張 晗，楊曉剛，劉 微，聶為彪，田曉宇，李向舉，閆大海

(1.中國(guó)艦船研究院，北京 100101；2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001；3.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七O四研究所，上海 200031)

0 引言

定位即測(cè)定一點(diǎn)在指定坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)。導(dǎo)航是利用定位和控制手段確定運(yùn)動(dòng)載體當(dāng)前位置和目標(biāo)位置，參照環(huán)境信息引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)載體沿著合理的路線抵達(dá)目的地的過(guò)程。導(dǎo)航源于定位，并且需要連續(xù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的定位。導(dǎo)航的研究?jī)?nèi)容除所有定位技術(shù)，還包括各種匹配導(dǎo)航和控制理論與方法等。

1 導(dǎo)航定位技術(shù)基本原理

導(dǎo)航定位技術(shù)源于人類對(duì)陸地、海洋、宇宙等不斷探索的需求。隨著科技進(jìn)步，導(dǎo)航定位技術(shù)又不斷推動(dòng)人類前行的腳步。導(dǎo)航定位基本原理歸納起來(lái)有2種。

1）航位推算法。這是最基本的導(dǎo)航定位方法，其原理為利用牛頓力學(xué)定律，根據(jù)已知的起始點(diǎn)位置、時(shí)間信息，以及運(yùn)動(dòng)體的航向、航速、加速度等信息，通過(guò)速度和加速度對(duì)時(shí)間的積分等手段實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)是典型的航位推算法，應(yīng)用最早、使用最為普遍的自主導(dǎo)航定位技術(shù)。導(dǎo)航定位誤差隨著航行時(shí)間增長(zhǎng)而不斷增大。

2）參照法。其原理為利用已知時(shí)間和空間位置信息的基準(zhǔn)導(dǎo)航點(diǎn)，通過(guò)電磁波等手段測(cè)得并推算出其他地點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的時(shí)間、距離、角度、速度等導(dǎo)航定位信息，包括無(wú)線電、水聲、天文、地球物理特征等導(dǎo)航定位技術(shù)。表1為參照法的幾種主要導(dǎo)航定位類型。

表1 參照法導(dǎo)航定位主要類型Tab.1 Main types of navigation and positioning

2 導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

人類探索宇宙的腳步逐漸走向深地、深海、深空，不斷追求更高的導(dǎo)航定位精度。高精度的理論模型是高精度導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)，日益先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位的手段。

目前很多導(dǎo)航定位技術(shù)以牛頓經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)。在地球附近空間,經(jīng)典的牛頓理論所對(duì)應(yīng)的時(shí)間計(jì)量只能精確到10?8[1]，不能滿足目前很多技術(shù)領(lǐng)域的導(dǎo)航定位精度要求。而狹義相對(duì)論中光的直線傳播和光速不變?cè)韮H適用于慣性坐標(biāo)系和局域的平直空間。實(shí)際上地球、太陽(yáng)、銀河系，以及銀河系以外的星系都在不斷運(yùn)動(dòng)變化，不存在絕對(duì)的慣性坐標(biāo)系。當(dāng)空間測(cè)量范圍從局域推廣到全域時(shí)，空間計(jì)量理論應(yīng)建立在廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)之上，考慮相對(duì)論效應(yīng)，用四維時(shí)空觀解決空間距離測(cè)量問(wèn)題[2]。

隨著導(dǎo)航定位理論模型的不斷完善，以及日新月異的科技進(jìn)步，導(dǎo)航定位技術(shù)不斷向速度快、精度高、實(shí)時(shí)性好、全方位等方向發(fā)展。

2.1 慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

慣性導(dǎo)航定位技術(shù)涉及精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)、微電子、光學(xué)、自動(dòng)控制、材料等多領(lǐng)域多學(xué)科。陀螺儀是慣導(dǎo)的核心部件，按不同類型陀螺出現(xiàn)的順序、理論的建立和新型傳感器制造技術(shù)的出現(xiàn)，可以將慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展分為4代：1930年以前以牛頓三大定律為理論基礎(chǔ)，建立了第1代慣導(dǎo)技術(shù)。1852年，法國(guó)人傅科提出陀螺的原理及應(yīng)用設(shè)想，1908年德國(guó)人安修茨研制出世界上第1臺(tái)擺式陀螺羅經(jīng)，1910年德國(guó)人舒勒提出調(diào)諧原理。以上理論和發(fā)明奠定了慣性導(dǎo)航發(fā)展的基礎(chǔ)。1930年以后到20世紀(jì)60年代末為第二代慣導(dǎo)技術(shù)。慣導(dǎo)技術(shù)成功應(yīng)用到德國(guó)V-II 火箭上。單自由度液浮陀螺平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)、動(dòng)壓陀螺、加速度計(jì)、支承懸浮技術(shù)、激光技術(shù)等相繼出現(xiàn)，捷聯(lián)慣導(dǎo)理論研究趨于完善；20世紀(jì)70年代初到80年代中后期為第3代慣導(dǎo)技術(shù)。靜電陀螺、超導(dǎo)體陀螺、流體轉(zhuǎn)子陀螺等基于不同原理的陀螺儀相繼得到應(yīng)用，出現(xiàn)了采用微機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制電路工藝制造的微機(jī)電導(dǎo)航系統(tǒng)；目前慣導(dǎo)技術(shù)處于第4代發(fā)展階段，陀螺的精度不斷提高，捷聯(lián)式慣導(dǎo)逐步取代平臺(tái)式慣導(dǎo)。慣性導(dǎo)航定位技術(shù)向高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛等方向發(fā)展。圖1為第3代慣導(dǎo)技術(shù)靜電陀螺原理示意圖。

圖1 靜電陀螺原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of ESG

2.2 無(wú)線電導(dǎo)航定位技術(shù)

無(wú)線電導(dǎo)航定位是最重要的導(dǎo)航定位手段，已由陸基發(fā)展到星基，由單一功能發(fā)展到多功能，作用距離也由近及遠(yuǎn)至全球和深空，定位精度由粗到精，應(yīng)用領(lǐng)域幾乎遍及所有行業(yè)。

2.2.1 陸基無(wú)線電導(dǎo)航定位技術(shù)

按作用距離可分為進(jìn)場(chǎng)著陸（著艦）系統(tǒng)、近/中/遠(yuǎn)/超遠(yuǎn)程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)等。陸基導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求隨著星基導(dǎo)航定位技術(shù)的成熟應(yīng)用迅速減少，但陸基系統(tǒng)在抗干擾、發(fā)播頻率和功率等方面具有優(yōu)勢(shì)，可以作為衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的有效補(bǔ)充和備份手段。圖2為陸基遠(yuǎn)程超遠(yuǎn)程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)部署時(shí)間圖。

圖2 陸基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)部署時(shí)間圖Fig.2 Deployment time chart of land based radio navigation system

2.2.2 星基無(wú)線電導(dǎo)航定位技術(shù)

目前國(guó)際上比較成熟，已經(jīng)投入使用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共4個(gè)，分別是1994年建成并覆蓋全球范圍的美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）、2011年全球運(yùn)行的俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、2016年投入使用的歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo)和2018年底實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)的我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)一般由空間導(dǎo)航衛(wèi)星模塊、信號(hào)接收模塊和地面監(jiān)控模塊3部分組成。如GPS的空間部分由24顆工作衛(wèi)星和4顆備份衛(wèi)星組成。24 顆工作衛(wèi)星分布在6 個(gè)軌道面上，軌道傾角55°，實(shí)現(xiàn)全球任何時(shí)間和地點(diǎn)都可以至少觀測(cè)到4顆衛(wèi)星，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行；地面監(jiān)控系統(tǒng)由1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站組成；信號(hào)接收模塊主要是GPS接收機(jī)等設(shè)備，包括硬件和軟件部分[3]。GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of GPSnavigation and positioning system

衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是不斷提高系統(tǒng)兼容性，采用組合導(dǎo)航定位、區(qū)域信號(hào)增強(qiáng)、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)、信號(hào)加解密與調(diào)制、星座自主導(dǎo)航、導(dǎo)航與通信一體化等技術(shù)[4]，不斷提高系統(tǒng)安全性、可靠性和導(dǎo)航定位精度。

2.3 天文導(dǎo)航定位技術(shù)

不同于人造衛(wèi)星導(dǎo)航，天文導(dǎo)航將宇宙中的自然天體作為導(dǎo)航標(biāo)志，具有自主性，抗干擾能力強(qiáng)，導(dǎo)航誤差不隨時(shí)間累積等特點(diǎn)，是最古老的導(dǎo)航技術(shù)之一。

按導(dǎo)航星體的峰值光譜和光譜范圍，天文導(dǎo)航包括星光導(dǎo)航、X 射線導(dǎo)航、射電導(dǎo)航和紅外導(dǎo)航等[5]。按照測(cè)量信息種類的不同，天文導(dǎo)航主要包括測(cè)角、測(cè)距和測(cè)速導(dǎo)航[6]。按發(fā)展階段，天文導(dǎo)航包括傳統(tǒng)和新興天文導(dǎo)航定位技術(shù)。脈沖星導(dǎo)航是新興天文導(dǎo)航定位技術(shù)的重點(diǎn)研究方向之一。脈沖星是具有超高壓、超高溫、超高密度、超強(qiáng)磁場(chǎng)和超強(qiáng)輻射特性的自然天體，距離太陽(yáng)系非常遙遠(yuǎn)，相對(duì)于太陽(yáng)系幾乎靜止不動(dòng)，非常穩(wěn)定地向太空周期性輻射從射頻到γ 射線的所有頻段的電磁脈沖信號(hào)，適合作為深空計(jì)時(shí)與導(dǎo)航基準(zhǔn)[7]。實(shí)現(xiàn)脈沖星導(dǎo)航需要設(shè)備、定時(shí)、定位與導(dǎo)航等4個(gè)環(huán)節(jié)[8]，脈沖星導(dǎo)航流程如圖4所示。天文導(dǎo)航是人類開(kāi)展深空探測(cè)的主要導(dǎo)航定位手段，其發(fā)展趨勢(shì)包括提高導(dǎo)航軟件的模塊化和集成化，提高小型化傳感器的環(huán)境適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)多源異質(zhì)信息融合，以及故障自動(dòng)檢測(cè)等[9]。

圖4 脈沖星導(dǎo)航流程Fig.4 Pulsar navigation process

2.4 水聲導(dǎo)航定位技術(shù)

地球表面以及太空的導(dǎo)航定位主要依托無(wú)線電技術(shù)，而聲波作為目前唯一有效的水下無(wú)線信息載體，是人類進(jìn)入、探測(cè)和開(kāi)發(fā)深海的核心手段。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，水聲導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展很快，根據(jù)定位系統(tǒng)工作模式，特別是基線長(zhǎng)度的差別，可將其分為長(zhǎng)基線、短基線、超短基線及綜合定位系統(tǒng)，不同類型作業(yè)方式和技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表2。水聲導(dǎo)航定位技術(shù)向適用不同水深、距離遠(yuǎn)、精度高、滿足不同需求的方向發(fā)展。

表2 常規(guī)水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)類型Tab.2 Typesof conventional underwater acoustic navigation and positioning systems

2.5 地球物理特征導(dǎo)航定位技術(shù)

地球物理特征導(dǎo)航包括地磁導(dǎo)航、重力匹配導(dǎo)航和地形匹配導(dǎo)航等。這些方法均需要通過(guò)各種探測(cè)手段先行獲取地表、水下、近地空間等不同地理位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度、重力分布、地形地貌等數(shù)據(jù)，形成地球物理特征圖，再測(cè)量航行體所在位置的地球物理特征，與特征圖中的地球物理特征匹配，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。以上方法均需要導(dǎo)航用測(cè)量?jī)x器、導(dǎo)航用匹配圖以及匹配定位算法等基本要素。地球物理特征導(dǎo)航具有隱蔽性好、自主性強(qiáng)等特點(diǎn)，其技術(shù)發(fā)展方向包括地球物理場(chǎng)傳感器向精度高、體積小、重量輕、成本低等方向發(fā)展，發(fā)展多地球物理場(chǎng)綜合輔助慣性導(dǎo)航，提高地球物理場(chǎng)初始對(duì)準(zhǔn)精度等[10]。

2.6 組合導(dǎo)航定位技術(shù)

組合導(dǎo)航是將2種以上導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度、可靠性、抗干擾性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)。目前廣泛應(yīng)用的是由慣導(dǎo)系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，如INS/GPS，INS/北斗等，這種組合解決了慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差隨時(shí)間累積的問(wèn)題，同時(shí)在GPS信號(hào)受到遮擋時(shí)慣導(dǎo)系統(tǒng)短期內(nèi)能提供較高精度的導(dǎo)航信息。

對(duì)于潛艇和自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)，為保證其隱蔽自主航行，一般采用以慣導(dǎo)為主,借助聲學(xué)、地形匹配、重力、海洋地磁及視覺(jué)等一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)航手段的組合導(dǎo)航技術(shù)。圖5為慣導(dǎo)/地球物理組合導(dǎo)航原理圖[11]。

圖5 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/地球物理組合導(dǎo)航原理圖Fig.5 Schematic of inertial navigation system(INS)/geophysical integrated navigation

2.7 綜合導(dǎo)航定位技術(shù)

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)集通信、導(dǎo)航、識(shí)別等于一體，實(shí)現(xiàn)通信、監(jiān)視、授時(shí)、指揮控制、武器制導(dǎo)以及氣象探測(cè)等功能，達(dá)到節(jié)約空間、減少干擾等目標(biāo)。已應(yīng)用的典型綜合導(dǎo)航系統(tǒng)包括美國(guó)陸軍位置報(bào)告系統(tǒng)和美國(guó)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分布系統(tǒng)（joint tactical information distribution system，JTIDS）等。JTIDS是美國(guó)海、陸、空三軍共同使用的一種保密、大容量、抗干擾、時(shí)分多址的戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)，利用統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)快速情報(bào)傳遞、統(tǒng)一指揮和協(xié)同作戰(zhàn)。在伊拉克、科威特等幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，JTIDS/Link16戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈顯示出“作戰(zhàn)效能倍增器”的強(qiáng)大威力[12]。

3 艦艇導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

無(wú)論是航空母艦、驅(qū)護(hù)艦等水面艦艇，還是潛艇、潛行器，導(dǎo)航系統(tǒng)都至關(guān)重要，決定艦艇的航行安全和作戰(zhàn)能力。艦艇導(dǎo)航技術(shù)不斷向高精度、高可靠性、智能化等方向發(fā)展。

3.1 艦艇慣導(dǎo)技術(shù)不斷向高精度、小型化方向發(fā)展

慣導(dǎo)系統(tǒng)是艦艇導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，是艦艇實(shí)現(xiàn)自主安全航行和精確打擊的重要手段。其發(fā)展方向是小型化、長(zhǎng)航時(shí)、高精度、高可靠性和低成本等。

據(jù)報(bào)道，美國(guó)包括“俄亥俄”級(jí)巡航導(dǎo)彈核潛艇、“弗吉尼亞”級(jí)攻擊核潛艇、核動(dòng)力航母等大量艦艇裝備了AN/WSN-7系列激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，在沒(méi)有衛(wèi)星導(dǎo)航信息的輔助下具備2周的導(dǎo)航能力。艦艇激光慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展方向是雙軸和三軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制激光慣導(dǎo)，可有效抑制甚至基本抵消所有器件誤差項(xiàng)對(duì)導(dǎo)航定位精度的影響。美、法等國(guó)正在開(kāi)發(fā)原子陀螺和原子加速度計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)艦艇慣導(dǎo)系統(tǒng)的小型化和更高的精度[13]。

3.2 艦艇不斷發(fā)展組合導(dǎo)航和綜合導(dǎo)航技術(shù)，不斷向智能化方向發(fā)展

艦艇將慣導(dǎo)、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文、無(wú)線電、測(cè)深、測(cè)速、地理等不同導(dǎo)航信息融合處理，形成精度高、可靠性好、適應(yīng)性強(qiáng)的導(dǎo)航和控制信息，與艦艇操控、監(jiān)控、作戰(zhàn)指揮等信息充分融合，實(shí)現(xiàn)通信、導(dǎo)航與指揮控制等的一體化應(yīng)用，不斷提高艦艇的智能化、靈活性、經(jīng)濟(jì)性和生存能力。

4 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展與人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步密切相關(guān)，而宇宙萬(wàn)物的空間位置都與時(shí)間緊密相聯(lián)。隨著人類走向深空，時(shí)間成為導(dǎo)航定位的基本觀測(cè)量，穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)和精確的時(shí)間測(cè)量成為導(dǎo)航定位的核心基本問(wèn)題[14]，只要不斷提高導(dǎo)航定位理論模型精度，不斷探索信息融合與先進(jìn)濾波算法，不斷建立基于先進(jìn)控制理論的組合導(dǎo)航方法，人類探索宇宙的腳步就會(huì)更加精準(zhǔn)和堅(jiān)實(shí)。