

1.3节指出，星敏已具备全天时和部分气候下单兵导航的条件，解决了“可不可导”问题，但“导的好不好”的问题还有待解决。因为，星敏性能和导航精度还会受各种气象因素的影响，包括：大气散射使得进入大气层的星光强度明显减弱，导致星敏所能感应到的恒星数量减少[28]、星光成像不规则、像点中心提取精度降低；大气折射使得星光在大气层内的传播路径发生偏折[29]，引起成像位置变化，从而影响星点坐标的提取精度和星图识别准确率；云雾雨雪等天气将使星敏无法探测到星光甚至日月的方向。

目前的星敏主要是为空天基导航而发展的，与单兵星敏所处的大气环境各有不同。天基星敏工作在大气层外，不受大气环境的影响。空基星敏虽工作在大气层内，但主要在云层之上，基本不受云雾雨雪天气影响，大气散射和大气折射影响比单兵星敏小。近年来发展的临近空间高超声速飞行器，飞行高度平流层以上，大气密度低稳定性高[30]，其星敏主要受高超声速引起的气动光学效应影响[31]。与海基星敏相比，由于陆地和海上气候气象条件的差别，星敏性能受到的影响也是不同的。所以，单兵星敏导航必须结合自己的技术特点，研究消减气象因素影响的技术方法和算法模型，不能直接引用空基或海基的，否则将无法有效提高装备性能和导航精度。

3.2 时间基准和电源的长期维持

时间基准是星敏导航的基础。星敏不仅要获取姿态、位置、方向等导航信息，还要提供信息获取的时刻，否则无法导航。另外，星敏工作也离不开电源。在运动载体上，有统一的电源和时间基准单元，为各系统供电、提供时间信息。但对于自成体系的单兵星敏装备，则需要有自己独立的电源和时间基准单元。

单兵星敏应具有在一些特殊条件下导航的能力，包括野外长期没有外部信息和电能支持的极端条件。这要求它不仅有独立的电源和时间基准，还需要能长期独立的维持。这一技术特点，对单兵星敏装备的设计研制是个难点。因为，星敏只能占单兵所携物品体积重量的很小部分，例如，体积小于103立方厘米、重量小于1千克等。由此，时间基准单元应在长时间连续运行并满足精度指标前提下，尽可能减小体积、重量和耗电。目前，最常用的小型时间频率源是石英晶振，由它构成单兵星敏的时间基准单元，体积、重量和耗电应该是满足要求的。但晶振的稳定度相对较差，需研究其时间基准的长期维持精度是否能满足单兵星敏的要求，或在多长时间内能满足。近几年出现的芯片原子钟[32]，相对普通原子钟已做到微型化了，稳定度也比最好的晶振高2个数量级[33]。但在体积、重量，特别是耗电方面能否满足单兵星敏需求，还有待研究。表4列出了温补晶振和芯片原子钟主要技术指标的比较。

表4 温补晶振和芯片原子钟主要技术指标

对于单兵星敏电源，有一个特殊要求，即在单兵执行任务期间，只要有可能用到星敏导航，它就要一直为时间基准单元供电，以维持不间断的时间基准。这就要求所设计选用的电源，在尽可能减小体积、重量的前提下，具有长期供电的能力。

3.3 系统探测性能与系统小型化的平衡

由于空天基载体运动速度和姿态变化非常快，为了提高精度，要求导航技术有尽可能高的采样率和实时性，这是空天基星敏追求的一项重要技术指标。相对空天基载体，单兵用户的速度是非常慢的，为此其星敏的采样率和实时性指标要求可适当降低，以便能将更多的软硬件资源用于提高其他关键性的性能指标上。

单兵星敏装备的小型化要求是，体积小、重量轻、操作简单、方便携带，因此只能采用小型星敏。但由于受大气等因素影响，星敏的探测性能要比空天基弱很多，再要求小型化，势必进一步减弱其性能。所以，需研究如何实现小型化、便携式和探测性能之间的平衡，在保证一定导航精度指标的条件下，设计出尽可能小的星敏。

4 结 论

对发展单兵星敏导航装备的必要性及其技术特点等进行了深入的研究和探讨。结果表明，发展单兵星敏是十分必要的，因为它不受电磁干扰和破坏，不仅可作为卫星导航失效时的保底装备，也可弥补单兵单天线接收机卫导装备不能定向的缺陷；在卫星导航正常可用的条件下，将两种技术组合，同时实现高精度定位和定向。相关理论和技术的发展，已使星敏能在白天和部分云雨天气拍摄到星体，有效扩展了它在不同气象条件下的应用能力。单兵星敏的主要技术特点有：实现导航的技术原理与运动载体不同，与卫星导航测定的导航信息及采用的坐标系不同，工作环境及实现原理与天文大地测量技术接近等。而发展单兵星敏导航装备需解决的关键技术问题主要包括：气象因素影响的消减、时间基准和电源的长期维持、系统探测性能与系统小型化的平衡等。研究结果可为发展单兵星敏导航技术、设计研制单兵星敏导航系统提供参考。