1、导航技术的发展简述摘要：针对定位导航技术发展的复杂性和多样性，本文将以时间为基准轴简述各种定位导航技术的发展历史，研究意义和特点等，其中包括惯性导航系统，天文导航系统，无线电导航系统等。并简要介绍一下常用组合导航的的组合形式和使用背景，同时，介绍了 3 种组合导航的应用实例。关键词：时间基准；定位导航；发展历史；组合导航引言我国古代，很早就将天文定位技术应用在航海中。东晋僧人法显在访问印度乘船回国时曾记述：“大海弥漫无边，不识东西，唯望日、月、星宿而进” 。宋、元时期，天文定位技术有很大发展，使用量天尺；到了明代，采用观测恒星高度来确定地理纬度的方法，叫做“牵星术” ，所用的测量工具，叫做牵星
2、板。根据牵星板测定的垂向高度和牵绳的长度，即可换算出北极星高度角，它近似等于该地的地理纬度。在航海历史上以明朝初期郑和最为知晓，就是有利用到“牵星术”进行了多次远程航海。以婆罗（Borneo）/文莱为界，以东称为东洋，以西称为西洋，故过去所称南海、西南海之处，明朝称为东洋、西洋，且暹罗湾之海，称为涨海。 随着人们对地球和科学知识的不断认识和探索，相继经历了天体导航，磁针（罗盘仪）导航，惯性导航，无线电导航等。其中这主要的几种导航系统是相互发展，互相推进。目前主要的导航技术是将几种导航技术相互融合，避短求长使定位精度和实时性达到所需要求，为人类各项活动所服务。1.1. 天文导航在中国古籍中大量记
3、载了对天文导航应用于航海的历史事迹，从西汉的淮南子到晋代的抱朴子外篇嘉逐 ，直至北宋时期才出现一句“在阴天看指南针” 。大约在元明朝时期，我国的天文航海技术得到了很大的发展，可根据星宿位置来大致确定地理纬度，这是我国古代航海天文学的先驱。这种方法当时叫”牵星术” 。在明代时古代航海知识积累和应用达到了鼎盛。郑和七下西洋创造了世界航海史上的奇迹，完成了极其艰难复杂而又史无前例的航行。郑和七下西洋形成的一套行之有效的“过洋牵星”的航海技术。所谓“过洋牵星” ，是指用牵星板测量所在地的星辰高度，然后计算出该处的地理纬度，以此测定船只的具体航向。这种航海技术是郑和船队在继承中国古代天体测量方面所取得的
4、成就的基础上，创造性地应用于航海，从而形成了一种自成体系的先进航海技术，从而使中国当时天文航海技术达到了相当高的水平，这个水平代表了15 世纪初天文导航的世界水平。欧洲在 15 世纪以前仅能白昼顺风沿岸航行。15 世纪出现了用北极星高度或太阳中天高度求纬度的方法，当时只能先南北向驶到目的地的纬度，再东西向驶抵目的地。16 世纪虽然已有观测月距（月星之间角距）求经度法，但不够准确，而且解算繁冗。18 世纪的六分仪和天文钟的问世，前者用于观测天体高度，大大提高了准确性；后者可以在海上用时间法求经度。1837 年美国船长T.H.萨姆纳发现天文船位线，从此可以在海上同时测定船位的经度和纬度，奠定了近代
5、天文定位的基础。1875 年法国海军军官圣伊芙尔发明截距法，简化了天文定位线测定作业，至今仍在应用。天文导航是根据天体来测定飞行器位置和航向的导航技术即以天体为参考点，确定飞行器在空中的真航向。天体的坐标位置和它的运动规律是已知的，利用天体敏感器测量天体相对于飞行器参考基准面的高度角和方位角就可以计算出飞行器的位置和航向。天文导航系统不需要其他地面设备的支持，是自主式导航系统。不受人工或自然形成的电磁场的干扰，不向外辐射电磁波，隐蔽性好，定位、定向的精度比较高，定位误差与定位时刻无关。在低空飞行时因受能见度的限制较少采用天文导航，但对于高空远程轰炸机、运输机和侦察机作跨越海洋、通过极地、沙漠上
6、空的飞行，天文导航则很适用。自主天文定位原理包括基于几何法的定位原理与基于轨道动力学方程的定位原理。其中几何法定位有基于等高圆的定位与基于纯天文几何解析法的定位方法。等高圆定位方法主要应用于航海和航空中对舰船、飞机的定位。 以地球球心为顶点，以 90-h 为锥心角，画圆锥；则定义改圆锥与半径为 R+H 的球面的交线形成的圆为等高圆。这两个圆一般可有两个交点，且该两点一般相距较远，可用先验知识进行排除，亦可再观测一个星体的高度角进行排除。由于天体在惯性空间中的任意时刻的位置可以通过查太阳历 、星历等信息获得，因此基于几何定位方法，通过航天器中天体敏感器（恒星敏感器、行星敏感器）观测到的天体方位信
7、息，就可以确定航天器在该时刻的姿态信息。但是要确定航天器在空间中的位置，则还需要获得已知的近天体的观测数据。1.2. 磁针导航众所周知，指南针是我国古代四大发明之一，以磁针导航亦创始于我国，但长期以来，史学界、科技界均未谈到以磁针导航始于何时，而只是说它最晚不迟于公元 11 世纪初年(北宋时)。磁体指向装置 (早期为勺形的司南)从发明到应用于船上的时间，竟然相距达一千年至一千三四百年之久，这不能不令人产生疑问。直到北宋时期才有诸于如下记载：1）北宋曾公亮于公 1044 年写成的武经总要 ，载有制造指南铁片浮鱼的方法：利用天然磁场，将剪成鱼形的薄铁片烧红，首尾正对南北，尾端略向下，蘸水淬火，冷却
8、而磁化，使之浮于水上，即可指南。这是全世界最早的利用地磁场磁化铁件的记载。并且在淬火时将向北的鱼尾向下倾斜，说明当时已意识到有地磁倾角。2）北宋沈括于公元 1063 年写成的梦溪笔谈记载，说明了利用天然磁石摩擦使针磁化的方法和磁化了的针具有指向性能，并且在全世界首先发现有地磁偏角。该书还记载了 3 种类型的指南针：以磁针横贯灯草芯浮于水上的针，用手指甲或碗边支托的针，用线悬挂的针。3）北宋朱事于公元 1119 年写成的萍洲可谈 ，载有其父在广州做官时见到的情况：“舟师识地理阴晦观指南针” 。 指南针及用指南针导航的技术于 12 世纪末传入欧洲为发展世界造船及航运事业为促进人类文明建立了永恒的历
9、史功勋。1.3. 惯性导航系统惯性导航（Inertial Navigation）是 20 世纪中期发展起来的完自主式的导航技术。通过惯性测量组件（IMU）测量载体相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动推算载体的瞬时速度和位置信息，具有不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、隐蔽性好的特点，且惯导系统能连续地提供载体的全部导航、制导参数（位置、线速度、角速度、姿态角） ，故广泛应用于航天、航空、航海领域，特别是军事领域。惯性导航系统的基本工作原理是以牛顿力学为基础，利用陀螺仪建立空间坐标基准（导航坐标系） ，经过两次积分运算，最终确定出载体的位置和速度等参数。优点：(1) 不
10、依赖于任何外部信息,自主性强，隐蔽性好且不受外界的电磁干扰；(2) 可全天候，全球，全时间工作于空中地表或水下；(3) 短期精度，稳定性好；(4) 导航信息连续性好，噪声低。缺点：(1) 定位误差随时间累计，长期精度差；(2) 需要较长的初对准时间；(3) 无法给出时间信息。按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式，可分为：平台式惯性导航系统(GINS)与捷联式惯性导航系统(SINS)。平台式惯性导航系统是将惯性器件安装在惯性平台上的台体上，惯性平台能够隔离载体的角运动和角振动，惯性器件工作环境较好，并且平台能够直接建立导航坐标系，计算量小，容易补偿和修正惯性器件的输出。但是，平台式惯性导航系统结
11、构复杂，体积质量大，价格昂贵。捷联惯性导航系统，没有物理平台，陀螺仪和加速度计直接安装在载体上，所以体积大大减小，成本降低。但由于直接承受载体振动和冲击，工作环境恶劣，使测量精度降低。同时，捷联惯性导航系统中加速度计输出的是沿载体坐标系的加速度分量，需要转换到导航坐标系下，从而加大了计算量。目前国际上捷联惯性导航系统正向高精度和低成本两个方向发展：基于高精度干涉光纤陀螺仪的捷联惯性导航系统与基于低成本 MEMS/MOEMS 陀螺仪的捷联惯性导航系统。1.4. 无线电导航无线电导航主要利用电磁波传播的基本特性：电磁波在在均匀理想媒质中，沿直线（或最短路径）传播;电磁波在自由空间的传播速度是恒定的
12、；电磁波在传播路线上遇到障碍物或在不连续媒质的界面上时会发生反射。无线电导航就是利用上述特性，通过无线电波的接收、发射和处理，导航设备能测量出所在载体相对于导航台的方向、距离、距离差、速度等导航参量（几何参量） 。通过测量无线电导航台发射信号(无线电电磁波)的时间、相位、幅度、频率参量可确定运动载体相对于导航台的方位、距离和距离差等几何参量，从而确定运动载体与导航台之间的相对位置关系，据此实现对运动载体的定位和导航。其中，以应用最为广泛的卫星导航最为典型，目前以美国的 GPS，欧洲的GALILEO，俄罗斯的 GLONASS 以及中国的北斗（BDS ） 。导航台站的安装点将导航系统分成地基系统、
13、空基系统和星基系统。分类如图 1 所示：图 1 无线电导航分类奥米加导航系统：工作原理是，电波的行程差和相位差有确定的关系，测定两个台发射的信号的相位差，就得到飞行器到两个地面台的距离差。对应恒定相位差（即恒定距离差）的点的轨迹是一条以这两个地面台为焦点的双曲线位置线。同理，由另一对地面台得到另一条双曲线。根据这两条双曲线的交点即可定出飞行器的位置。多普勒导航系统：是利用多普勒效应测定多普勒频移，从而计算出飞机当无线电导航 陆 基 系 统空 基 系 统星 基 系 统 塔 康 (TACN)系 统伏 尔 /地 美 依 (VOR/ME)系 统无 线 电 信 标 系 统 BS罗 兰 C (LORAN-
14、C )奥 米 加 omega系 统导 航 雷 达着 陆 引 导 系通 讯 、 导 航 、 识 别 综 合 系 统 (CNI)子 午 仪 (TRANSIT)卫 星 导 航 系 统多 卜 勒 导 航 系 统 (D NS)卫 星 导 航 全 球 定 位 系 统 (GPS)时的速度和位置来进行导航。多普勒雷达测得的飞机速度信号与航向姿态系统测得的飞机航向、俯仰、滚转信号一并送入导航计算机，计算出飞机的地速（见飞行速度）矢量并对地速进行连续积分等运算，得出飞机当时的位置。利用这个位置信号进行航线等计算，实现对飞机的引导。多普勒导航系统的工作原理属于导航方法的航位推算法。 1.5. 匹配导航匹配导航可分为
15、地形匹配系统与景象匹配系统。地形匹配系统又称地形辅助导航系统。它以地形轮廓线(等高线)为匹配特征，在飞行器预定航迹所经过的地区选择若干区配区，绘制成很多长方形的地图（例如宽 2 公里、长 10 公里的图）,再将其分隔成许多小方块(100100 米)，在各个小方块内，预先测出该地区的平均标高，就得到以标高为特征的数字地图，将其存储在飞行器计算机内作为参考图。飞行时，飞行器上的俯视雷达高度表实时地测出航迹经过匹配地区的高度,并与参考图相比较,即可确定飞行器实际航迹对预定航迹的偏差。景象匹配，指两个不同传感器对从同一景物获取的两幅图像在空间上进行对准，确定两者之间相对位移的过程。景象匹配导航系统主要
16、由高精度地形景象数字地图、机载图像传感器、执行匹配算法的计算机组成。在精确制导武器应用中，常常将预先拍摄到的地面景象照片，按照象素尺寸制成数字化地图，在导弹执行任务之前制定飞行路线，选择响应区域范围的景象作为基准图存入弹载匹配计算机中。如果该基准图景象特征明显，便于导弹准确匹配定位，则称之为匹配区。当导弹飞到预定位置时，弹上摄像机拍摄正下方地面的图像，并按象点尺寸、飞行高度和视场等参数生成一定大小的实时图，也送到匹配计算机中。在匹配计算机中，进行实时图与基准图的相关比较，找出两者的位移。景象匹配导航系统整个运行过程完全自主。既不需要外来指令，也不向指挥部报告信息。因此该系统不仅对提高飞行器的隐
17、蔽性大有帮助，而且具有较强的抗电子干扰能力。当然，景象匹配导航系统的最大优势还在于他的精确性，便于实施精准打击。1.6. 组合导航1.6.1. 惯性导航/天文导航组合在 INS/GNSS 组合中，GNSS 易受外界干扰，在军事应用中其精度和可靠性难以保障，且该组合系统对方为测量的精度较低。INS/CNS 组合导航系统是一种利用天体测量信息和惯性测量信息获取高精度导航参数的资助导航系统，具有自主性强、姿态精度高的特点。采用 INS/CNS 组合，实现优势互补、协同超越，具有以下几个优点：a) 在 INS 性能一定的情况下，加入 CNS，可提高导航精度。b) 可降低对器件的要求。c) 利用 CNS
18、 信息修正初始时刻的位置误差，可放宽初始对准要求，这对弹道导弹机动发射和水下发射尤为重要。惯性/天文组合导航工作模式分为：全平台模式，平台惯性导航与捷联星敏感器模式，捷联惯性导航与平台星敏感器模式，全捷联模式。全平台模式采用平台式惯导和跟踪特定恒星的星敏感器（又称星跟踪器） 。其特点是星敏感器跟踪特定的恒星获取载体姿态，不受载体振动影响，测量精度较高，但系统结构，驱动电路等都比较复杂。比较典型的是美国三叉戟 IC4导弹所用的 MK5 惯性/星光组合系统。平台惯性导航与捷联星敏感器模式采用平台式惯导，星敏感器直接固连在载体上，无需平台跟踪。这种方案中星敏感器的光轴指向随载体变化而变化，所以星敏感
19、器需要进行星图识别，视场一般在 10以上。由于星敏感器工作在动态环境中，载体振动影响其测量精度，对星敏感器的动态性能要求较高。典型的应用是哥伦比亚号航天飞机的惯性/星光制导系统。捷联惯性导航与平台星敏感器模式采用捷联式惯导和跟踪特定恒星的星敏感器。随着各种新型陀螺仪及加速度计的出现，捷联惯性导航系统更具有竞争力。但由于采用跟踪特定恒星的星敏感器，系统仍存在结构复杂及驱动电路设计困难不足。全捷联模式即惯性导航系统和星敏感器都采用捷联的方式安装，是一种最灵活的工作模式。此模式相比其他三种更有发展前景，是惯性/天文组合的重要发展方向。惯性/天文组合导航组合方式分为简单组合方式，浅组合方式与深度组合方
20、式。简单组合方式是目前应用最广泛的惯性/天文组合导航方式。这种组合模式在国内外已得到广泛应用，如美国 B-2 轰炸机上配套的 NAS-26 惯性/ 星光组合导航系统。惯导系统独立工作，提供姿态、位置、速度等各种导航数据；星光导航系统解算出所需的姿态和位置，直接对惯导系统输出的位置、姿态信息进行校正。浅组合方式利用星光导航系统在水平基准辅助的条件下精确提供姿态、位置等信息，与惯性导航系统解算出的姿态位置信息进行组合，全面估计系统误差，不仅可以校正位置姿态误差，补偿惯性器件误差，而且可以补偿初始对准等其它因素引起的误差1.6.2. 惯性导航/多普勒导航组合多普勒计程仪利用反射回声波的多普勒频移能够
21、测量水面或者是水下航行器相对水底的绝对速度或者是水流的相对速度, 具有一定的实时性和自主性。利用多普勒计程仪的速度误差不随时间积累的特性，与惯导系统构成组合导航系统，是提高导航系统精度的有效途径。 尤其对于水下或水面航行体无法接收卫星导航信号的情况下进行组合导航, 具有一定的工程应用价值。多普勒计程仪有测速精度高的优点，所以可以用它测出的速度信息进行辅助动基座对准。首先，惯导系统利用地球自转角速率和重力加速度进行自主式粗对准。然后把多普勒计程仪测量的速度与惯导的速度匹配，利用 Kalman 滤波器对状态进行估计，并根据状态估计值对惯导系统进行修正，完成惯导系统的初始对准。将惯性导航系统和多普勒
22、测速仪进行组合，通过 Kalman 滤波器进行信息融合，并利用其输出的参数误差估计值直接校正系统输出的导航参数,构成具有高精度、高可靠性、高自主性的功能完善的水下组合导航系统。1.6.3. SINS/陆基无线电组合导航系统陆基导航定位系统由信号接收设备和地面应答站两部分组成。信号接收设备主要有测距机、前置放大器、宽带天线和高频电缆等组成。测距机负责产生无线测距信号，接受地面站的应答并对其进行处理，完成测距和定位解算；前置放大器负责将接收的地面站应答信号进行放大处理，然后发送给测距机；宽带天线负责接收和发送工作频带范围内的无线测距信号，并保证一定的增益。陆基无线电导航的基本工作原理为：测距机发出
23、测距信息，地面应答站在收到该信息后做出响应，以约定的频率回送测距信号，测距机根据发出测距信息的时间和收到应答信息的时间计算出导弹与地面应答站间的距离。通过对三个地面站的测距，可以得到关于位置的三元二次联立方程组，解算出测距机所在位置的 XYZ 坐标，从而实现定位。陆基无线电导航系统可以对一定区域内的动态用户提供连续的三维定位，但随着定位精度要求越来越高，经典导航定位方法的解算方法不再容易达到。为了有效地减小用户运动及测量误差引起的定位误差，提高接收机的跟踪精度，将卡尔曼滤波算法引入陆基无线电导航系统定位解算中。因此，利用陆基导航系统的定位精度稳定性来修正捷联惯导，将两种导航系统进行组合，可以得
24、到很好的效果。总结自中国古代的星历导航到指南针航海导航的出现到后现代的以 GPS 为主要代表的无线电卫星导航，其中包含诸如声学导航，磁导航，天文导航等特殊用途的导航系统。导航技术得到了飞速发展，但随着各行各业对定位导航要求不断提高，各导航技术自身也存在自身的缺陷，组合导航自然成为了目前广泛运用的技术，把几种不同的单一系统组合在一起，就能利用多种信息源，互相补充，构成一种有多余度和导航准确度更高的多功能系统。参考文献1 陈义，程言.天文导航的发展历史、现状及前景.四川：武汉理工大学航运学院，中国水运，20062 文尚光.磁振导航的最初尝试.四川：武汉水运工程学院，武汉水运工程学院学报 .1994，3 :13熊永良. 导航定位技术概论. 北京：国防科技大学出版社， 20114 胡伍生，高成发.组合导航技术基础及应用. 北京：人民交通出版社， 20045 张华海，郑南山，王军，李景芝. 由空间直角坐标计算大地坐标的简便公式 .全球定位系统. 2002，4:9-12
