轰炸机上有一个天体观测窗，通过这个观测窗，导航员们可以对恒星进行观测来进行定位。
美国陆军航空队B-17,B-24和 B-29轰炸机使用的mark II星象罗盘。
AGM-128A“猎犬”防区外导弹使用KS-140天文追踪系统。
图为早期的GPS全球定位系统卫星(1981年)。
战略空军司令部FB-111A战机使用Litton公司研制的 ASQ-119天文追踪系统来改进其惯性系统的精确度。
无论是在茫茫大海上航行，抑或是在蓝天白云间穿梭，时刻能够正确确认自身所处的位置，是平安到达目的地的基本要求。一直以来，现代海军和空军都在面临着一个重大的挑战，那就是远距离导航。当代的全球导航卫星系统(GNSS)，如全球定位系统(GPS)，尽管其投资规模非常之大，但仍然存在不尽如人意的地方，因为它在骨子里还保留有古代留传下来的导航技术，即恒星导航技术。
最早的恒星导航活动需要的是良好的视力，关于各个星座的知识和许多的运气成份。
人类很早就知道如何以太阳或星辰来判断纬度，然而，经度的判定却一直是个难题。在剧烈晃动且温度、湿度皆变化无常的海上，要保持计时装置的正常运作是一件非常困难的事情。18世纪中期，约翰·哈里森发明了现代意义上的计时器，这种精确时钟的出现使这一情况发生了彻底改变。以热补偿型螺旋弹簧作为计时标记，这一计时装置设计思想在当今时代仍然被广泛应用。
所有高精度的恒星导航都要依赖于一份精确的星历资料，这是一份以表格形式存在的恒星资料，它能描述在某一时刻某一颗恒星相对于地球的准确位置。除了星历资料以外，恒星导航还需要一个精确的计时工具和一种能够精确测量恒星和其他天体方位角的设备。因此，定位的准确程度依赖于星历资料、角度测设备和计时装置的准确性。恒星导航技术和设备的发展到目前为止其主要的工作一直就是围绕如何提高测量精度而进行的。
无线电导航出现于二十世纪30年代末，成熟于二十世纪40年代，最初应用于飞机着陆系统，后来应用于炸弹投掷。无线电导航的魅力体现在它不受天气的影响，即使在天空多云的时候也可以使用，这是一个非常好的优点，特别是相对于靠仪器导航来进行的飞行来说。云朵能够挡住星星本来就十分微弱的光辉，妨碍恒星导航技术设备的使用。陆基无线电导航的缺点是它们的有效使用范围被限制在无线电发送器周围的有限空间，只有在视距或近似视距范围内才有可能实现高精度的定位。因此，恒星导航在今天仍然在使用。
军用飞机上使用的第一代恒星导航系统，包括一名经过专门训练、胜任导航工作的导航员，一个六分仪，一份星历资料和一个计时装置。在飞机上进行观察会受到滑流的影响，为了克服这一问题，人们在飞机上设计了一个天体观测窗，它是一个半球形的透明玻璃的圆顶护罩，位于导航员的上方位置，可以极大地方便星象罗盘的使用，同时不会受到滑流的影响。英国皇家空军的“哈利法克斯”(Halifax)、“兰开斯特”(Lancaster)轰炸机，美国的B-17, B-24 、B-29重型轰炸机，由于它们在执行作战任务中都需要依赖导航进行长途跋涉，因此天体观测窗成为了它们机体上一个十分独特的部分。以B-24系列轰炸机为例，机上安装有一个A-1微型手持天体照相仪，它让导航员即使在黑暗当中也能看清楚星历资料图表。此外，B-24系列轰炸机上还装有Mk II型手持星象罗盘，带有方位和赤纬刻度的圆顶护罩水准仪，使用之前可以进行校准，以方便角度的测量。导航员可以借助这些设备来对某一颗已知的恒星进行角度测量。
知道了两颗或者更多恒星在某一特定时间的准确方位和仰角后，根据星历资料就可以进行准确的定位。当然，在颠簸的轰炸机上，要获得精确的测量那还需要一定的特殊方法。随着轰炸机的发动机由活塞发动机向涡轮喷气发动机的转变，飞机的巡航速度得到了大幅度的提升，作战高度也大大提高，对计时精确性的要求也就相应提高。对工作在这种飞机上的导航员来说，要想靠近并利用天体观测窗进行测量变得比以往更加困难。这就导致了第一代模拟电子自动星象罗盘的产生，例如战略空军的B-52C/D/E/F/G 系列飞机装备的柯尔斯曼仪表公司(Kollsman Instruments)生产的MD-1天文罗盘，就是其中的一种。这种模拟电子自动星象罗盘用一个伺服驱动万向节、一个模拟计算机和一个光电倍增管来代替人眼进行观测和角度测量。这种罗盘设计复杂并且维护困难，但它实现了用自动化设备对导航员的工作替代。
对B-52轰炸机来说，它肩负核打击任务，需要飞越北极地区，它需要星象罗盘这样的硬件设备来为其提供精确的长途导航。B-52轰炸机运载的北美公司(NAA)生产的射程为500英里的AGM-28A “猎犬”防区外导弹，也使用这样一个天文导航系统，那就是柯尔斯曼仪表公司生产的KS-140，它可以为惯性自动飞行提供信息更新。后来的B-52H轰炸机和RC-135电子侦察机上安装有AN/AJN-11型自动天文罗盘机，再后来康维尔（Convair）飞机公司生产的战略空军司令部(SAC) B-58 “Hustler”型轰炸机，安装有柯尔斯曼公司生产的KS-39天文导航设备，其自动化程度更胜一筹。轰炸机上的投弹导航员锁定某一特定的恒星后，导航设备就会通过方位角和仰角持续地对这一星星进行跟踪。此后较先进的天文导航器是安装于战略空军司令部FB-111A飞机上的Litton公司研制的AN/ASQ-119型导航器。
自动天文跟踪器具有非常高的精度，但是它的造价高，维护费用高，对校准的准确性要求也极高。卫星导航的出现导致了这些设备的没落。然而它们并没有完全退出，事实上，它们在不断地进行着升级，如RC-135V/W“铆钉”（Rivet Joint）型电子战飞机上使用的诺斯罗普·格鲁曼公司生产的一个LN-120G星际导航系统，就是这样一种得到了升级的天文导航系。它是一种全球定位系统(GPS)增强型的恒星惯性导航系统，能够对恒星进行全时跟踪。这一惯性导航系统运用了恒星角度定位，并且得到了GPS系统的支持，精度可以达到20角秒，诺斯罗普·格鲁曼公司对这一指标引以为荣。空军将在RC-135V/W 系列飞机上将安装30部这样的系统，以提供更高的定位精度。
天文跟踪器一个固有的缺点，就是它们在工作时需要对某一颗或数颗星星形成一个自由的视野。这对飞行高度较高的那些飞机是没有问题的，但是对那些飞行高度较低的飞机而言，由于它们经常不得不在恶劣天候条件下飞行，要对某一颗或几颗星星进行无障碍观测有时则是不可能的。
卫星在出现之初就引起了人们的极大的兴趣，人们想卫星能不能使用既有的导航理念，成为像无线电导航那样的一种新的导航手段呢？那一时期产生了许多关键性的技术，原子钟就是其中的一例，它能够非常准确且稳定地计时，还有一个是伪随机码技术，它的应用带来了无线电测距技术的发展。最早开始的卫星导航研究项目是1962年美国空军的“621”计划和1963年美国海军研究实验室的“TIMATION”计划。
卫导航使用无线电微波信号，相对于恒星导航来说，它具有两个极大的优点，第一个就是它能够支持全天候的行动，第二个是毋须斥巨资建造和维护光学跟踪硬件设施。当然，卫星导航也需要为终端用户的导航设备配备廉价而小型化的数字电子计算机，这项技术在二十世纪70年代随着微处理器的产生而出现。
卫星导航系统的建设和维护费用之所以比恒星导航系统大大降低，是因为它使用精确测距技术作为主要的测量手段，取代了角度测量手段。角度测量手段无论是在射频波段，还是在光波波段都比测距手段要昂贵得多。
Navstar全球定位系统计划是由海军和空军的计划合并而成的一个多机构计划，在空军的领导下实施，第一颗Navstar全球定位系统实验卫星--导航技术卫星2号(NTS.2)于1977年发射。GPS全球定位系统起源于Navstar卫星，它可以提供陆、海、空使用的精确、持续、全天候、全球性航行的位置和时间信息。这个系统虽然最初是以军事上的用途为主，但随着时代的演进，它已经非常普遍地使用在军事以外的其他广阔的领域了。
当前所有卫星导航方案的基础理念就是在这些卫星的轨道位置可以准确掌握的情况下，对四颗或更多的卫星进行伪距测量，通过对数学方程组的求解可以得到定位接收机的地理位置。测距是通过把导航接收机与卫星的主时钟广播进行同步，然后测量出一个编码导航信号从卫星到接收机所需的时间，来求出卫星到接收机的距离。天下没有免费的午餐，根据几何学原理，几颗卫星在接收机的视野中彼此隔开得越远，获得的精确度才会更高。当卫星成一连串的形式集中出现于天空的某一部分，这时的精确度将会急剧下降。这一效应被称为几何精度稀释(GDOP)。在对南斯拉夫的轰炸任务中，空军给每一个轰炸机单位都发了一个事先计算好的关于几何精度稀释误差的图表，这张图表可以告诉导航人员，在每一个区域执行任务时，每一天、甚至每天的每一小时，导航卫星会出现在那个地方天空的什么地方，这样作战人员就可以选择在几何精度稀释误差最小的时候来执行预先计划的任务了。
第一批全球定位系统接收机于二十世纪80年代投入使用，这些接收机体积大而笨重，造价昂贵，仅是使用一个单波道接收机对每一颗可见的卫星进行连续的自动跟踪和伪距测量。到了二十世纪90年代，全球定位系统接收机开始具有了多个波道，比较典型的接收机有5到8个波道，体积比较小，而且造价也更加便宜。这一时期，GPS全球定位系统开始从飞机向另外一种体积更大、造价更高的武器平台--舰船发展，从而最终演变成了一种广泛应用于各种军事平台和制导武器弹药上的导航系统。
在全球定位系统出现之前，导航系统主要利用昂贵的惯性平台，在一些附属的传感器的帮助下来提高导航定位的精度。虽然惯性系统具有良好的性能，不需要外部参照物就能够测量平台的空间位置，但它们同时也会随着时间的流逝产生连续的漂移误差，不管惯性单元使用的是旋转式陀螺仪，还是激光谐振腔技术，事实上都无法改变这一状况。
在GPS之前，最昂贵但最精确的导航系统使用多普勒设备来进行准确的速度测量，使用具有天体定位作用的天文跟器来限制惯性系统中漂移误差的产生。许多空中系统中除了热成像和激光瞄准设备，还会有附属的雷达装置，用来为系统提供辅助性的导航定位输入。
尽管一套单独的全球定位系统接收机硬件设备要比它所取代的设备便宜得多，但它仍然可以实现等效甚至是更好的测量精度，这就是全球定位系统征服世界的原因。
全球定位系统很快就在弹药制导方面有了新的用途。澳大利亚防务科学和技术组织(DSTO)很早就曾提出用全球定位系统来引导航空炸弹，但是没有获得采纳，因此澳大利亚直到采购了联合直接攻击弹药(JDAM)以后才算有了全球定位系支持的武器。
全球定位系统引导弹药使用导致了GPS干扰机和抗干扰GPS接收机的产生。GPS制导炸弹的产生推进了能够快速联络卫星的接收机的发展。最近，为了进一步提高抗干扰性能和定位的精确性，在原有的卫星导航信号中又加入了额外的GPS信号。导航领域的差分GPS技术产生于二十世纪80年代，它使用一个辅助的波道加载额外的用于GPS伪距测量的修正数据，来校正大气迟延、轨道漂移和其他一些情况下产生的误差。当前最精确的差分GPS系统的误差值仅为数英寸。
前苏联很早就认识到GPS系统的潜在价值，为了不致落后，部署了自己的与GPS对等的系统--格洛纳斯(Glonass)导航系统。苏联解体后，俄罗斯没有足够的经济实力来增加卫星数量，因此格洛纳斯导航系统星座在轨卫星数量较GPS系要少。欧洲人最近才参与到全球定位系统这个项目中来，他们成功地研制并发射了伽利略导航系统。
全球定位系统的未来会是什么样子？等到上述这些系统更加成熟以后，其抗干扰能力和导航精度将得到进一步的提升，终端用户设备也将变得更加准确、便宜和便于操纵使用，将来可能会出现两个主要的卫星导航系统分庭抗礼的局面。但不管怎样，如果追根溯源的话，卫星导航系统在许多的方面还是要从恒星导航系统来汲取发展的经验。 | 
发表于 2008-7-16 09:40:46
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