B-52轰炸机星辰追踪器内的机电角度计算机

# B-52轰炸机星跟踪器内的机电角度计算机 来源：http://www.righto.com/2026/04/B-52-star-tracker-angle-computer.html 在GPS出现之前，飞机是如何导航的？一种重要的技术是天文导航：根据恒星、行星或太阳的位置进行导航。虽然天文导航精准、抗干扰，且不需要任何广播基础设施，但手动执行这个过程既困难又耗时。在20世纪60年代初，为B-52轰炸机开发了一套自动化系统来自动跟踪星体并计算导航信息。当时数字计算机并不适合，所以星跟踪系统使用一台称为角度计算机的机电模拟计算机来执行三角函数计算。¹ 角度计算机包含复杂的机电系统。点击此图像（或任何其他图像）可查看更大的图像。 角度计算机包含复杂的机电系统。 上面的照片显示了角度计算机内部的机制。²虽然它可能看起来像陀螺仪或惯性测量单元（IMU），但它完全不同，内部没有任何旋转部件。角度计算机物理模拟"天球"，内部配备复杂的机制，移动代表星体位置的指针。相应的角度（方位角和高度角）通过称为自整角机的设备以电气方式读取，通过成束的电线将信息提供给导航系统。在本文中，我将概述天文导航的工作原理，并解释角度计算机如何执行其计算。 ## 星象罗盘系统 角度计算机是星象罗盘的一个组件，这是一套能够锁定星体并产生高精度航向（即指北方向）的系统，精度达到十分之一度。虽然航向是星象罗盘的主要输出，导航员也可以使用它来确定位置，利用稍后描述的"位置线"技术。 星跟踪器安装在飞机顶部，塑料气泡突出。 星跟踪器安装在飞机顶部，塑料气泡突出。 星象罗盘导航系统围绕"星跟踪器"（上图）构建，这是跟踪星体的光学系统。星跟踪器安装在飞机上，其4英寸玻璃圆顶从机身顶部突出。该装置包含一个跟踪望远镜，使用光电倍增管来探测来自星体的光线。陀螺仪和复杂的电动机系统提供"稳定平台"，即使飞机倾斜和移动，也能保持望远镜精确竖直。棱镜旋转和倾斜以将望远镜瞄准特定的星体。³ B-52导航员仪表板上的星跟踪器仪器：位置线显示、主控制面板、航向显示面板和指示器显示面板。来自Kollsman MD-1自动星象罗盘手册。 B-52导航员仪表板上的星跟踪器仪器：位置线显示、主控制面板、航向显示面板和指示器显示面板。来自Kollsman MD-1自动星象罗盘手册。 星象罗盘系统复杂得令人困惑，包含19个组件（上图）来支持星跟踪器。⁴右侧是控制系统的十个放大器和计算机组件；角度计算机在右下方。左侧是B-52导航员使用的九个控制和指示面板。下面的照片显示1972年在B-52中使用的这四个面板。 B-52的导航员座位。部分星象罗盘控制装置用箭头指示：左边的位置线显示和主控制，右边的航向显示和指示器显示。照片中的导航员是Carl Hanson-Carnethon。来自Rob Bogash的B-52相册。这架特定的B-52（#2584）现在位于西雅图飞行博物馆，但星象罗盘已不存在。 ## 控制星象罗盘 星象罗盘有一个有趣的用户界面，允许你通过旋转旋钮一次输入一个值。首先，使用主控制面板选择一个数据值，如时钟时间、恒星#1的SHA（恒星时角）或恒星#3的赤纬。然后顺时针或逆时针转动"设置控制"旋钮，通过数据值滚动，直到达到正确值。主控制面板上的每个旋钮都有不同的几何形状，允许用户通过触觉区分旋钮。主控制面板在上面照片的左下角可见，在导航员易于操作的范围内。 主控制面板是星象罗盘的主要界面。 每个数据值都有独立的机电显示。下面的照片显示了一个星体数据显示，指示星体的恒星时角和赤纬。我移除了盖子，以便你可以看到数字显示实际上由在自整角机控制下由电动机旋转的模拟刻度盘组成。系统有三个星体数据显示，所以它可以同时保存三颗星体的位置。从三颗不同的星体获取定位在计算位置线时很有用。系统一次使用一颗星，但可以通过翻动主控制面板上的恒星开关快速更换星体。 移除盖子的星体数据显示。 但导航员如何获得要输入星象罗盘的信息，因为太阳、月球、星体和行星处于不断运动中？⁵必要的天体信息发布在一本名为《航空年历》的书中。美国政府从1941年开始出版《航空年历》，每四个月发行一卷。年历为每一天提供一张表，以10分钟间隔提供天体数据。第一列是时间（GMT，格林威治平均时间）⁶，其他列给出太阳的位置、一个称为白羊宫第一点的重要值（符号♈︎）、可见行星的位置和月球的位置。单独的表格和图表提供了星体的位置；由于星体几乎是固定的，它们没有每日更新。⁷（《航空年历》现在已上线；你可以在这里下载2026年航空年历。） 1960年航空年历摘录。照片经tanasa2022许可使用，他在eBay上出售该年历。 ## 导航三角形：计算星体位置 《航空年历》以全球坐标系统提供星体坐标，但星象罗盘需要知道飞机本地坐标系统中的星体坐标。确定星体位置需要使用球面三角学和称为导航三角形的东西来改变坐标系统。涉及相当多的术语，我将在本节中解释。 星跟踪器与许多望远镜一样，通过使用*方位角*和*高度角*来瞄准。假设你走进院子，指向地平线，然后转360°绕一圈；你指向的方向称为方位角。正上方的点称为*天顶*。现在将手臂从地平线向上摆向天顶90°。那个角度称为高度角。（令人困惑的是，术语"高度"既用于星体的角度，也用于飞机的高度。）因此，如果你指向特定的星体，可以用两个角度描述它的位置：你从北方的水平旋转给出方位角，从地平线向上的角度给出高度角。⁸这个系统称为*水平坐标系统*，因为它基于地平线。（顺便说一下，"水平"这个词来自"地平线"。）这是一个本地坐标系统，因为其他位置对该星体会有不同的方位角和高度角。方位角和高度角随时间不断变化，因为地球的自转使星体看起来在移动。 高度角和方位角的方程很复杂，包含正弦、余弦、反正弦和反正切。要了解为什么方程复杂，考虑星迹的长曝光照片。当地球自转时，每颗星在北极星周围形成一个圆圈。要追踪这条圆形路径，高度角和方位角以三角函数的方式变化。此计算由角度计算机机电执行，如稍后所述。 Kitt Peak国家天文台下的星迹。信用：DESI Collaboration/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/L. Tyas, CC BY 4.0。 现在让我们转向星体位置的定义方式（例如在《航空年历》中），独立于你的本地位置。假设星体在围绕地球的大球面上，称为*天球*。星体在天球表面是固定的，而地球在中间每（恒星）⁹日自转一次。因此，当你仰望天球时，看到星体在移动。可以将地球的赤道延伸到天球，定义*天赤道*。同样，天球有*天极*，与地球的极点相匹配。在地球上，可以用纬度和经度（红色）指定位置（如飞机的位置）。纬度从赤道测量，经度从固定的子午线（橙色）测量。0°子午线任意定义为经过格林威治（英格兰，不是康涅狄格州）。类似地，星体的位置由从天赤道的角度（称为*赤纬*而不是纬度）和从子午线的角度（称为*恒星时角*或SHA而不是经度）指定。¹⁰ 天球，地球在中心。星体的位置由恒星时角和赤纬描述，类似于经度和纬度描述飞机在地球上的位置。该图表基于专利2998529，"自动星象罗盘"。 但在测量星体的恒星时角时，什么子午线是起点—0°？天赤道与地球赤道相匹配，但这对格林威治子午线不起作用，因为它处于不断运动中。相反，0°天子午线被任意定义为太阳在春分时穿过赤道的位置（春天开始）。如果考虑太阳在天球上的位置，太阳将一年绕球运行一次。因为地球的轴是倾斜的，太阳将在一年的上半年位于赤道上方，下半年位于赤道下方，在春分（3月）和秋分（9月）穿过赤道。 这个天球上的参考点称为白羊宫第一点，用符号♈︎（公羊的角）表示；你可能还记得这个符号来自航空年历。在这一点上，太阳位于双鱼座。那么为什么这一点称为白羊宫第一点而不是双鱼座？早在公元前130年，古希腊天文学家喜帕恰斯将白羊宫第一点定义为太阳运动的起点。在那个遥远的时代，太阳在春分时位于白羊座，而不是今天的双鱼座。事实上，地球轴的方向并不固定，而是在称为分点进动的26,000年周期中移动。¹¹一个26,000年的周期似乎无关紧要，但速度足够快，太阳自喜帕恰斯时代以来已从白羊座移至双鱼座。（自B-52首次投产以来，春分点又向后移动了1°！） （所有这些关于白羊座和双鱼座的讨论可能听起来像占星术，是的，有直接联系。白羊座是第一个黄道星座，从春分开始，通常为3月21日。春分点的进动是"倒向的"，所以春分已移至双鱼座，最后一个黄道星座。从天文学上讲，春分点将在公元2600年左右进入水瓶座，但占星师对水瓶纪元是否已开始意见不一；也许1960年代是水瓶纪元的曙光。） 如何将星体的固定坐标转换为地球的旋转坐标？首先，查找特定时间格林威治子午线与白羊宫的天子午线之间的角度。这个角度（紫色）称为白羊宫的格林威治时角（GHA ♈︎）。接下来，查找星体的恒星时角（SHA）。将它们相加得到星体的格林威治时角（红色），格林威治子午线与星体之间的角度。减去飞机的经度可得到当地时角（LHA，未显示），即角度