楊元喜

導航與定位若干注記

楊元喜1，2，3

(1.空間地理信息工程國家重點實驗室，西安 710054；2.西安測繪研究所 西安 710054；3.北京衛(wèi)星導航定位中心，北京 100094)

盡管導航與定位已經(jīng)深入到人們的日常生活，但是導航與定位的含義經(jīng)常被混淆，而且絕大多數(shù)教科書和文獻也沒有刻意區(qū)分這兩個既有聯(lián)系又有區(qū)別的概念。本文試圖分別給出導航與定位的定義與內(nèi)涵，討論導航與定位的聯(lián)系與區(qū)別，描述導航定位分類，簡述導航與定位的交叉發(fā)展史。試圖從學科發(fā)展、應用領域的發(fā)展討論導航定位涉及的研究內(nèi)容，側(cè)重討論導航與定位未來的重要研究方向。需要強調(diào)的是，本文只討論一般意義的導航與定位，盡管衛(wèi)星導航定位是重點描述內(nèi)容，但不特指目前快速發(fā)展的衛(wèi)星導航定位。

導航；定位；慣性導航；匹配導航；組合導航

0 引言

定位是人類社會活動、經(jīng)濟活動、軍事活動的重要支撐[1]。高精度定位是地球科學研究的基礎，內(nèi)部地球物理、地殼運動、海洋活動、地震等都需要毫米級精度的定位；邊界劃分、土地測量、工程建設等需要厘米甚至毫米級精度的定位。

日常生活中人們更需要連續(xù)實時導航定位。行人在陌生的城市、森林和無垠的沙漠戈壁需要導航、定位和定向，車輛行進在陌生的道路和城市需要參照、需要導航，艦船航行在浩瀚的海洋需要標志和定向指引，飛行器遨游太空也需要導航定位。

國防建設更離不開導航定位。軍事行動、指揮平臺、武器平臺等都需要導航定位的支持。

導航定位是信息技術(information technology，IT)和數(shù)據(jù)技術(data technology，DT)開發(fā)與應用的基礎。信息化社會中(無論是數(shù)字地球還是智慧城市)，約80%的信息都與空間和時間有關。于是，導航定位所提供的三維位置、三維速度和時間信息是信息化建設的重要內(nèi)容，也是數(shù)字地球、智慧城市建設十分重要的基礎。

涉及導航與定位的著作、文獻十分豐富，但是專門討論定位與導航的區(qū)別、聯(lián)系、發(fā)展歷程的文獻并不多。而且導航與定位概念經(jīng)常混淆。此外，在全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)發(fā)展之前，導航與定位分別附屬于不同學科?！岸ㄎ弧睂儆诖蟮販y量學科；“導航”盡管在航海、航空得到廣泛研究和應用，但是它一般屬于自動控制學科。衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)出現(xiàn)后，導航與定位的界限越來越模糊。從學科發(fā)展角度，嚴格的導航與定位的定義也需要加以規(guī)范化論述，尤其需要理清導航與定位的區(qū)別與聯(lián)系，討論其發(fā)展的關聯(lián)性。

1 導航定位定義及其分類

“定位”指的是測定地面、海洋或空中一點相對于指定坐標系統(tǒng)的坐標。簡言之，測定點的位置就叫定位。定位分為絕對定位(相對于指定坐標系統(tǒng)的位置)和相對定位(相對于其他點的位置)；定位可按單點進行位置測定，也可按整網(wǎng)的一部分進行測定[2]。定位也分靜態(tài)定位和動態(tài)定位，靜態(tài)定位指的是載體在靜止狀態(tài)進行的定位，動態(tài)定位指的是載體在運動狀態(tài)下進行的連續(xù)、實時定位。

“導航”指的是采用定位手段和控制方法確定運動載體當前位置和目標位置，并參照地理和環(huán)境信息引導運動載體沿著合理的航線，抵達目的地的過程。簡言之，導航就是引導航行[3]。

導航一定需要定位，且需要動態(tài)、實時、連續(xù)定位，但定位不等于導航。導航含有控制、引導、參照等概念。

定位種類繁多，有靜態(tài)定位、動態(tài)定位、動靜態(tài)定向、匹配定位等。靜態(tài)定位方法有：三角測量、導線測量、天文測量、水準測量、靜態(tài)衛(wèi)星定位等；動態(tài)導航定位的方法有：慣性測量、無線電導航定位、動態(tài)衛(wèi)星導航定位等。定向方法有：天文定向、羅盤定向、指南針定向、衛(wèi)星定位定向；匹配導航定位方法有：重力匹配、磁力匹配、影像匹配、景象匹配定位等。

導航定位設備有觀測設備、航標信息和控制系統(tǒng)等。觀測設備包括光學天文觀測設備、指南針、羅盤、慣性系統(tǒng)、地磁傳感器、重力傳感器、光學傳感器及無線電接收或發(fā)射設備等；航標信息包括無線電信標、環(huán)境信息、影像信息、地理信息及地磁和重力場先驗信息等與地理坐標關聯(lián)的信息。控制系統(tǒng)包括控制硬件、軟件和算法等。

2 導航定位發(fā)展簡史

中國古代人早已采用目視法觀測北斗星進行定向，大約在公元前2697年，黃帝和炎帝聯(lián)軍與蚩尤戰(zhàn)爭時期，已經(jīng)發(fā)明了指南車。公元27-97年間，發(fā)明了地磁指南針，也稱為“司南”[4]，即利用地磁場南北極屬性，將兩極磁體做成羅盤，羅盤的指針能給出任一方向的方位或角度值(南北極除外)。我國古代指南針為我國與世界交流作出了重要貢獻，無論是秦漢時期中國與朝鮮和日本的海上往來，隋唐五代中國與阿拉伯各國之間的貿(mào)易往來，宋代航行在南太平洋和印度洋航線上的大量中國商船隊，還是明代初期航海家鄭和“七下西洋”，指南針都發(fā)揮了重要作用。

具有科學意義的幾何定位大約始于公元前三世紀，埃及學者埃拉托色尼(Erotosthenes)發(fā)現(xiàn)亞歷山大城和賽尼城位于同一子午線上，而且發(fā)現(xiàn)夏至日正午日光在賽尼城直射井底，即太陽的天頂角為零，而此刻亞歷山大城太陽光則存在傾角，他通過觀測日晷或垂直桿上的陰影長度得出日光與垂線方向形成的角度是一圓周的1/50(即日光南偏7°12′)，由此他推算出地球半徑6 267 km，誤差約2%[5]。公元723年，我國唐朝高僧一行和尚(張遂)帶隊在林邑(越南順化)、安南都護府(越南)、朗州武陵(湖南常德)、襄州(襄陽)、陽城(河南登封告城)、洛陽、滑縣白馬、汴州浚儀、許州扶溝、豫州上蔡、蔚州橫野軍(河北蔚縣)、太原府、鐵勒(蒙古烏蘭巴托西南)共十三個地方用“復距”儀測量北極高度，并分別測量冬至、夏至、春分、秋分的日影長度，測得各臺站的緯度和臺站之間的距離，測得極高差1°，南北距離差130.3 km，誤差21 km[6]。1615年荷蘭學者斯涅爾(W.Snell)創(chuàng)建了三角測量定位法。17世紀末，我國清朝康熙皇帝委托法蘭西傳教士在中國進行以繪制地圖為目的的大規(guī)模天文和三角測量定位[5]。建國之初，我國便開始大規(guī)模三角測量定位，構建了全國天文大地網(wǎng)[7]。

具有科學意義的物理定位始于牛頓建立的力學原理。1852年，傅科根據(jù)牛頓力學原理制成供姿態(tài)測量用的陀螺儀，1906年安休茲制成陀螺方向儀，1907年又制成陀螺羅盤。1923年舒拉擺原理的建立為慣導系統(tǒng)的設計奠定了理論基礎，1954年慣性導航系統(tǒng)在飛機上試飛成功。之后，液浮陀螺、撓性陀螺、激光陀螺、光纖陀螺以及捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展[8-9]。

無線電定位是導航定位的一次革命，它使得后來的衛(wèi)星導航定位成為可能。19世紀末20世紀初，無線電技術開始用于導航，導航技術開始飛躍發(fā)展。1902年發(fā)明了無線電測向技術；1912年研制出了世界上首臺無線電導航設備，即振幅式測向儀，也稱無線電羅盤(radio compass)；20世紀40年代，基于雙曲線定位原理研制成功了近程導航系統(tǒng)臺卡(DECCA)[10]；上世紀30年代末研制成功了無線電儀表著陸系統(tǒng)(instrument landing system，ILS)；上世紀70年代研發(fā)了微波著陸系統(tǒng)；1982年建成了奧米伽甚低頻導航系統(tǒng)；1945年建成羅蘭(LORAN)A，1958年羅蘭C開始投入使用；1945年多普勒導航雷達(Dopple Navigation Radar)系統(tǒng)開始發(fā)展；1946年左右，用于航空導航的甚高頻全向信標——伏爾(VHF Omni-range，VOR)得到發(fā)展；1947年，一種稱為甚低頻的導航系統(tǒng)——歐米伽(Omega)系統(tǒng)在美國問世，與歐米伽導航原理相類似，俄羅斯研制成功了阿爾法(Alpha)導航系統(tǒng)；1955年，美國研發(fā)了近程無線電導航系統(tǒng)，稱為戰(zhàn)術空中導航系統(tǒng)(tactical air navigation system，TACAN)，簡稱塔康(TACAN)系統(tǒng)[4]。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的研制成功，開啟了全球整體化導航定位時代。1958年，美國開始研制子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也稱海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)(navy navigation satellite system，NNSS)[11]；1973年，美國開始研制全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)(global positioning system，GPS)，1994年正式投入運營[12-13]；20世紀70年代，前蘇聯(lián)開始研發(fā)格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)，1996年宣布建成；1983年，中國開始研究利用地球靜止軌道衛(wèi)星進行導航定位，1994年正式開始建設，取名為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)，2000年建成由兩顆衛(wèi)星組成的驗證系統(tǒng)，2003年發(fā)射第三顆靜止軌道衛(wèi)星，第一代北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)投入運行；2012年，中國建成了包括14顆工作衛(wèi)星的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)(也稱北斗二號系統(tǒng))[14]；2001年，歐盟開始建設伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)，之后日本宣布建設區(qū)域準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(quasi-zenith satellite system，QZSS)，印度也開啟了印度區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Indian regional navigational satellite system，IRNSS)的建設。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，極大促進了導航定位理論與應用的變革[1]，徹底改變了導航定位手段，也促進了相關產(chǎn)業(yè)的長足發(fā)展，提高了定位的精度和可靠性，顯著降低了導航定位成本，促進了基于位置服務的智慧城市、數(shù)字地球、甚至大數(shù)據(jù)開發(fā)等電子服務業(yè)的極大發(fā)展。

3 導航定位研究內(nèi)容

導航定位領域研究內(nèi)容十分豐富，包括導航定位平臺、導航定位終端設備、各類導航定位模型和計算方法及其應用研究。

導航定位平臺研究包括：衛(wèi)星平臺、航空平臺、水面和水下導航定位平臺、慣性導航平臺等研究。

導航定位終端設備研制包括：光學經(jīng)緯儀、電子經(jīng)緯儀、陀螺、各類導航芯片、天線、接收機等。設備研制一方面需要原理創(chuàng)新，更需要制造業(yè)的工藝水平。

導航定位模型和算法研究包括：各類導航傳感器觀測模型、運動學模型或力學模型、各類誤差改正函數(shù)模型、觀測隨機模型以及動力學信息隨機模型；導航計算方法包括：動態(tài)載體定姿定軌方法，信號處理、參數(shù)估計理論與方法、運動控制理論與方法、多系統(tǒng)組合定位理論與算法等。

應用研究包括：高精度靜態(tài)定位及其在坐標基準確定、地殼形變分析[15]、地球動力學中的應用、高動態(tài)定位及其在車載、艦載和星載定位或定軌中的應用等。

純導航研究還包括：定位與地圖匹配算法研究、地圖輔助導航、室內(nèi)外無縫導航[16]、重力匹配導航、磁力匹配導航、多系統(tǒng)組合導航(包括多全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)融合導航、GNSS與慣性導航系統(tǒng)(inertial navigation system，INS)的松組合、緊組合、深耦合導航等)、完好性研究(不僅包括常用的安全告警，還包括自動抵制非完好性對導航定位的影響)等。

4 未來主要發(fā)展方向

中國導航定位未來主要發(fā)展方向：衛(wèi)星導航定位方面，應側(cè)重多模多頻、多GNSS融合導航定位理論與算法研究，側(cè)重多頻頻間偏差探測與估計、抗干擾和防欺騙硬件與軟件設計、兼容與互操作理論與算法(尤其是多系統(tǒng)互操作參數(shù)探測與估計)、時空基準統(tǒng)一(側(cè)重多系統(tǒng)聯(lián)合坐標框架、聯(lián)合守時理論與方法)、各類系統(tǒng)誤差和有色噪聲探測與補償?shù)妊芯俊?/p>

衛(wèi)星與非衛(wèi)星組合導航主要發(fā)展方向：衛(wèi)星與偽衛(wèi)星信號組合導航、GNSS/INS緊組合和深組合硬件與軟件設計及其算法、衛(wèi)星信號與無線保真(wireless fidelity，WiFi)信號組合導航、衛(wèi)星導航與重力、磁力、影像匹配導航的組合理論與算法、多系統(tǒng)組合導航的完好性與抗干擾、多系統(tǒng)自適應組合導航的硬件設計及計算理論與方法研究等。

針對BDS特色的導航定位研究方面：基于用戶與運控中心、用戶與衛(wèi)星之間的鏈路，構建位置服務(location based services，LBS)體系和星基增強系統(tǒng)(satellite based augmentation systems，SBAS)體系；針對BDS三頻信號的定位與導航算法；BDS三類星座的綜合定軌；新的導航頻率設計與利用的可行性與實踐；BDS三頻(甚至四頻)信號組合模型與解算準則[17-19]；基于多模多頻信號組合的周跳探測與修復、模糊參數(shù)固定；多模多頻異常誤差探測、診斷與異常影響控制？多模多頻系統(tǒng)誤差建模與補償；多模多頻隨機模型建立與自適應調(diào)整；函數(shù)模型與隨機模型誤差交叉感染的控制與補償；動態(tài)數(shù)據(jù)融合準則與方法，如顧及動力學模型誤差的數(shù)據(jù)融合，顧及有色噪聲的動態(tài)多模數(shù)據(jù)融合，顧及互操作參數(shù)的多GNSS融合，實時動態(tài)數(shù)據(jù)融合計算方法等；基于BDS的各種定位技術，如多頻差分定位技術、網(wǎng)絡實時動態(tài)差分(real-time kinematic，RTK)技術、精密單點定位(precise point positioning， PPP)[20]、實時動態(tài)差分與 融合技術等。

5 結束語

導航與定位既有聯(lián)系又有區(qū)別。導航源于定位，導航需要定位，但定位又不等于導航。導航是在定位基礎上發(fā)展起來的引導和控制載體航行的技術。隨著定位技術的迅速發(fā)展，導航技術也得到飛速發(fā)展。定位有絕對定位、相對定位，但導航一般只是相對導航，相對起點、終點和過程參考點的導航；定位有靜態(tài)定位、動態(tài)定位，但導航一般只是動態(tài)導航。導航定位的研究內(nèi)容極其豐富，所有定位研究內(nèi)容都是導航的研究內(nèi)容，但是導航研究還包括各種匹配導航與控制理論與方法。我國今后導航定位的研究熱點應該放在基于BDS及其相關的組合(或融合)導航定位、室內(nèi)外無縫導航、空中、水下無縫導航、自適應導航、自主導航及其位置服務等。

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Notes of Navigation and Positioning

YANGYuan-xi1，2，3

(1.State Key Laboratory of Geographical information Engineering，Xi’an 71005，China； 2.Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping，Xi’an 71005h，China； 3.China Beijing Satellite Navigation Center，Beijing l00094，China)

Navigation and positioning have been entered our every day’s activities.The definitions and connotations of navigation and positioning are often confused by users.Their rigrous definitions and relations have not been described by the current textbooks or literatures.The definitions and implications of navigation and positioning are given in this paper.The relations and differences between navigation and positioning are discussed.The classification and the cross development of navigation and positioning are described.The research contents of both navigation and positioning are listed from learning branch and applications.The future development directions are also followed.It is noted that the general navigation and positioning is discussed，the emphasis is not the satellite navigation and positioning，though they are main contents.

navigation；positioning；inertial navigation；matching navigation；integrated navigation

楊元喜.導航與定位若干注記[J].導航定位學報,2015,3(3):1-4.(YANG Yuan-xi.Notes of Navigation and Positioning[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(3):1-4.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20150301.

2015-05-18

國家自然科學基金(41020144004、41374019)；國家863計劃(2013AA122501)。

楊元喜(1956—)，江蘇泰縣人，男，教授(中國科學院院士)，主要從事大地測量與導航數(shù)據(jù)處理理論與算法研究。

P228

A

2095-4999(2015)-03-0001-04