天文导航

天文导航，也称为天体导航（Celestial navigation或astronavigation），是一种利用恒星及其它天体进行精确定位的技术，使导航员能够准确判断自己在太空或地表的实际物理位置，而无需仅依赖估计，通常称为推算，以计算位置。天文导航在不使用卫星导航或其它类似的现代电子或数位定位方式的情况下进行。

天文导航使用“观测”，即计时角测量，通常在天体（例如太阳、月球、行星或恒星）与可见地平线之间取得。天文导航也能利用天体间的测量，而不参考地球地平线，例如使用月球及其它天体，采用所谓的“月球”或月球距离法，在时间未知时用来确定精确时间。

## 给定用途

天文导航透过在地球表面观测太阳与地平线，提供了多种位置测定方法，其中一种是广为人知且简单的“正午观测导航”——即对太阳的精确高度及其精确时间（称为“当地正午”）进行单一观测，即在任何一天，当太阳在地平线上的最高点时进行观测。这种角度观测，同时结合其精确时间（称为本初子午线时间）的知晓，直接透过简单的数学约简，确定观测时间与地点的纬度与经度。月球、行星、北极星，或其它57颗座标被列入任何已出版的航海年历或航空年历中的导航恒星，也能达成同样的功能。

天文导航透过利用天体与可见地平线之间的角度测量（瞄准器）来定位自己在地球上的位置，无论是在陆地、空中还是海上，都能达成其目的。此外，恒星与其它天体之间的观测，在太空中也达成了相同结果， – 被用于阿波罗计划，且至今仍用于许多现代的人造卫星。同样地，天体导航也可用在其它行星上，利用当地地平线及适合的天体，配合相应的约简表及当地时间知识，来判断其在表面的位置。

在天体导航中，当天体在地球表面上方的任一时刻，会直接位于地球表面的单一点的正上方。该地点的纬度与经度称为天体的地理位置（GP），其位置可从当年航海或航空年历中的表格中推算出来。测量天体与可见地平线之间的角度，直接与天体GP与观测者位置之间的距离相关。经过一些称为“视线缩减”的计算后，此测量被用来在航海图或绘图工作表上绘制位置线（LOP），观察者的位置位于该线上。LOP实际上是地球上环绕着观测天体 GP的一个非常大圆圈中的一个短段（如果地球上这个圆周上的任何观察者，测量同一天体在该时刻高于地平线的角度，都会发现该天体在地平线上方的角度相同。）。对两个天体的观测会在航海图上形成两条这样的线，并在观测者的位置相交（事实上，这两个圆圈会产生两个交点，因为在上述两颗恒星上有观测，但其中一个因为距离估计位置很远，它可以舍弃——详见下方范例中的图示。）。若有三至五星可供瞄准，大多数导航员会使用更多的观测值，因为这样只会有一个共同交叉点，并降低错误风险。个前提成为最常用的天文导航方法：所谓的“高度拦截法”的基础。至少必须绘制三个点。地块交叉点通常会提供一个三角形，精确位置位于该三角形内。地点位置的准确度由三角形的大小决定。

约书亚·斯洛卡姆在他首次单人环球航行期间，利用正午观测与星视导航来确定自己目前的位置。此外，他使用月球距离法（或称“月球”）来确定并维持已知的格林威治（本初子午线）时间，从而保持他的“锡钟”相当准确，进而使位置的定位准确。

天文导航只有在知道准确的本初子午线时间时，才能确定经度。越精确的本初子午线时间（0°经度）已知，定位就越准确; – 确实，每四秒的时间差（通常是计时器，或飞机中精确的“对时表”），可能导致一个海里的位置误差。当时间未知或不被信任时，可以使用月球距离法作为本初子午线时间的判定方法。使用带有秒针或数字的可运作时钟、带有月相修正的年鉴，以及六分仪。在完全不了解时间的情况下，15到30分钟的月球计算（假设一个可观测且高度相当的月球），能提供精确至1至2秒的时间；观察记录与从年鉴表中进行数学化的简化。经过练习后，观察者能经常利用此方法推导并证明时间，因时间来源误差而产生的误差，约在一秒或一海里以内。

## 范例

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右侧展示了一个说明截距法来决定位置的概念范例（另外两种常用天文导航判定位置的方法为经度计时器和近中天法。）。在相邻的图片中，地图上的两个圆圈代表了2005年10月29日12:

00（格林威治标准时间）太阳与月亮的位置线。当时，一名海上航海员用六分仪测量月亮在地平线上方56度。十分钟后，太阳被观测到距离地平线40度。接着计算并绘制了每一次观测的定位线。由于太阳和月亮都从同一位置以各自角度观测，导航员必然位于圆圈交叉的两个位置之一。

在这种情况下，导航员要么位于大西洋上，约在马德拉以西350nmi），要么在南美洲，约在巴拉圭的亚松森西南方90nmi。在大多数情况下，判断两个交叉点中哪一个是正确的，而因为它们往往相距数千英里，对观察者来说是显而易见的。由于该船不太可能横越南美洲，因此大西洋的位置才是正确的。请注意，图中的位置线因地图投影而被扭曲；如果在地球仪上绘制，它们会是圆形的。

位于大厦谷的观测者会看到太阳左侧的月球，而位于马德拉峰的观察者则会在太阳右侧看到月球。

## 角度测量

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测量角度的精确多年来不断演进。一个简单的方法是将手伸直，将手放在地平线上方。小指的角宽度在伸长臂长时略超过1.5度，可用来估算太阳在地平线上的高度，进而估算到日落的时间。对更精确测量的需求促使开发了多种日益精确的仪器，包括卡马尔 (导航)、星盘、八分仪和六分仪。六分仪和八分仪最精确，因为它们测量了地平线角度，消除了仪器指标放置误差，且其双镜系统抵消仪器的相对运动，呈现物体与地平线的稳定视角。

导航员以度、角分和角秒来测量地球上的距离。海里定义为1,852米，但同时（并非偶然）也是地球子午线上的一角分角。六分仪的读取精度可精确至0.1角分以内，因此观测者的位置理论上可在0.1海里（185.2米，约203码）范围内确定。大多数海洋导航员在良好条件下从移动平台测量时，实际精度约为1.5海里（2.8公里），足够在看不到陆地或其它危险时安全导航。

## 实用导航

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Quartermaster

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实用的天文导航通常需要用航海钟来测量时间，六分仪用来测量角度，还有航海年历提供天体座标表、一组观测归算表以协助执行高度与方位计算，以及区域图。使用观测归算表时，唯一需要计算的就是加法和减法。小型手持电脑、笔记型电脑、甚至科学计算机，让现代导航员能在几分钟内“归算”六分仪的观测，所有计算和/或资料查询步骤都透过自动化完成。大多数人经过一两天的教学与练习后，甚至使用手动计算方法，都能掌握较简单的天文导航程序。

实务上，现代的导航员通常结合天文导航与卫星导航来修正推算航迹，也就是根据船只的位置、航向和速度估算航线。使用多种方法有助于导航员侦测错误并简化程序。当导航员以此方式使用时，会不时用六分仪测量太阳高度，然后根据观测的精确时间和估计位置，与预先计算的高度进行比较。在图表上，绘图仪的直边可以标记每个位置线。若位置线显示位置距离估计位置超过几英里，则可进行更多观测以重新启动推算轨迹。

在设备或电力故障时，每天多次使用太阳线并以推算航法推进，能让船只获得足够的基本运行方案返回港口。也可以利用月球、行星、北极星或其它57颗导航恒星来追踪天体位置。

### 纬度

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过去测量纬度的方法是透过测量太阳正午的高度（称为“正午观测”），或是测量其它天体穿越子午线时的高度（到达正北或正南时达到最高高度），且经常透过测量北极星（假设其在地平线上方有足够的高度可以用来测量，但这不适用于南半球）。北极星始终保持在天球北极1°的范围内。如果导航员测量到北极星的角度，发现距离地平线的度数是10°，那他大约在赤道北边10°左右。接着，利用简单的表格或年鉴修正，将这个近似纬度修正得出理论上误差不到一英里内的纬度。因为通常无法将正上方的顶点定位为天顶，角度是从地平线测量。当雾气遮蔽地平线时，航海者会使用人工地平线，这些是水平镜面或反射液体盘，尤其是水银。在后者情况下，镜子反射影像与天空中物体实际影像之间的角度正好是所需高度的两倍。

### 经度

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如果能准确测量到北极星的角度，则在视线附近东或西的恒星进行类似测量，即可获得经度。问题是地球每小时转动15度的度数，因此这些测量会依时间而定。前一天同一测量的之前几分钟或之后几分钟的测量，会造成严重的导航错误。在有完善的航海钟之前，经度测量是基于月球过中天或木星卫星的位置。大多数情况下，这些仪器很难被专业天文学家使用。1761年，约翰·哈里森（John Harrison）发明了现代航海钟，大幅简化了经度的计算。

经度问题花了数世纪才解决，且依赖于非摆钟的建造（因为摆钟无法在倾斜的船只或任何移动的载具上准确运作）。至今仍在使用18世纪发展出两种有用的方法：月角距，这不涉及计时器，也不需要精确的计时器或钟表。

目前，一般人可以透过记录精确的当地时间（省略夏令时间）来计算太阳在地球天空中最高点时的经度。用一根小巧且精确垂直插入平坦地面的杆子，可以更轻松且精确地计算中午——当阴影指向正北（北半球）时，请花时间读取。然后用你当地时间读数，从 GMT减去（格林威治标准时间|格林威治平均时间），或英国伦敦的时间。例如，在加拿大或美国中部附近的中午（12：00），伦敦约在下午6点（18：00）。这6小时的差值相当于24小时一天的四分之一，或是360度圆（地球）的90度。也可以将小时数（小时分数用小数）乘以15（即一小时的度数）来计算。无论哪种情况，都可以证明北美中部大部分地区位于或接近西经90度。东经可透过类似方式计算，将当地时间加以格林威治标准时间计算得出。

#### 月角距

在精确计时和卫星时间系统出现之前，一种较古老但仍有用且实用的海上精确时间测定方法称为“月角距”或“月距”，该方法曾短暂广泛使用，并于18世纪为白天在船上使用而改良。随着越来越先进的计时器（时钟）普及，19世纪中叶，逐渐获得海上船只普遍的使用。虽然最近仅由六分仪爱好者和历史学家使用，但因为它可能是船上唯一准确的时间来源，现在在天文导航课程中越来越普遍，以减少对GNSS系统的完全依赖。导航员设计用于在长途海上航行中，无法取得精确时钟或时钟准确度存疑时使用，能精确测量月球与太阳之间的角度，或月球与黄道附近几颗恒星之间的角度。观测角度必须像任何天文观测一样，针对折射和视差的影响进行校正。为了校正此点，导航员会测量月亮与太阳（或其他恒星）的高度，时间大约与月角距相同。只需大致的高度数值即可。使用适当的公开表格（或手写与对数与图形表）计算，约需10到15分钟；花了几分钟将观测角度转换成地心距。导航员接着将校正后的角度与相应年历页面中每3小时格林威治时间列出的角度比较，并利用插值表推导出中间值。结果是观测所用时间来源（时间未知）与实际本初子午线时间（格林威治的“零子午线”，也称为UTC或GMT）之间的时间差异。了解UTC/GMT，导航员还可以再取一组观测器，缩小视角，以计算它们在地球上的精确位置，作为当地的纬度与经度。

#### 时间使用方式

更流行的方法是（至今仍是）使用精确的计时器直接测量六分仪瞄准器的时间。对精确航行的需求促使18世纪开始发展越来越精确的天文钟（参见约翰·哈里森）。如今，时间的测量方式是用计时器、石英手表、短波无线电时间信号，或是卫星时间信号接收器显示的时间。一只石英腕表通常每天能准确计时至半秒内。如果长时间佩戴，保持在体温附近，无线电就能测量其漂移速率，透过补偿这种漂移，导航员可以将时间控制在每月不超过一秒。当本初子午线（或其它起点）的时间被准确知晓时，天文导航就能确定经度，而纬度和时间越精确，经度的测定就越准确。地球的角速度依据纬度。在极点，即纬度90°，地球的自转速度降至零。在纬度45°，一秒的时间等于1077.8ft，或十分之一秒等于107.8ft。在稍微隆起的赤道或纬度0°，地球或其经度等效物体的自转速度达到最大值 465.10m/s。

传统上，导航员会用六分仪在由专业天文学家测量的地理标记上检查计时器。这现在是一项罕见技能，大多数港务长（Harbourmaster）无法找到他们港口的标记。船只常常携带多个计时器。航海钟则放置在船中央附近的干燥房间内的平衡环架上。它们用来设定精密航海表，确保航海钟不会暴露在甲板上的风和咸水下。上链并比较计时器是航海员的重要职责，即使到了今天，这仍每日记录在船上的甲板日志中，并在上午值班（船上正午）的八钟之前向船长报告。导航员也会设定船上的时钟和日历。两台计时器提供双模组冗余（dual modular redundancy），若其中一台故障可备用，但若显示时间不同则无法进行错误修正，因为若两表时间不一致，无法判断哪一台错误（错误检测等同于只用一台计时器并定期检查）：每天中午与航位推测法对照）。三个航海计时器提供三重模组冗余（triple modular redundancy），若其中一台错误，允许错误更正导航员会取两者平均值，并取更近的读数（平均精度投票）。有句老话说：“永远不要带着两个计时器出海；拿三个。”。从事测量工作的船只通常携带远超过三个天文计时器 –，例如小猎犬号搭载 22 个计时器。

## 现代天文导航

天球位置线的概念由汤玛斯·哈伯德·萨姆纳于1837年发现，当时他在一次观测后，计算并绘制了自己在附近多个试验纬度的经度，发现这些位置沿着一条线排列。利用此方法，航海者终于能穿越两条位置线并取得其位置，实际上同时确定了纬度与经度。19世纪后期，现代（Marcq St. Hilaire）截距法的发展；此方法计算天体高度与方位角以取得方便的试站位置，并与观察高度比较。角分的差异是位置线需要接近或远离天体下点（投影点）方向移动的海里“截距”距离（截距法使用了上述“如何运作”部分范例所示的概念。）。另外两种减少瞄准镜的方法包括经度计时器和近中天法。

随着廉价且高精度的卫星导航接收器（GNSS）出现，天文导航逐渐变得多余，但它在航空领域广泛使用到1960年代，而航海导航则持续到最近。然而，由于谨慎的海员从不依赖任何单一方法来确定位置，许多国家海事主管机关仍要求甲板官在考试中展现天文导航知识，主要作为电子或卫星导航的备用。目前大型商船上天文导航最常见的用途之一，是在没有陆地参考时，用于罗盘校准和误差检查。

1980年，法国海军规定仍要求船上必须有独立操作的计时器，以便结合六分仪，透过天文导航判断船只位置。

直到1997年，美国空军与海军持续指导飞行员使用天文导航，原因包括：

- 天文导航可独立于地面辅助系统使用。
- 天文导航具有全球覆盖范围。
- 天文导航不受干扰（虽然可能会被云遮蔽）。
- 天文导航不会发出任何敌人可能侦测到的讯号。

美国海军学院（USNA）宣布，将于1998年春季将天文导航课程（被视为其最具挑战性的非工程课程之一）从正式课程中剔除。2015年10月，基于对GNSS系统在潜在敌对骇客威胁下可靠性的疑虑，USNA于2015至2016学年恢复了天文导航教学。

在另一所联邦服务学院——美国商船学院，因为进入商船队，天文导航课程没有中断。这门课也在哈佛，最近一次则是天文学2。

天文导航仍被私人游艇爱好者使用，尤其是全球长途巡航游艇。对于小型巡航船员来说，天文导航通常被视为在陆地视线范围之外航行时不可或缺的技能。虽然卫星导航系统技术可靠，但离岸游艇爱好者仍将天文导航作为主要导航工具或备用工具。

天文导航一直用于商业航空，直到喷射时代初期；早期的波音747驾驶舱顶部设有“六分仪端口”。直到1960年代，随着惯性导航系统和多普勒导航系统的出现，以及现今卫星系统的出现，这些系统能以每秒多次更新精确定位飞机位置，精确到3米球体，这种技术才逐渐被淘汰。

利用一种类似地球天文导航的系统，协助阿波罗太空船在往返月球的航程中定位。直到今天，像火星探测漫游者使用星踪追踪器用以确定太空船的姿态。

早在1960年代中期，先进的电子与电脑系统已发展出，使导航员能自动取得天体观测定位。这些系统曾搭载于舰艇及美国空军飞机，’精确度极高，能锁定最高达11等的星辰（即使在白天），并将太空船的位置解析为小于300ft。SR-71高速侦察机是结合天文导航与惯性导航的飞机范例之一。然而，这些稀有系统成本昂贵，现今仍在使用的少数系统被视为更可靠卫星定位系统的备用。

洲际弹道导弹在地球大气层外飞行时，使用天文导航检查并修正航线（最初使用内部陀螺仪设定）。对干扰讯号的免疫力是这种看似过时技术的主要驱动力。

基于X射线脉冲星的导航与定时（XNAV）是一种太空实验导航技术，利用来自X射线脉冲星的周期性X射线信号来判断太空船（例如深空太空中的太空船）的位置。使用XNAV的载具会将接收到的X射线讯号与已知脉冲星频率与位置数据库进行比较。类似于GNSS，此比较能让载具准确定位其位置（±5公里）。使用X射线讯号相较于无线电波的优点是，X射线望远镜可以做得更小更轻。在2016年11月9日，中国科学院发射了一颗实验性脉冲星导航卫星，名为XPNAV 1。SEXTANT（X射线定时与导航技术太空站探测器）是一项由NASA资助的专案。

由戈达德太空飞行中心开发，正在国际太空站（International Space Station）上测试XNAV的轨道飞行，与中子星内部组成探测器（Neutron Star Interior Composition Explorer）相关联。NICER专案，于2017年6月3日启动，参加SpaceX CRS-11国际太空站补给任务。

## 训练

飞机机组人员的天文导航训练设备结合了简单的飞行模拟器与天文馆。

早期的例子是连结天文导航训练器，曾于第二次世界大战中使用。该机座设于一栋45ft高耸的建筑内，设有可容纳整个轰炸机机组人员（飞行员、导航员和轰炸员）的座舱。驾驶舱配备了完整的仪器，驾驶员使用这些设备来模拟驾驶飞机。驾驶舱上方的圆顶固定一组灯光，其中一些为了模拟星座准直，导航员从中判断飞机位置。圆顶的运动模拟了恒星随着时间流逝及飞机绕地球运动而变化的位置。导航员还接收来自地面各位置的模拟无线电讯号。驾驶舱下方移动着“地形板”——大型可移动的地面空中照片——让机组人员有飞行的感觉，并使轰炸机能练习瞄准轰炸目标。一组操作员坐在机器下方的控制室，从中模拟风或云等天气状况。该团队还透过在纸上地图上移动“螃蟹”（标记）来追踪飞机位置。

连结天体导航教练机是应英国皇家空军（RAF）于1939年提出的请求而开发的。英国皇家空军订购了60架此类飞机，首架于1941年制造。英国皇家空军只使用了少数这些飞机，其余则回租美国，最终美国使用了数百架。

## 外部链接

- Celestial Navigation Net
- Table of the 57 navigational stars with apparent magnitudes and celestial coordinates
- Inua Complete nautical Almanac and more
- Calculating Lunar Distances
- Backbearing.com Almanac, Sight Reduction Tables and more.
- Celestial Navigation in Petan.net
- Air Facts
- THE V-FORCE
- Air Navigation Sextants
- Sextant in a Douglas DC-8