若北斗GPS被幹擾，中國空間站如何導航定位？別急，我們有更好的_風聞

作者|  科羅廖夫

來源|  科大烽火

在2021年6月17日，中國酒泉衞星發射中心，搭載着聶海勝、劉伯明和湯洪波三名航天員的神舟十二號載人飛船，由“神箭”長征2F火箭發射升空。經過6.5個小時，載人飛船與中國空間站天和核心艙完成自主快速交會對接，3名航天員順利進駐空間站。這是載人航天史上由中國人書寫的又一壯舉，標誌中國空間站事業再次向前邁出了一大步。

有很多網友關心，中國空間站在運行過程中，涉及大量的導航、定位、測量和姿態控制，那麼，如果北斗衞星定位系統受到了干擾，中國空間站還能自主進行太空導航、定位和姿態控制嗎？

當然是可以的，因為航天導航、定位和姿態控制，是一門大學問，不一定必須依靠北斗系統。

對於近地軌道航天器的導航，主要有四種手段：一種是利用星載的北斗或GPS衞星導航定位系統，進行在軌導航和定位。第二種是利用地面測控站，進行地基無線電導航。第三種是航天器本身自帶的天文導航設備（如恆星敏感器、太陽敏感器和紅外地平儀等）進行定軌、導航和姿態控制。最後是使用航天器自帶的高精度慣性導航系統。

上述方法各有優缺點，例如無線電導航無法離開地面基站，北斗或GPS有被幹擾的可能，而且受限於近地軌道。慣性導航的誤差會隨着時間不短累積等等，因此幾種導航手段會結合起來運用。

但總體上天文導航的綜合性能要優於其他導航手段，而且天文導航除了利用星敏感器和近地的折射星直接或者間接敏感地平進行定位，還能夠用姿態敏感器進行三軸姿態測量和確定。特別適合在地球軌道或深空宇宙中開展自主導航、定位和姿態控制。

天文導航就是利用航天器自身運動規律，結合敏感器實時獲得的恆星、太陽、地月等天體信息，再加上高精度計時器，通過一定算法，就能實現導航、定位和姿態控制等多個用途。航天器自主天文導航中，通常用星敏感器和地平儀測量的星光角距作為觀測量。

例如中國空間站上有個很獨特的的伴隨衞星，具備全天時的空間觀測能力，可監測空間碎片等對空間站造成潛在危險的空間目標。伴隨衞星還搭載了高分辨率全畫幅可見光相機，可對空間站進行高分辨率成像。但這樣一來就涉及伴隨衞星的高精度自主實施定位和姿態控制問題，為此我國又研製伴隨衞星的太陽敏感器，通過觀測太陽的位置，來確定伴隨衞星的位置和姿態。這只是天文導航科學大類裏面的一個小應用。

星光導航還應用於深度太空的探索。例如我國天問一號火星探測器在“奔火”途中，如何知道自己的位置呢？就要靠一款“看星星”的利器——星敏感器，它能清楚拍到幾光年之外的恆星，可以通過拍照，比對星圖，來測算火星探測器的空間位置。環繞器上的星敏感器，能幫助天問一號準確飛行。着陸巡視器上的星敏感器，能幫助探測器穩穩地準確着陸。

星光導航技術，是隻有大國才研製和掌握的技術。不過原理很簡單，就是用恆星的位置來測算自身移動的軌跡，從而能修正航行誤差，大約相當於早幾百年前古代航海的牽星術。

有很多網友曾經提問，在沒有GPS和北斗，沒有CCD電荷耦合元件，沒有數據傳輸，只能使用膠片的年代，返回式光學偵察衞星的照片，是如何精確定位的？我們知道，在太空對地球拍攝一張照片是很容易的，但照片衝洗出來以後，你如何確定這張照片的精確座標呢？如果沒有精確座標，衞星照片就只能看個熱鬧，毫無軍事價值。其實這個問題很好解決，現在説出來也不是啥秘密，因為這種方式早就淘汰了。

光學偵察衞星的星姿和膠片定位問題，早在尖兵一號的時候就解決了，就是使用星光定位技術，記錄每幅膠片的恆星位置，然後換算大地座標。返回式衞星上面都有一個星光瞄準器，使用星敏感器對準恆星拍照，每一張對地拍攝的偵察膠片，都對應一個星圖。其實是一次拍攝兩張照片的，一張是對地拍攝圖片，另一張是對星空拍攝的照片。當偵察衞星返回地球以後，就能校對出照片上目標的精確座標。

星光制導技術，又被稱為慣性/星光復合制導，主要是利用恆星作為固定參考點，使用星敏感器觀測星體的方位，來校正慣性基準隨時間的漂移。使用恆星作為參考點，不存在隨時間或者距離增加的累積誤差，因此可以修正陀螺漂移引起的漂移誤差，可以大幅度提高導航精度。

由於在大氣層外才有更好的恆星觀測效果，因此星敏感器更多的應用領域是洲際導彈，也就是彈道導彈的星光導航輔助制導系統，可以在導彈衝出大氣層以後提供星光定位，提高慣性制導的精度。

在70年代，美國在“三叉戟”I 型潛射洲際彈道導彈上首先應用了星光/慣性組合制導系統，射程7400公里時的命中精度為370米。隨後蘇聯在R-36M“撒旦”洲際彈道導彈上面也應用了星光制導系統，射程9200公里時的精度也能達到370米。星光組合制導系統最厲害是美國三叉戟II潛射洲際導彈，在使用星光輔助導航系統時，能克服大地重力場變化帶來的彈道飄移，能使導彈的入軌精度誤差接近於零。可把末端精度CEP縮小至90米的驚人水平。

目前，星光制導技術還應用於各種機載平台，例如美國的B-52、B-1B戰略轟炸機和B-2隱身轟炸機，以及EP-3偵察機，或SR-71高空速偵察機，以及俄羅斯的圖-95MS和圖-160等戰略轟炸機。大多數天基平台上都應用星光導航，例如蘇聯的“和平”號空間站，國際空間站，我國的天繪一號，嫦娥一號、天宮二號核心艙等等。

很多人以為，隨着技術的進步，衞星導航定位會成為主要的導航方式。其實這是誤解，在航天應用領域，GPS衞星導航定位系統並不是人們想象的那樣神奇厲害。美國曾在進行彈道導彈助推的HTV-2高超音速飛行器試驗時發現，飛行器速度超過17馬赫以後，就不能順暢的捕捉到GPS衞星信號。

此外，由於全球衞星地位系統比較脆弱，在發生緊急事件或核戰爭的情況下，能否順利使用，也令人懷疑。而洲際導彈等戰略武器以及位於太空的空間站、衞星等航天器，都是十分重要的系統，涉及到一個國家的生死存亡，必須要極為可靠。因此，目前所有彈道導彈和重要航天器仍需要依賴非常可靠的慣性/星光組合導航、定位、制導和姿態控制。