天文航海，又稱(chēng)“天文導(dǎo)航”、“航海天文學(xué)”，是一種在海上通過(guò)觀(guān)測(cè)天體高度、方位等來(lái)確定船位的導(dǎo)航技術(shù)。這種方法在全球范圍內(nèi)都有效，誤差穩(wěn)定，且具有獨(dú)立性和良好的隱蔽性。盡管天文航海受到天氣條件的限制，解算過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，但它仍然因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而在現(xiàn)代導(dǎo)航領(lǐng)域占有重要地位。
歷史與發(fā)展
中國(guó)的古代文獻(xiàn)中有多次提到將天文知識(shí)應(yīng)用于航海的情況。西漢的《淮南子·齊俗訓(xùn)》中就有這樣的描述：“夫乘舟而惑者，不知東西，見(jiàn)斗極則寤矣。”此外，東晉法顯的《法顯傳》和北宋朱彧的《萍洲可談》也都提到了利用天文現(xiàn)象進(jìn)行導(dǎo)航的例子。明代的《武備志》收錄了《過(guò)洋牽星圖》，其中記錄了南北、東西星體在水天線(xiàn)上若干指（角度單位）的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于估算船位。
在歐洲，直到15世紀(jì)之前，航海主要依靠海岸線(xiàn)和風(fēng)向。15世紀(jì)時(shí)，人們開(kāi)始使用北極星高度或太陽(yáng)中天高度來(lái)確定緯度。16世紀(jì)，雖然已經(jīng)有人提出利用月距（月星之間角距）來(lái)求經(jīng)度的方法，但由于精度不足且計(jì)算繁瑣，這種方法并未普及。18世紀(jì)，六分儀和天文鐘相繼問(wèn)世，前者用于觀(guān)測(cè)天體高度，顯著提升了精度；后者則能在海上通過(guò)時(shí)間法求得經(jīng)度。1837年，美國(guó)船長(zhǎng)T.H.薩姆納發(fā)現(xiàn)了天文船位線(xiàn)，這一發(fā)現(xiàn)奠定了近代天文定位的基礎(chǔ)。1875年，法國(guó)海軍軍官圣伊萊爾發(fā)明了截距法，簡(jiǎn)化了天文定位線(xiàn)的測(cè)定工作，至今仍在使用。
原理與方法
天文定位的基本問(wèn)題是通過(guò)觀(guān)測(cè)天體高度來(lái)獲取天文船位線(xiàn)。根據(jù)天球和地球的關(guān)系，被觀(guān)測(cè)天體在特定時(shí)刻的地面上的投影點(diǎn)被稱(chēng)為星下點(diǎn)（S）。天體星下點(diǎn)的經(jīng)緯度可以通過(guò)觀(guān)測(cè)時(shí)間和航海天文歷查得。觀(guān)測(cè)所得的天體高度（h）的補(bǔ)角稱(chēng)為天體頂距（z），即：
z = 90° - h
觀(guān)測(cè)者的實(shí)際位置必然位于以星下點(diǎn)為中心，以天體頂距在地面所跨距離（一角度分相當(dāng)于1海里）為半徑的圓上，這個(gè)圓稱(chēng)為天文船位圓，又稱(chēng)等高圓。通過(guò)觀(guān)測(cè)兩個(gè)不同的天體可以獲得兩個(gè)天文船位圓，兩圓相交處靠近推算船位的交點(diǎn)就是與觀(guān)測(cè)時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的天文船位。天文船位圓通常非常大，但在實(shí)踐中，只有靠近推算船位的部分被視為直線(xiàn)，這部分稱(chēng)為天文船位線(xiàn)，又稱(chēng)薩姆納線(xiàn)。通常在晨昏蒙影期間同時(shí)觀(guān)測(cè)兩個(gè)以上的星體，或者在白天每隔一段時(shí)間（一般為2~3小時(shí)）觀(guān)測(cè)太陽(yáng)，然后通過(guò)移動(dòng)天文船位線(xiàn)來(lái)確定船位。航海者還常常將上午的太陽(yáng)船位線(xiàn)移動(dòng)并與觀(guān)測(cè)太陽(yáng)中天高度求得的緯度線(xiàn)相交，以此得出中午的天文船位。
截距法
天文船位線(xiàn)的求法通常是解決由天頂、天極、天體三點(diǎn)構(gòu)成的球面三角形（稱(chēng)為天文三角形）。天文三角形的解法包括經(jīng)度法和截距法，后者更為常用。截距法是利用推算船位求出觀(guān)測(cè)和計(jì)算高度之差來(lái)繪制天文船位線(xiàn)的方法，又稱(chēng)高度差法或高度法。具體步驟包括：首先，使用推算船位對(duì)應(yīng)的天頂解天文三角形，求得天體計(jì)算高度和方位，精度分別要求達(dá)到0.1'和0.1°。其次，觀(guān)測(cè)高度減去計(jì)算高度得到截距，即推算船位至天文船位圓的距離。截距為“+”，表明推算船位在天文船位圓外側(cè)，天文船位線(xiàn)朝向天體（星下點(diǎn)）；截距為“-”，則天文船位線(xiàn)朝向遠(yuǎn)離天體的方向。最后，根據(jù)截距的符號(hào)和大小，在天體計(jì)算方位線(xiàn)上量取截點(diǎn)，垂直畫(huà)出天文船位線(xiàn)。觀(guān)測(cè)南北方向（中天）天體所得的緯度線(xiàn)為特殊的天文船位線(xiàn)，其公式簡(jiǎn)化為以下代數(shù)式：
天文船位誤差取決于天文船位線(xiàn)的誤差及其方位夾角。船位誤差包括偶然誤差和系統(tǒng)誤差。船位偶然誤差可以用誤差橢圓方法表示，但用均方誤差圓方法表示更加簡(jiǎn)便。對(duì)兩條等精度天文船位線(xiàn)，天文船位均方誤差圓半徑（63%~68%概率）為：
式中m、e分別為船位線(xiàn)的偶然誤差和系統(tǒng)誤差；A1、A2為兩天體方位。兩式中，天體方位夾角的影響正好相反。如m和e為同數(shù)量級(jí)，為了兼顧這兩種影響，兩天體方位夾角取60°~70°最佳，避免小于30°或大于150°。增加觀(guān)測(cè)天體的次數(shù)取平均值，可提高定位的精確性。如果觀(guān)測(cè)三個(gè)或四個(gè)天體，它們的方位以分別相距120°和90°為佳。這也有助于消除系統(tǒng)誤差。有經(jīng)驗(yàn)的航海者在良好條件下測(cè)天定位的誤差很少超過(guò)2海里。
系統(tǒng)與儀器
航空常用的天文導(dǎo)航儀器包括星體跟蹤器、天文羅盤(pán)和六分儀等。自動(dòng)星體跟蹤器（星敏感器）能夠在天空背景下搜索、識(shí)別和跟蹤星體，并測(cè)量跟蹤器瞄準(zhǔn)線(xiàn)相對(duì)于參考坐標(biāo)系的角度。天文羅盤(pán)通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)或星體方向來(lái)指示飛行器的航向。六分儀通過(guò)對(duì)恒星或行星的測(cè)量來(lái)指示飛行器的位置和距離。天文導(dǎo)航系統(tǒng)通常由星體跟蹤器、慣性平臺(tái)、計(jì)算機(jī)、信息處理電子設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間發(fā)生器等組成。星體跟蹤器是天文導(dǎo)航系統(tǒng)的核心設(shè)備，一般由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、星體掃描裝置、星體輻射探測(cè)器、星體跟蹤器信號(hào)處理電路和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。星體跟蹤器的輻射探測(cè)器在飛機(jī)上較多采用光電倍增管和光導(dǎo)攝像管，在航天器上較多采用光導(dǎo)攝像管和析像管。電荷耦合器件是70年代發(fā)展起來(lái)的一種探測(cè)器，它體積小、靈敏度高、壽命長(zhǎng)，無(wú)需高壓供電，能直接獲得精確的空間信息，近年來(lái)在飛機(jī)、導(dǎo)彈、航天飛機(jī)和衛(wèi)星上得到了廣泛應(yīng)用，并為星體跟蹤器小型化創(chuàng)造了條件。
分類(lèi)
根據(jù)跟蹤的星體數(shù)目，天文導(dǎo)航可分為單星、雙星和三星導(dǎo)航。單星導(dǎo)航由于航向基準(zhǔn)誤差大而定位精度較低，雙星導(dǎo)航定位精度較高，在選擇星對(duì)時(shí)，兩顆星體的方位角差越接近90°，定位精度越高。三星導(dǎo)航常利用第三顆星的測(cè)量來(lái)檢查前兩次測(cè)量的可靠性，在航天中，則用來(lái)確定航天器在三維空間中的位置。
應(yīng)用
天文導(dǎo)航經(jīng)常與慣性導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。這種組合式導(dǎo)航系統(tǒng)具有較高的導(dǎo)航精度，適用于大型高空遠(yuǎn)程飛機(jī)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈的導(dǎo)航。當(dāng)星體跟蹤器固定在慣性平臺(tái)上并組成天文-慣性導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，可為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)提供最優(yōu)估計(jì)和進(jìn)行補(bǔ)償，從而使一個(gè)中等精度和低成本的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠輸出高精度的導(dǎo)航參數(shù)。在低空飛行時(shí)，天文導(dǎo)航受限于能見(jiàn)度，較少采用。但對(duì)于高空戰(zhàn)略轟炸機(jī)、戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)和偵察機(jī)進(jìn)行跨越海洋、通過(guò)極地、沙漠上空的飛行，天文導(dǎo)航則十分適用。對(duì)于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈，天文導(dǎo)航能修正發(fā)射點(diǎn)的初始位置和瞄準(zhǔn)角誤差，因此特別適用于機(jī)動(dòng)發(fā)射的導(dǎo)彈。彈道導(dǎo)彈可在主動(dòng)飛行段的后期使用天文導(dǎo)航，也可借助天文導(dǎo)航完成再入后的末制導(dǎo)，以修正風(fēng)的影響。星體跟蹤器對(duì)星體的瞄準(zhǔn)能建立精確的幾何參考坐標(biāo)，并且在空間沒(méi)有云的干擾，因此天文導(dǎo)航（星光制導(dǎo)）在航天器上得到了更廣泛的應(yīng)用。
展望
天文定位雖受天氣條件限制，解算復(fù)雜費(fèi)時(shí)，但具有獨(dú)立性強(qiáng)、儀器簡(jiǎn)單、費(fèi)用節(jié)省、隱蔽性好、沒(méi)有覆蓋區(qū)限制、定位誤差穩(wěn)定、沒(méi)有積累誤差等優(yōu)點(diǎn)。目前，天文定位正在從多個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：①實(shí)現(xiàn)定位計(jì)算的全自動(dòng)化。各國(guó)已研制出多種航海計(jì)算器或天文定位計(jì)算器，一些已經(jīng)達(dá)到實(shí)現(xiàn)計(jì)算全自動(dòng)化的要求。②擴(kuò)大晝夜觀(guān)測(cè)的機(jī)會(huì)。如40年代出現(xiàn)的人工地平氣泡、陀螺六分儀，70年代前后出現(xiàn)的光增強(qiáng)夜視六分儀、晝夜數(shù)字六分儀、遙控微光電視照相六分儀、計(jì)算機(jī)六分儀等，但大部分仍處在完善或降低成本的階段。③提高海上觀(guān)測(cè)的精度。如研究連續(xù)觀(guān)測(cè)高度、自動(dòng)平差的儀器設(shè)備等。④開(kāi)發(fā)天文定位的新途徑。如測(cè)定天體其他參數(shù)或其他的輻射波。20世紀(jì)50年代開(kāi)始研制的射電六分儀，就是觀(guān)測(cè)天體的無(wú)線(xiàn)電。⑤天文定位與其他導(dǎo)航儀聯(lián)合使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短。如已出現(xiàn)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。
參考資料 >
搞懂這一點(diǎn)，天文航海不再難如“天書(shū)”.個(gè)人圖書(shū)館.2024-08-15
“牽星術(shù)”：我國(guó)古代把天文學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)應(yīng)用在航海上的偉大創(chuàng)舉.百家號(hào).2024-08-15
古人的航海技術(shù) 多的是你想不到的事.百家號(hào).2024-08-15