导航技术及其发展

机械工程MechanicalEngineering作者简介：李莹（1993—），女，山东枣庄人，硕士研究生-1-导航技术及其发展李莹（宁夏大学机械工程学院，宁夏银川）摘要：本文简单地讨论了导航技术的发展及其现状，重点介绍了卫星导航系统、惯性导航系统和组合导航系统，特别是INS-GPS组合导航系统是未来的一个主要发展方向。关键词：卫星导航，惯性导航，组合导航NavigationtechnologyanditsdevelopmentLiYing(Collegeofmechanicalengineering,NingxiaUniversity,Yinchuan)Abstract:Thispaperbrieflydiscussesthepresentstatusanddevelopmentofnavigationtechnology,focusesonthesatellitenavigationsystem,inertialnavigationsystemandintegratednavigationsystem,especiallytheINS-GPSintegratednavigationsystemisoneofthemaindevelopmentdirectioninthefuture.Keywords:satellitenavigation,inertialnavigation,integratednavigation0引言导航技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学以及数学等多学科的高技术，是一个国家基础服务体系的重要基石。也是武器精确制导的核心技术，实现飞行器特别是航天器飞行任务的关键技术，这对于提高航空器、航天器以及武器装备的机动性、反应速度和远程精确打击能力具有重要意义，在海、陆、空、天等现代高技术武器及武器平台中得到广泛的应用。纵观30年来，导航技术的发展具有三个特点：第一，由于材料、微电子、计算机等学科和技术的发展，促进了新型惯性器件的发展，从而惯性导航系统的体积越来越小，精度越来越高、成本越来越低；第二，卫星导航技术也得到了极大的发展，可以认为，卫星导航给导航技术带来了一次极大的革命；第三、卫星导航、惯性导航以及其他技术之间相互组合，促进了导航技术的进一步发展。[1]1导航的发展史随着时间的发展，人们对于导航与定位的需求不断提高，导航技术也在飞速发展，纵观历史，导航方式是由原始到现代，由器械到电子，由人工到自动，由局部到全球，由独立到综合的低级简单到高级复杂的发展过程。本文以导航工具为分类依据，以时间轴为线索，初步将导航的发展分为四个部分，分别是原始导航时期、指南针导航时期、无线电导航时期、卫星导航时期。原始导航即人类最初的导航，一开始只能通过石头，树，山脉等作为参照物，渐渐的发展到天文观测发，即通过天上的太阳，月亮和星星来判断位置。由导航一词不难看出，最早的导航应该与船息息相关，早在先秦时期人们已经将导航技术运用到实际航行中，一般是凭天象、天体识别方向，夜以星星指路，日倚太阳辨向，至北宋时期，并发明了海上测天体高度的仪器。机械工程MechanicalEngineering作者简介：李莹（1993—），女，山东枣庄人，硕士研究生-2-随着指南针的发明，导航技术得到了极大的发展，至北宋时期，已能利用指南针航行。而指南针的应用，在南宋时期发展成罗盘形构，随着精确度不断提高，应用越来越广泛海上航行已逐步依靠指南针指示方向。明清时期，人们将时间观念引入导航，从焚香到沙漏的使用，随着计时精度的提高导航也更加精确。无线电的发明，促进了导航技术的进一步发展，无线电导航系统的使用，使得导航系统成为真正可以依赖的工具。无线电导航就是利用电磁波传播的特性，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。当然，无线电导航也有其局限性，它的局限性是隐蔽性差；易被干扰、破坏；不能提供航向和姿态信息，水下应用受很大限制等。此时，惯性导航系统应运而生，它几乎满足了原子时代的导航需求，但是其自身的误差随时间的累积的致命弱点又使得人们进一步研究新的导航方式。1957年苏联发射了史波尼克人造卫星，它是人类历史上的第一颗人造卫星。标志着导航进入了卫星导航时期，卫星导航是天文导航和无线电导航原理和技术上的结合，可以感性概括的说它是人造卫星的射电天文导航，它兼备了天文导航和无线电导航的优点，实现了全天候，全球自动定位的目标，还具有便于综合利用，不易被破坏的长处。卫星导航利用每一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差，所以当能够同时接收四颗卫星发出的信号时，人们就能准确的计算出自身的位置，从而实现定位与导航。时光进入20、21世纪，全球定位系统的研制和应用是各个大国和地区实力的象征。其中以GPS为代表，已经实现单机导航精度约为10米，综合定位精度可达厘米级和毫米级，卫星导航应用产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业，普遍应用于地理数据采集、高精度测量、车辆监控调度和导航服务、航空航海、时间和同步、机械控制、大众消费应用。[2]通过对四个时期的研究，我们不难发现，导航手段的发展是随着导航设备的演变而变化的，是沿着改进硬件、增加硬件、改进数据处理方法和改进软件这条途径不断前行，今后也必将依此规律向前发展。2导航系统简介2.1卫星导航当1957年世界上第一颗人造地球卫星发射后，人类便发现卫星可以作为一个已知的空间信号源，为人类获取相关的信息资源，开展测距、定位、导航研究搭建了一个世界共享的技术平台。[3]卫星导航看似涉及了多方面学科的知识，实际原理并不算复杂。卫星导航按测量导航参数的几何定位原理分为测角、时间测距、多普勒测速和组合法等系统。多普勒测速定位是指用户定位设备根据从导航卫星上接收到的信号频率与卫星上发送的信号频率之间的多普勒频移测得多普勒频移曲线，根据这个曲线和卫星轨道参数即可算出用户的位置而时间测距导航定位的方法是用户接收设备精确测量由系统中不在同一平面的4颗卫星(为保证结果唯一，4颗卫星不能在同一平面)发来信号的传播时间，然后完成一组包括4个方程式的模型数学运算，就可算出用户位置的三维坐标以及用户钟与系统时间的误差。卫星导航系统的组成也不算复杂，只有导航卫星、地面台站和用户定位设备三个部分。导航卫星是卫星导航系统的空间部分，由多颗导航卫星构成空间导航网。地面台站则是用来跟踪、测量和预报卫星轨道并对卫星上设备工作进行控制管理，通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时机械工程MechanicalEngineering作者简介：李莹（1993—），女，山东枣庄人，硕士研究生-3-间统一系统等部分。跟踪站用于跟踪和测量卫星的位置坐标。遥测站接收卫星发来的遥测数据，以供地面监视和分析卫星上设备的工作情况。计算中心根据这些信息计算卫星的轨道，预报下一段时间内的轨道参数，确定需要传输给卫星的导航信息，并由注入站向卫星发送。剩下的用户定位设备通常由接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组成。它接收卫星发来的微弱信号,从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息等,同时测出导航参数（距离、距离差和距离变化率等），再由计算机算出用户的位置坐标和速度矢量分量。用户通过这个设备即可得到卫星导航的帮助。[4]GPS是美国军方控制的军民共用系统，目前对世界开放，我们中国也可以免费接收GPS信号，但美国人并不承诺保证你的使用，他可以随时收费和对你关闭系统，尤其是在战时。因此，“中国也必须要有自己的卫星定位系统”。[5]北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。2003年5月25日，我国在西昌将第三颗“北斗一号”送入太空，与2000年发射的前两颗一起构成了这北斗卫星导航系统。而具有军事用途的“北斗二号”也随着北斗卫星对地球的慢慢覆盖接近完成。2012年3月底，我国正式推出被业界誉为北斗系统进入寻常百姓家“第一只春燕”的全球首款“北斗+GPS”双系统车载导航产品，这标志着北斗在产业化道路上又前进了一步。北斗卫星导航系统的建立标志着我国成为继美国GPS和俄罗斯GLONASS后，世界上第三个拥有了完备的卫星导航系统的国家。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧洲“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。2.2惯性导航惯性导航系统是人类最早研发明的导航系统之一。早在1942年，德国在V-2火箭上就率先应用了惯性导航技术。从2009年，美国国防部先进研究项目局就深入进行新一代微型惯性导航技术的研发与测试工作。据悉，这种新一代导航系统主要通过集成在微型芯片上的三个原子陀螺仪、加速器和原子钟精确测量载体平台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计算出载体平台的瞬时速度、位置信息并为载体提供精确的授时服务。[6]惯性导航是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性导航涉及到控制技术、计算机技术、测试技术、精密机械工艺等多门应用技术学科，是现代高精尖技术的产物，但其基本定位原理并不复杂。惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。[7]按照惯性导航仪表的安装方式，可以将惯性导航系统分为：（1）平台式惯性导航系统：将陀螺仪和加速度计安装在一个稳定平台上，以平台坐标系为基准，测量运载体运动参数的惯性导航系统。机械工程MechanicalEngineering作者简介：李莹（1993—），女，山东枣庄人，硕士研究生-4-图2.1平台式惯导系统原理图Fig2.1schematicdiagramofplatforminertialnavigationsystem（2）捷联式惯性导航系统：加速度计和陀螺仪直接安装在运动载体上，惯导平台的功能由计算机来完成，有时也称作“数学平台”。图2.2捷联式惯导系统原理图Fig2.2schematicdiagramofstrapdowninertialnavigationsystem我国的惯性导航技术近年来已经取得了长足进步，液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于长征系列运载火箭。其他各类小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、激光陀螺惯导以及匹配GPS修正的惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。如漂移率0.01°~0.02°/h的新型激光陀螺捷联系统在战机上试飞，漂移率0.05°/h以下的光纤陀螺、捷联惯导在潜、舰上的应用，以及小型化挠性捷联惯导在各类导弹制导武器上的应用，都极大的改善了装备的性能。3导航技术卫星导航技术是指利用卫星导航定位系统提供位置、速度及时间等信息来完成对各种目机械工程MechanicalEngineering作者简介：李莹（1993—），女，山东枣庄人，硕士研究生-5-标的定位、导航、监测和管理。它综合了传统天文导航定位和地面无线电导航定位的优点，相当于设置在太空