鄭 辛，楊 林

（1．航天科工集團(tuán)三院，北京 100074;2．成都天奧電子股份有限公司，成都 611731）

0 引言

導(dǎo)航、定位與授時(shí)既是一項(xiàng)傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)，也是代表當(dāng)代科技發(fā)展水平的前沿技術(shù)。從古代的觀星定位和指南針，到如今的慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等，導(dǎo)航、定位與授時(shí)已深入國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)防安全等各個(gè)領(lǐng)域，是重要的國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)，并且作為國(guó)家戰(zhàn)略前沿技術(shù)不斷發(fā)展。

導(dǎo)航是指通過(guò)測(cè)量并輸出載體的運(yùn)動(dòng)速度和位置，引導(dǎo)載體按要求的速度和軌跡運(yùn)動(dòng)［1］。導(dǎo)航方法很多，按獲得導(dǎo)航信息的技術(shù)不同可分為慣性導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等。定位是指以標(biāo)準(zhǔn)大地坐標(biāo)系為參照，按照用戶規(guī)定的實(shí)時(shí)性要求，提供精確的二維或三維位置［2］。授時(shí)是指通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)或者定制的接口和協(xié)議，為其它設(shè)備或系統(tǒng)提供時(shí)間信息。目前世界各國(guó)都采用原子鐘來(lái)產(chǎn)生和保持標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，即時(shí)間基準(zhǔn)。授時(shí)系統(tǒng)通過(guò)短波、長(zhǎng)波、電話網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等手段和媒介將時(shí)間基準(zhǔn)送達(dá)用戶，目前應(yīng)用最為廣泛和可靠的授時(shí)手段是衛(wèi)星授時(shí)。

精確制導(dǎo)武器裝備、智能化交通運(yùn)輸系統(tǒng)、數(shù)字化地球均需要導(dǎo)航、定位與授時(shí)技術(shù)，同時(shí)，現(xiàn)代通信網(wǎng)、電力網(wǎng)、全球一體化金融體系也越來(lái)越依賴精確時(shí)間和頻率。2008年，美國(guó)發(fā)布了《國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)體系結(jié)構(gòu)研究報(bào)告》，隨后啟動(dòng)了國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)體系建設(shè)計(jì)劃，將定位導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。

從現(xiàn)代化國(guó)家的大系統(tǒng)工程角度考慮，導(dǎo)航、定位與授時(shí)技術(shù)作為國(guó)家科技基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，對(duì)整體社會(huì)的支撐幾乎是全方位的。

1 慣性導(dǎo)航技術(shù)

慣性導(dǎo)航是指通過(guò)慣性測(cè)量獲得載體的加速度矢量信息，結(jié)合給定初始條件 （初始位置、速度矢量等）和已知數(shù)據(jù) （重力、時(shí)間等）解算及提供導(dǎo)航參數(shù)的導(dǎo)航方式［3］。慣性導(dǎo)航是最典型的自主式導(dǎo)航方式之一，不需要地面及其它外部設(shè)備的輔助，慣性導(dǎo)航具有自主、連續(xù)、隱蔽的特點(diǎn)，是無(wú)環(huán)境限制的載體運(yùn)動(dòng)信息感知技術(shù)，是現(xiàn)代精確導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的核心信息源。

慣性導(dǎo)航與慣性儀表、慣性制導(dǎo)、慣性測(cè)量及慣性穩(wěn)定等統(tǒng)稱慣性技術(shù)。1907年，德國(guó)科學(xué)家安修茨制造了第一個(gè)實(shí)用化陀螺。1949年，美國(guó)麻省理工學(xué)院Draper實(shí)驗(yàn)室研制出第一套平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)［4］。隨著物理學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)，在材料、電子、精密加工等技術(shù)發(fā)展的支持下，慣性技術(shù)取得了快速發(fā)展，并在國(guó)防軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如在航天領(lǐng)域，美國(guó)霍尼韋爾公司的“Spirit”慣性參考單元用于航天器姿態(tài)控制與指向，采用4軸全冗余捷聯(lián)式慣測(cè)單元，可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性達(dá)15年;在航空領(lǐng)域，美國(guó)諾斯羅普·格魯曼公司的LN100G激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，裝備于“全球鷹”無(wú)人機(jī)和F－22戰(zhàn)機(jī)等，導(dǎo)航精度0.6 n mile/h;在航海領(lǐng)域，法國(guó)iXSea公司的MARINS光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，裝備于英國(guó)海軍攻擊核潛艇和英國(guó)新一代航母，導(dǎo)航精度1 n mile/24 h;在制導(dǎo)彈藥領(lǐng)域，霍尼韋爾和羅克韋爾·科林斯合作研制的IGS－2/3××系列微慣性/衛(wèi)星深組合系統(tǒng)抗寬帶白噪聲干擾能力達(dá)到88 dB以上，具備耐15750g以上沖擊能力;在測(cè)量測(cè)繪領(lǐng)域，加拿大 Applanix公司的 POS AV610，后處理定位精度可達(dá)0.05m;在消費(fèi)電子領(lǐng)域，意法半導(dǎo)體公司的 MEMS加速度計(jì)LIS344AHH，具有±18g量程、高帶寬、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，用于可穿戴電子產(chǎn)品、機(jī)器人等。

經(jīng)過(guò)近百年的時(shí)間，慣性技術(shù)發(fā)展形成了基于經(jīng)典牛頓力學(xué)的機(jī)械式、基于Sagnac效應(yīng)的光學(xué)式、基于哥式振動(dòng)效應(yīng)的微機(jī)電式以及以原子干涉和原子自旋陀螺為代表的量子式慣性儀表。以牛頓經(jīng)典力學(xué)原理為基礎(chǔ)，靜電陀螺、三浮陀螺、動(dòng)力調(diào)諧陀螺、陀螺擺加速度計(jì)、機(jī)械擺加速度計(jì)等為代表的第一代慣性儀表，具有精度高、技術(shù)成熟的特點(diǎn)，典型精度覆蓋戰(zhàn)略至導(dǎo)航級(jí)領(lǐng)域，其高端產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程轟炸機(jī)、核潛艇、航母等戰(zhàn)略級(jí)武器系統(tǒng)及作戰(zhàn)平臺(tái)，但存在體積大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用維護(hù)難度大等問(wèn)題?；赟agnac效應(yīng)的激光陀螺和光纖陀螺作為第二代慣性儀表的主要代表，具有無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)子、動(dòng)態(tài)適應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，典型精度覆蓋導(dǎo)航至戰(zhàn)術(shù)級(jí)領(lǐng)域，已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、陸用戰(zhàn)車等武器系統(tǒng)及作戰(zhàn)平臺(tái)，并且隨著技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)開(kāi)始逐步向戰(zhàn)略級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。微機(jī)電陀螺和微機(jī)電加速度計(jì)作為第三代慣性儀表的主要代表，主要應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)級(jí)精度 （10（°）/h、1mg）領(lǐng)域，具有體積小、成本低、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速，并且已開(kāi)始在精確制導(dǎo)彈藥、小型無(wú)人機(jī)等新型戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，進(jìn)一步提高精度是其面臨的主要問(wèn)題?；谠幼孕驮痈缮嬖淼牡谒拇孔討T性技術(shù)，進(jìn)展迅猛，在超高精度導(dǎo)航和小型低成本導(dǎo)航級(jí)領(lǐng)域具有巨大潛力，核磁共振陀螺已經(jīng)從原理樣機(jī)的狀態(tài)走出，偏值穩(wěn)定性已達(dá)到0.02（°）/h，標(biāo)志著慣性技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入量子時(shí)代。

2 無(wú)線電導(dǎo)航技術(shù)

無(wú)線電導(dǎo)航是指載體借助于無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備，確定自己在指定坐標(biāo)系中的位置，引導(dǎo)載體沿預(yù)定航線航行的技術(shù)手段［1］。無(wú)線電導(dǎo)航具有不受晝夜和氣象條件限制、全天候工作、定位精度高、可附帶廣播和通信功能的特點(diǎn)。無(wú)線電導(dǎo)航分為導(dǎo)航臺(tái)定位導(dǎo)航和自主無(wú)線電導(dǎo)航，其中，導(dǎo)航臺(tái)定位導(dǎo)航是指載體借助于攜帶的導(dǎo)航接收機(jī)接收導(dǎo)航臺(tái)播發(fā)的無(wú)線電信號(hào)，利用電波傳播的直線性、恒速性和多普勒效應(yīng)，測(cè)量相對(duì)于導(dǎo)航臺(tái)的方向、距離、速度，解算載體在指定坐標(biāo)系的位置和引導(dǎo)載體航行;自主無(wú)線電導(dǎo)航是指載體僅借助自己攜帶的導(dǎo)航設(shè)備，測(cè)量其相對(duì)于地面或其他目標(biāo)的方向、距離、速度，進(jìn)行定位導(dǎo)航。

無(wú)線電導(dǎo)航典型代表包括:伏爾/地美伊（VOR/DME）［5］、塔 康 （TACAN）［6］、增 強(qiáng) 羅 蘭（eLORAN）［7］、奧米伽 （Omega）［8］等近、遠(yuǎn)程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng);無(wú)線電高度表、氣象雷達(dá)、多普勒導(dǎo)航［9］等自主導(dǎo)航系統(tǒng);GPS、GLONASS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等全球或區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［10］。

衛(wèi)星導(dǎo)航是導(dǎo)航臺(tái)定位導(dǎo)航的典型代表。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為當(dāng)前獲取時(shí)空信息的關(guān)鍵手段，其發(fā)展與應(yīng)用為導(dǎo)航、定位與授時(shí)帶來(lái)了革命性的變化，已成為無(wú)處不在的導(dǎo)航、定位與授時(shí)信息源，廣泛應(yīng)用于武器裝備和作戰(zhàn)平臺(tái)中，給作戰(zhàn)模式帶來(lái)了顯著的變革。憑借衛(wèi)星導(dǎo)航的高精度導(dǎo)航、定位與授時(shí)功能，一方面實(shí)現(xiàn)了指揮系統(tǒng)、偵察探測(cè)系統(tǒng)、武器平臺(tái)以及以“單兵”為代表的作戰(zhàn)單元在時(shí)間和空間上的高度協(xié)調(diào)，提升了體系化作戰(zhàn)能力;另一方面大幅度提高了導(dǎo)彈、制導(dǎo)炮彈的命中精度，提升了武器作戰(zhàn)效能。在民用方面，衛(wèi)星導(dǎo)航在個(gè)人/車輛導(dǎo)航、移動(dòng)通訊、電力等領(lǐng)域均發(fā)揮重要作用。

目前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有美國(guó)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、歐洲GALILEO衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、印度IRNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及日本QZSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于20世紀(jì)70年代開(kāi)始建設(shè)，1993年前后投入使用，可提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，是當(dāng)前軍、民領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，也是最為成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)全球性導(dǎo)航系統(tǒng)，具備定位、測(cè)速、授時(shí)、雙向短報(bào)文及通信功能。2012年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)，服務(wù)區(qū)域覆蓋東經(jīng)55度到180度，定位精度水平10 m、高程10 m;測(cè)速精度0.2 m/s;授時(shí)精度達(dá)到單向50 ns［11］。預(yù)計(jì)2020年北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)建成后，由5顆地球同步軌道衛(wèi)星 （GEO）、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星 （IGSO）和27顆中軌道衛(wèi)星（MEO）組網(wǎng)，在B1、B2和B3三個(gè)頻點(diǎn)上提供衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，其中B3頻點(diǎn)在戰(zhàn)時(shí)具有信號(hào)增強(qiáng)功能，能夠提高應(yīng)用的可靠性和安全性。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成和使用標(biāo)志著我國(guó)天基導(dǎo)航定位與授時(shí)能力全面建立，對(duì)我國(guó)國(guó)家導(dǎo)航定位與授時(shí)體系產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航的全面應(yīng)用，衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾能力日益受到重視，自適應(yīng)濾波、數(shù)字波束形成、慣性輔助深組合等技術(shù)［12］陸續(xù)取得突破。綜合采用上述技術(shù)的一體化、高動(dòng)態(tài)、高抗干擾衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在美國(guó)已經(jīng)投入使用［13］，綜合抗干擾能力優(yōu)于100dB。典型抗干擾產(chǎn)品包括:雷神系統(tǒng)公司AGR抗干擾接收機(jī)，應(yīng)用于戰(zhàn)斧系列巡航導(dǎo)彈;霍尼韋爾公司IGS－250深組合慣性/GPS系統(tǒng)，應(yīng)用于無(wú)人機(jī)和制導(dǎo)武器。

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是高動(dòng)態(tài)、抗干擾、小型化，隨著電子、材料共性基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微型化。

3 景像匹配導(dǎo)航技術(shù)

景像匹配導(dǎo)航是指利用載體高分辨率雷達(dá)或光電圖像傳感器實(shí)時(shí)獲取地面景物圖像，與預(yù)先存儲(chǔ)的二維景像數(shù)字地圖相比較，確定載體位置的技術(shù)手段。景像匹配導(dǎo)航屬于數(shù)據(jù)庫(kù)參考導(dǎo)航，具有定位精度高的特點(diǎn)，尤其適用于景像特征明顯的地區(qū)。在1990年初的“海灣戰(zhàn)爭(zhēng)”中，美軍“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈就應(yīng)用光學(xué)景像匹配導(dǎo)航技術(shù)出色地完成了對(duì)伊拉克地面目標(biāo)的精確打擊任務(wù)。

合成孔徑雷達(dá) （SAR）是一種基于距離和方位二維分辨原理的成像雷達(dá)［14］，能在能見(jiàn)度極差的氣象條件下，提供類似于光學(xué)照相的高分辨率圖像。隨著SAR技術(shù)的不斷發(fā)展，基于SAR的景像匹配導(dǎo)航技術(shù)日益成熟。SAR景像匹配導(dǎo)航利用實(shí)時(shí)SAR圖像信息與事先準(zhǔn)備好的數(shù)字地圖或景像信息進(jìn)行比較和辨識(shí)，從而確定載體位置［15］，具有圖像分辨率高、穿透屏蔽成像、適應(yīng)全天候和全天時(shí)導(dǎo)航應(yīng)用等特點(diǎn)。

俄羅斯白楊－M地對(duì)地洲際導(dǎo)彈，射程20000km，采用SAR景像匹配，打擊精度優(yōu)于60 m（CEP）。美國(guó)洛拉爾公司的SAR導(dǎo)引頭，采用平板陣列天線，可向側(cè)面旋轉(zhuǎn)或向側(cè)前方直視，既可用于中段匹配導(dǎo)航，也可在導(dǎo)彈臨近目標(biāo)時(shí)提供具有較好分辨率的目標(biāo)SAR圖像，提高打擊精度。

景像匹配導(dǎo)航的發(fā)展方向是:快速高品質(zhì)實(shí)時(shí)成像、慣性輔助動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償以及基于特征提取與識(shí)別的同/異類圖像匹配。

4 地形匹配導(dǎo)航技術(shù)

地形匹配導(dǎo)航是指載體飛越特定地區(qū) （稱為匹配區(qū)）時(shí)，利用地形特征傳感器 （如雷達(dá)高度表、大氣傳感器等）對(duì)載體下方的地形剖面或者其他特征進(jìn)行采樣，將得到的數(shù)據(jù) （實(shí)時(shí)圖）在預(yù)存的地形數(shù)據(jù) （基準(zhǔn)圖）中搜索出最佳擬合的地形特征，從而實(shí)現(xiàn)載體導(dǎo)航定位。地形匹配導(dǎo)航具有自主、隱蔽、連續(xù)、全天候等優(yōu)點(diǎn)，在精確制導(dǎo)方面得到廣泛應(yīng)用［16］。

地形匹配產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代，是提高航空機(jī)種戰(zhàn)斗力和導(dǎo)彈打擊精度的重要手段之一。英國(guó)BAE公司TERPROM系統(tǒng) （地形匹配剖面系統(tǒng)）是世界領(lǐng)先的數(shù)字地形系統(tǒng)，已應(yīng)用于14個(gè)國(guó)家的多種飛機(jī)平臺(tái) （轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和直升機(jī)），水平定位精度10～25 m，垂直定位誤差1～5 m［17］。

地形匹配導(dǎo)航的發(fā)展趨勢(shì)是利用可視化3D地形匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于地形跟蹤的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航，特別適用于航空領(lǐng)域，還可利用海底的地形起伏為潛艇、水下潛行器等水下應(yīng)用提供自主性導(dǎo)航，具有很高的軍、民用價(jià)值。

5 天文導(dǎo)航技術(shù)

天文導(dǎo)航是指以已知準(zhǔn)確空間位置的、不可毀滅的自然天體 （月球、地球、太陽(yáng)、其他行星和恒星等）為基準(zhǔn)，并通過(guò)光電或射電方式被動(dòng)探測(cè)天體位置，解算測(cè)量點(diǎn)經(jīng)度、緯度、航向和姿態(tài)等信息的技術(shù)手段［18］。天文導(dǎo)航是一種既傳統(tǒng)、又前沿的自主導(dǎo)航技術(shù)。早在元代，航海家已掌握“牽星術(shù)”，通過(guò)觀測(cè)星的高度來(lái)定位。目前，天文導(dǎo)航在航天、航空和航海領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，具有被動(dòng)式隱蔽測(cè)量、全自主導(dǎo)航、長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航精度高的特點(diǎn)，適合長(zhǎng)時(shí)間自主運(yùn)行和導(dǎo)航定位精度要求較高的領(lǐng)域，如遠(yuǎn)程偵察機(jī)、轟炸機(jī)、衛(wèi)星、飛船、空間站、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、艦船、潛艇等。

20世紀(jì)50年代以來(lái)，國(guó)外開(kāi)始利用星光導(dǎo)航設(shè)備得到的精確位置和航向數(shù)據(jù)來(lái)校正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或輔助其進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于機(jī)動(dòng)發(fā)射、水下發(fā)射的遠(yuǎn)程長(zhǎng)航時(shí)導(dǎo)彈以及高空長(zhǎng)航時(shí)飛機(jī)［19］。美國(guó)海軍三叉戟－ⅡD5潛射戰(zhàn)略導(dǎo)彈高精度制導(dǎo)系統(tǒng)MK6－LE，采用慣性星光組合導(dǎo)航方案，其制導(dǎo)精度約90m/8000km（CEP）。RC－135偵察機(jī)上的LN－120G高精度慣性/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)，位置精度 ［0.15+0.15（t）1/2］n mile，速度精度 ［0.37+0.12（t）］m/s，其中 t表示小時(shí)數(shù)。

天文導(dǎo)航的發(fā)展趨勢(shì)是:以X射線脈沖星導(dǎo)航為代表的新型天文導(dǎo)航技術(shù);以臨近空間高動(dòng)態(tài)和深空探測(cè)應(yīng)用為背景的天文導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域拓展。

6 地磁導(dǎo)航技術(shù)

地磁導(dǎo)航是指利用載體磁場(chǎng)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量載體所在磁場(chǎng)，與地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)相比較，確定載體位置的技術(shù)手段。地磁導(dǎo)航是一種無(wú)源自主導(dǎo)航方式，具有無(wú)源、無(wú)輻射、全天時(shí)、全天候、全地域的特征，在航天器定軌、水下自主導(dǎo)航、遠(yuǎn)程跨海飛行器自主導(dǎo)航等領(lǐng)域體現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)E－systems公司提出了基于地磁異常場(chǎng)等值線匹配的MAGCOM系統(tǒng)［20］。20世紀(jì)80年代，瑞典Lund學(xué)院開(kāi)始研究地磁導(dǎo)航技術(shù)，提出了“磁地形導(dǎo)航”概念［21］。NASA Goddard空間中心針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航等空間應(yīng)用開(kāi)展了地磁導(dǎo)航研究［22］。俄羅斯SS19導(dǎo)彈采用地磁等高線制導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈變軌制導(dǎo)，以增強(qiáng)突防能力，對(duì)抗美國(guó)反彈道導(dǎo)彈攔截系統(tǒng)。

地磁導(dǎo)航的發(fā)展趨勢(shì)是提升磁傳感器水平和地磁信息圖精度，加強(qiáng)外干擾場(chǎng)補(bǔ)償技術(shù)研究，持續(xù)提升導(dǎo)航精度和技術(shù)成熟度，實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。

7 重力導(dǎo)航技術(shù)

重力導(dǎo)航是指利用載體重力/重力梯度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量載體所在重力場(chǎng)，并通過(guò)重力圖匹配實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的技術(shù)手段。重力導(dǎo)航是從重力測(cè)量、重力異常和垂線偏差測(cè)量與補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，具有精度高、不受時(shí)間限制、無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)，主要用于潛艇等戰(zhàn)略平臺(tái)的自主導(dǎo)航。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)海軍為了提高三叉戟彈道導(dǎo)彈潛艇性能，開(kāi)始重力導(dǎo)航研究。20世紀(jì)80年代中期以前，研究主要集中在運(yùn)動(dòng)基座重力梯度儀、重力輔助導(dǎo)航原理、匹配理論。W.G．Heller提出了重力梯度儀輔助導(dǎo)航［23］，奠定了重力導(dǎo)航研究的基礎(chǔ)。90年代前后，貝爾航空公司成功研制了旋轉(zhuǎn)式重力梯度儀，利用重力圖匹配技術(shù)改善慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能。貝爾實(shí)驗(yàn)室成功開(kāi)發(fā)了重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)［24］，導(dǎo)航精度6～305 m（CEP）。美國(guó)俄亥俄級(jí)導(dǎo)彈核潛艇采用靜電陀螺慣性平臺(tái)及慣性/重力匹配組合導(dǎo)航系統(tǒng)，定位精度0.2 n mile/d，重調(diào)周期10～14 d。90年代后期，洛克希德·馬丁公司成功研制通用重力模塊 （Universal Gravity Module，UGM）［25］。該系統(tǒng)提供無(wú)源重力導(dǎo)航和地形估計(jì)，可直接應(yīng)用于現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)。美國(guó)海軍在1998年和1999年分別在水面艦船和潛艇上對(duì)UGM進(jìn)行了演示驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用重力圖匹配技術(shù)，可將導(dǎo)航系統(tǒng)誤差降低至導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)稱誤差的10%。

重力導(dǎo)航的發(fā)展趨勢(shì)是重力傳感器向高精度、小體積、輕質(zhì)方向發(fā)展;單軸傳感器向三軸集成傳感器發(fā)展;重力圖采用衛(wèi)星測(cè)高反演、航空重力測(cè)量和地面點(diǎn)測(cè)等多種重力測(cè)量手段綜合應(yīng)用，滿足高精度導(dǎo)航基準(zhǔn)需求;系統(tǒng)向通用化方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域從最初的彈道導(dǎo)彈核潛艇將逐漸擴(kuò)展到航空、陸地車輛和地質(zhì)勘探等。

8 生物導(dǎo)航技術(shù)

生物導(dǎo)航是指利用生物的五種感知能力 （立體視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)和味覺(jué)）進(jìn)行自主導(dǎo)航［26］，從而在復(fù)雜和不斷變化的環(huán)境中為智能自主運(yùn)載器或移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航與定位。

立體視覺(jué)是指進(jìn)行三維觀測(cè)或者同時(shí)觀測(cè)長(zhǎng)度、寬度和距離的能力。Marr創(chuàng)立的視覺(jué)計(jì)算理論是立體視覺(jué)發(fā)展的重要里程碑［27］。立體視覺(jué)導(dǎo)航采用光學(xué)傳感器，利用自適應(yīng)學(xué)習(xí)型視覺(jué)算法，具備晝夜和全天候的基于視覺(jué)的自主導(dǎo)航能力，供智能自主運(yùn)載器或移動(dòng)機(jī)器人使用，可實(shí)現(xiàn)小于10m（CEP）的導(dǎo)航精度。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制的“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星機(jī)器人配備9臺(tái)攝像機(jī)，其中2臺(tái)用于視覺(jué)導(dǎo)航，4臺(tái)用于避障［28］。JPL的 DEMOIII軍用地面機(jī)器人［29］、Carnegie Mellon大學(xué)立體視覺(jué)無(wú)人駕駛車［30］采用立體視覺(jué)系統(tǒng)等導(dǎo)航設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)在各種復(fù)雜道路環(huán)境下的自主行駛。立體視覺(jué)導(dǎo)航的核心是立體圖像匹配，在結(jié)構(gòu)化環(huán)境 （如室內(nèi)）中，由于存在比較規(guī)則的邊緣線條、紋理等特征信息，因此主要采用機(jī)遇特征的立體匹配方法。在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，由于受環(huán)境因素的影響，特征難于提取，因此主要采用基于區(qū)域的匹配方法。

聲音導(dǎo)航是指通過(guò)辨識(shí)目標(biāo)特定的聲音類型（語(yǔ)音或其他特有聲音特征）自主導(dǎo)向該聲源從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)30°內(nèi)確定方向以及優(yōu)于10 m（CEP）的導(dǎo)航精度，通常在黑暗或光線不佳環(huán)境下替代視覺(jué)導(dǎo)航，用于搜索和救援等。聲音導(dǎo)航的關(guān)鍵是聲源定位，利用聲音傳感器陣列獲取聲音信息后，采用信號(hào)處理技術(shù)對(duì)其處理分析，從而確定和跟蹤聲源。常用方法有時(shí)延估計(jì)法、高分辨率譜估計(jì)法、可控波束形成法等［31］。

氣味導(dǎo)航是通過(guò)化學(xué)傳感器感知?dú)馕兜臐舛?，根?jù)氣味的濃度和氣流的方向來(lái)控制載體的運(yùn)動(dòng)。氣味傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快以及魯棒性好等特點(diǎn)，可用來(lái)尋找化學(xué)藥品泄露源［32］。

生物導(dǎo)航研究正處于起步階段，多目立體視覺(jué)導(dǎo)航、偏振光導(dǎo)航、仿生復(fù)眼導(dǎo)航等新理念、新技術(shù)研究方興未艾。雖然大多數(shù)生物導(dǎo)航技術(shù)尚處于理論研究階段，但其能夠使智能自主運(yùn)載器或移動(dòng)機(jī)器人具備復(fù)雜和不斷變化環(huán)境的自主通過(guò)能力，具有寶貴的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

9 授時(shí)技術(shù)

授時(shí)就是將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間傳遞給用戶，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間統(tǒng)一的技術(shù)手段［33］。由于人類日常生活、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、科學(xué)試驗(yàn)、國(guó)防等都需要在統(tǒng)一的時(shí)間基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此需要建立標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生、保持、傳遞和使用的完整體系。獨(dú)立自主的時(shí)間體系甚至作為國(guó)家安全保障和綜合實(shí)力的體現(xiàn)，美國(guó)、俄羅斯、日本都分別建立了國(guó)家時(shí)間頻率體系，歐盟和我國(guó)也正在建立自己的時(shí)頻體系［34－36］。

1）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間:時(shí)間由周期運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)周期來(lái)衡量，時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了天文時(shí)和原子時(shí)。早期利用天體運(yùn)動(dòng)，如地球自轉(zhuǎn)周期 （日）的平均值——平太陽(yáng)日，作為世界時(shí) （UT0），1秒 =1/86400平太陽(yáng)日，以公元前4713年1月1日12時(shí)為計(jì)時(shí)起點(diǎn) （歷元），考慮到地極移動(dòng)引起的經(jīng)度變化，對(duì)UT0修正后成為UT1?，F(xiàn)今利用原子內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)的周期作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒，1秒定義為銫133原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷9192 631 770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間，稱為原子時(shí) （TAI），原子時(shí)從1958年1月1日0h0min0s（UT1）起算。為避免原子時(shí)與天文時(shí)因秒長(zhǎng)定義不一致而可能產(chǎn)生“晝夜顛倒”不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，原子時(shí)通過(guò)閏秒（快或慢1 s）以產(chǎn)生接近UT1的特殊原子時(shí)標(biāo)，這就是協(xié)調(diào)世界時(shí) （UTC）。UTC由國(guó)際計(jì)量局（BIPM）根據(jù)國(guó)際原子時(shí)數(shù)據(jù)給出，各地具有原子鐘的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室 （i）在參與國(guó)際原子時(shí)合作的基礎(chǔ)上給出地方時(shí)UTC（i）。

2）守時(shí):由于時(shí)間是流逝的，為保持時(shí)間坐標(biāo)不中斷，時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)必須永遠(yuǎn)不間斷地長(zhǎng)期連續(xù)工作，這就叫守時(shí)。國(guó)際守時(shí)由分布在全球42個(gè)國(guó)家共74個(gè)實(shí)驗(yàn)室的約400臺(tái)原子鐘組 （銫鐘或氫鐘）來(lái)執(zhí)行，他們定期向BIPM上報(bào)地方原子時(shí)數(shù)據(jù)，BIPM對(duì)每臺(tái)鐘給出統(tǒng)計(jì)權(quán)重，算出國(guó)際原子時(shí) （TAI）和協(xié)調(diào)世界時(shí) （UTC），并每月發(fā)布公告。由于時(shí)間是關(guān)乎國(guó)家安全的戰(zhàn)略資源，發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的管理。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院 （NIST）和美國(guó)海軍天文臺(tái) （USNO）來(lái)保持;俄羅斯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間由國(guó)防部、標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量委員會(huì)等九部委組成的委員會(huì)管理，由俄羅斯時(shí)間與空間計(jì)量研究所來(lái)保持;我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間由國(guó)家授時(shí)中心 （NTSC）、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 （NIM）和北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所 （BIRM）分別保持，“北斗”系統(tǒng)也有自己的獨(dú)立守時(shí)機(jī)構(gòu)。

3）授時(shí):國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的發(fā)播有天基系統(tǒng)（導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)）和地基系統(tǒng) （長(zhǎng)波/短授時(shí)、電視、廣播、網(wǎng)絡(luò)、電話等）及搬運(yùn)鐘 （現(xiàn)在已很少應(yīng)用）等主要傳遞方式。原則上搬運(yùn)授時(shí)精度最高，可以達(dá)到ns級(jí)，導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)可以達(dá)到50ns以下，長(zhǎng)波授時(shí)可以到μs級(jí)精度。

4）用時(shí):用戶利用接受到的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)來(lái)統(tǒng)一采取行動(dòng)，例如電力系統(tǒng)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度與故障定位，通信系統(tǒng)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)保障用戶分時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)資源，金融系統(tǒng)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)資金調(diào)撥與股票交易，軍事用戶用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)定時(shí)、定位、測(cè)速與導(dǎo)航。在信息化時(shí)代，不同用戶可以實(shí)時(shí)分享和交互帶有精密時(shí)間標(biāo)記的信息，并據(jù)此生成新的信息，實(shí)現(xiàn)協(xié)同與聯(lián)合，不僅可以提高活動(dòng)的精準(zhǔn)度，還可以大大提高效率與效能。

10 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)航、定位與授時(shí)作為歷史悠久且日新月異的技術(shù)，用統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)和空間坐標(biāo)系表示時(shí)間、空間信息，滿足國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域中陸、海、空、天用戶需求。

科學(xué)技術(shù)的迅猛進(jìn)展，將導(dǎo)航、定位與授時(shí)帶到了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)代。推進(jìn)導(dǎo)航、定位與授時(shí)體系建設(shè)，開(kāi)展導(dǎo)航、定位與授時(shí)技術(shù)研究，將產(chǎn)生顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有重要而深遠(yuǎn)的意義。

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