若北斗GPS被干扰，中国空间站如何导航定位？别急，我们有更好的_风闻

作者|  科罗廖夫

来源|  科大烽火

在2021年6月17日，中国酒泉卫星发射中心，搭载着聂海胜、刘伯明和汤洪波三名航天员的神舟十二号载人飞船，由“神箭”长征2F火箭发射升空。经过6.5个小时，载人飞船与中国空间站天和核心舱完成自主快速交会对接，3名航天员顺利进驻空间站。这是载人航天史上由中国人书写的又一壮举，标志中国空间站事业再次向前迈出了一大步。

有很多网友关心，中国空间站在运行过程中，涉及大量的导航、定位、测量和姿态控制，那么，如果北斗卫星定位系统受到了干扰，中国空间站还能自主进行太空导航、定位和姿态控制吗？

当然是可以的，因为航天导航、定位和姿态控制，是一门大学问，不一定必须依靠北斗系统。

对于近地轨道航天器的导航，主要有四种手段：一种是利用星载的北斗或GPS卫星导航定位系统，进行在轨导航和定位。第二种是利用地面测控站，进行地基无线电导航。第三种是航天器本身自带的天文导航设备（如恒星敏感器、太阳敏感器和红外地平仪等）进行定轨、导航和姿态控制。最后是使用航天器自带的高精度惯性导航系统。

上述方法各有优缺点，例如无线电导航无法离开地面基站，北斗或GPS有被干扰的可能，而且受限于近地轨道。惯性导航的误差会随着时间不短累积等等，因此几种导航手段会结合起来运用。

但总体上天文导航的综合性能要优于其他导航手段，而且天文导航除了利用星敏感器和近地的折射星直接或者间接敏感地平进行定位，还能够用姿态敏感器进行三轴姿态测量和确定。特别适合在地球轨道或深空宇宙中开展自主导航、定位和姿态控制。

天文导航就是利用航天器自身运动规律，结合敏感器实时获得的恒星、太阳、地月等天体信息，再加上高精度计时器，通过一定算法，就能实现导航、定位和姿态控制等多个用途。航天器自主天文导航中，通常用星敏感器和地平仪测量的星光角距作为观测量。

例如中国空间站上有个很独特的的伴随卫星，具备全天时的空间观测能力，可监测空间碎片等对空间站造成潜在危险的空间目标。伴随卫星还搭载了高分辨率全画幅可见光相机，可对空间站进行高分辨率成像。但这样一来就涉及伴随卫星的高精度自主实施定位和姿态控制问题，为此我国又研制伴随卫星的太阳敏感器，通过观测太阳的位置，来确定伴随卫星的位置和姿态。这只是天文导航科学大类里面的一个小应用。

星光导航还应用于深度太空的探索。例如我国天问一号火星探测器在“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，它能清楚拍到几光年之外的恒星，可以通过拍照，比对星图，来测算火星探测器的空间位置。环绕器上的星敏感器，能帮助天问一号准确飞行。着陆巡视器上的星敏感器，能帮助探测器稳稳地准确着陆。

星光导航技术，是只有大国才研制和掌握的技术。不过原理很简单，就是用恒星的位置来测算自身移动的轨迹，从而能修正航行误差，大约相当于早几百年前古代航海的牵星术。

有很多网友曾经提问，在没有GPS和北斗，没有CCD电荷耦合元件，没有数据传输，只能使用胶片的年代，返回式光学侦察卫星的照片，是如何精确定位的？我们知道，在太空对地球拍摄一张照片是很容易的，但照片冲洗出来以后，你如何确定这张照片的精确坐标呢？如果没有精确坐标，卫星照片就只能看个热闹，毫无军事价值。其实这个问题很好解决，现在说出来也不是啥秘密，因为这种方式早就淘汰了。

光学侦察卫星的星姿和胶片定位问题，早在尖兵一号的时候就解决了，就是使用星光定位技术，记录每幅胶片的恒星位置，然后换算大地坐标。返回式卫星上面都有一个星光瞄准器，使用星敏感器对准恒星拍照，每一张对地拍摄的侦察胶片，都对应一个星图。其实是一次拍摄两张照片的，一张是对地拍摄图片，另一张是对星空拍摄的照片。当侦察卫星返回地球以后，就能校对出照片上目标的精确坐标。

星光制导技术，又被称为惯性/星光复合制导，主要是利用恒星作为固定参考点，使用星敏感器观测星体的方位，来校正惯性基准随时间的漂移。使用恒星作为参考点，不存在随时间或者距离增加的累积误差，因此可以修正陀螺漂移引起的漂移误差，可以大幅度提高导航精度。

由于在大气层外才有更好的恒星观测效果，因此星敏感器更多的应用领域是洲际导弹，也就是弹道导弹的星光导航辅助制导系统，可以在导弹冲出大气层以后提供星光定位，提高惯性制导的精度。

在70年代，美国在“三叉戟”I 型潜射洲际弹道导弹上首先应用了星光/惯性组合制导系统，射程7400公里时的命中精度为370米。随后苏联在R-36M“撒旦”洲际弹道导弹上面也应用了星光制导系统，射程9200公里时的精度也能达到370米。星光组合制导系统最厉害是美国三叉戟II潜射洲际导弹，在使用星光辅助导航系统时，能克服大地重力场变化带来的弹道飘移，能使导弹的入轨精度误差接近于零。可把末端精度CEP缩小至90米的惊人水平。

目前，星光制导技术还应用于各种机载平台，例如美国的B-52、B-1B战略轰炸机和B-2隐身轰炸机，以及EP-3侦察机，或SR-71高空速侦察机，以及俄罗斯的图-95MS和图-160等战略轰炸机。大多数天基平台上都应用星光导航，例如苏联的“和平”号空间站，国际空间站，我国的天绘一号，嫦娥一号、天宫二号核心舱等等。

很多人以为，随着技术的进步，卫星导航定位会成为主要的导航方式。其实这是误解，在航天应用领域，GPS卫星导航定位系统并不是人们想象的那样神奇厉害。美国曾在进行弹道导弹助推的HTV-2高超音速飞行器试验时发现，飞行器速度超过17马赫以后，就不能顺畅的捕捉到GPS卫星信号。

此外，由于全球卫星地位系统比较脆弱，在发生紧急事件或核战争的情况下，能否顺利使用，也令人怀疑。而洲际导弹等战略武器以及位于太空的空间站、卫星等航天器，都是十分重要的系统，涉及到一个国家的生死存亡，必须要极为可靠。因此，目前所有弹道导弹和重要航天器仍需要依赖非常可靠的惯性/星光组合导航、定位、制导和姿态控制。