對導(dǎo)航標準體系建設(shè)的若干思考

徐 瑞，朱筱虹，趙金賢

(北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心，北京100094)

對導(dǎo)航標準體系建設(shè)的若干思考

徐 瑞，朱筱虹，趙金賢

(北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心，北京100094)

導(dǎo)航是現(xiàn)代社會必不可少的信息技術(shù)。建立導(dǎo)航標準體系是導(dǎo)航標準化建設(shè)的重要內(nèi)容，是導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的前提。明確了導(dǎo)航標準體系的概念和建立范疇，提出導(dǎo)航標準體系的設(shè)計原則，在此基礎(chǔ)上給出導(dǎo)航標準體系的建立方法，對建立導(dǎo)航標準體系有一定的參考意義。

導(dǎo)航;標準;標準體系

一、引 言

導(dǎo)航是一種為運動載體航行提供連續(xù)、安全和可靠的定位服務(wù)的技術(shù)，其最基本的要素是載體的實時位置(坐標)、運動速度、運動方位(航向)或已運動的距離等［1-2］，而位置、速度和時間信息表達了物體運動的基本狀態(tài)，是信息化的基本要素?，F(xiàn)代信息社會中85%的信息要求具有位置、速度和時間屬性。因此，導(dǎo)航是人類從事政治、經(jīng)濟和軍事活動所必不可少的信息技術(shù)［2］。

近年來，隨著各種先進導(dǎo)航技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，各行各業(yè)對導(dǎo)航技術(shù)的依賴日益明顯。導(dǎo)航技術(shù)本身也呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的勢頭，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。特別是在維護國家利益、實施國家發(fā)展戰(zhàn)略中，導(dǎo)航技術(shù)也發(fā)揮了重要作用。當(dāng)導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)百花齊放、百鳥爭鳴時，完善的標準體系至關(guān)重要［3］。然而，導(dǎo)航作為一個多學(xué)科交叉與融合的技術(shù)領(lǐng)域，涉及的標準相當(dāng)繁雜。目前出臺的標準相對零散、薄弱，遠未形成完整的標準體系。同時，現(xiàn)有標準的推廣應(yīng)用水平也十分有限，不但抑制了國內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，也抑制了多導(dǎo)航系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，阻礙了國內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［4］。當(dāng)前，建立健全導(dǎo)航標準體系是導(dǎo)航體系建設(shè)的核心任務(wù)之一。

迄今為止，對導(dǎo)航標準體系的研究仍處在起步階段，導(dǎo)航標準體系尚屬空白［4］。本文從導(dǎo)航標準體系的概念入手，首先明確了導(dǎo)航標準體系的建立范疇;其次總結(jié)了導(dǎo)航標準體系的特點，進一步指出了導(dǎo)航標準體系的設(shè)計原則;最后給出了建立導(dǎo)航標準體系的具體方法，旨在為導(dǎo)航標準化建設(shè)梳理思路。

二、導(dǎo)航標準體系的概念和范疇

導(dǎo)航標準體系是導(dǎo)航領(lǐng)域內(nèi)的各標準按其內(nèi)在聯(lián)系形成的科學(xué)的有機整體，它包含標準體系結(jié)構(gòu)、標準涉及的范圍，標準體系內(nèi)各項標準之間固有的關(guān)系等。

本文首先從系統(tǒng)的角度討論導(dǎo)航標準體系的建立范疇，如圖1所示。

圖1 導(dǎo)航標準體系的建立范疇——系統(tǒng)角度

如圖1所示，目前的導(dǎo)航系統(tǒng)可分成自主式和非自主式兩類［2，5］。自主導(dǎo)航是指完全依靠所載設(shè)備，自主地完成導(dǎo)航任務(wù)，與外界不發(fā)生任何光、電聯(lián)系，它包含四個要素，即獨立、實時、無輻射、不依靠地面設(shè)備的導(dǎo)航。而非自主導(dǎo)航必須依賴其與外界的某種聯(lián)系或某種觀測而實現(xiàn)的導(dǎo)航。根據(jù)自主導(dǎo)航采取的不同手段，又可劃分成推算導(dǎo)航、匹配導(dǎo)航和天文導(dǎo)航三類。推算導(dǎo)航是通過推算一系列測量的速度增量來確定目標位置的一種自主導(dǎo)航方法，包括航位推算和慣性導(dǎo)航兩種。航位推算［6-7］是最常用的車輛定位技術(shù)，它利用方位傳感器和距離傳感器提供的方位角和位移推算出車輛的位置;慣性導(dǎo)航［8-10］是通過對安裝在穩(wěn)定平臺(物理或數(shù)學(xué)的)上的加速度輸出進行積分來確定載體的位置和速度，它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，可用于空間、航空、陸地、海上和水下。推算導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點是自主性強，其缺點是定位誤差會隨時間累積。

匹配導(dǎo)航是一種輔助導(dǎo)航手段，它采取導(dǎo)航信息匹配技術(shù)與載體已經(jīng)存在的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行匹配以估算出載體的位置信息，滿足不同載體的導(dǎo)航定位需求。根據(jù)目前匹配導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，主要包括地形匹配、景象匹配、地磁匹配和重力匹配等四種匹配導(dǎo)航技術(shù)。地形匹配導(dǎo)航［11-12］是利用測得的高度與地形數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行航路地形匹配導(dǎo)航，通常裝備在低空作戰(zhàn)的運動載體上。地形匹配導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合，可以利用地形信息校正慣導(dǎo)的積累誤差。景象匹配導(dǎo)航［13］是利用紅外、近紅外、可見光、SAR雷達等光電傳感器拍攝實時地面圖像，然后與標準圖像數(shù)據(jù)庫進行匹配來得到載體的位置和航向信息，適合于超低空飛行的飛行器導(dǎo)航或?qū)椖┲茖?dǎo)。地磁匹配［14］是利用地磁傳感器實時測量某區(qū)域的地磁數(shù)據(jù)，從載體的地磁數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)的預(yù)先存儲好的地磁圖數(shù)據(jù)(包括該區(qū)域的經(jīng)緯度信息和地磁場特征信息)，利用匹配算法估計出載體的位置信息。重力匹配［15］是利用重力傳感器實時測量重力特征數(shù)據(jù)并與載體中已經(jīng)存在的重力數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的位置信息進行匹配，利用匹配解算軟件，求得最佳匹配位置，重力匹配導(dǎo)航通常輔助慣性導(dǎo)航，來校正慣導(dǎo)的累積誤差。

天文導(dǎo)航［16］是以太陽、月球、行星和恒星等自然天體作為導(dǎo)航信標，以天體的地平坐標(方位或高度)作為觀測量，進而確定測量點地理位置(或空間位置)及方位基準的技術(shù)和方法。天文導(dǎo)航不需要設(shè)置專門的導(dǎo)航信息源，但因其導(dǎo)航信息源在載體之外，有時又將其稱為半自主式導(dǎo)航，根據(jù)目前天文導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展情況，主要包括星體觀測和脈沖星導(dǎo)航［17］。星體觀測主要是以恒星作為導(dǎo)航信標來測定飛行器位置和航向。脈沖星導(dǎo)航是以脈沖星為導(dǎo)航信標的天文導(dǎo)航手段，脈沖星是太陽系以外的遙遠天體，它們的位置坐標，猶如恒星星表一樣構(gòu)成一種高精度慣性參考系;脈沖星可以提供絕好的空間參考基準和時間基準，所以脈沖星是空間飛行器的極好的天然導(dǎo)航信標。

非自主導(dǎo)航目前指的就是無線電導(dǎo)航。根據(jù)導(dǎo)航臺所處的不同位置，將無線電導(dǎo)航進一步劃分成地基無線電和星基無線電導(dǎo)航［2］。如果導(dǎo)航臺設(shè)在陸上或艦上，稱為地基無線電導(dǎo)航;如果導(dǎo)航臺設(shè)在人造衛(wèi)星上，稱作衛(wèi)星導(dǎo)航。目前，地基無線電導(dǎo)航主要有無線電信標、羅蘭、伏爾、多普勒、塔康、儀表著陸和微波著陸系統(tǒng)等;衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐洲的 Galileo系統(tǒng)、我國的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)以及WAAS廣域增強、LAAS局域增強等衛(wèi)星增強系統(tǒng)［18-19］。

歸納上述各種導(dǎo)航系統(tǒng)的根本出發(fā)點是如何科學(xué)有效地應(yīng)用各類導(dǎo)航系統(tǒng)，滿足不同用戶的導(dǎo)航需求。因此，有必要從用戶角度給出導(dǎo)航體系范疇，如圖2所示。

從用戶應(yīng)用的角度來看，可以得到以下兩點啟示：①由于各種導(dǎo)航系統(tǒng)或手段都有各自特定的應(yīng)用背景以及各自固有的缺點，在具體應(yīng)用過程中，最好是將多種導(dǎo)航系統(tǒng)組合起來，發(fā)揮各系統(tǒng)的優(yōu)勢，從而更好地滿足用戶的導(dǎo)航定位需求。組合是導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的重要趨勢，因此，組合導(dǎo)航的發(fā)展趨勢必然要求與之配套的標準體系。② 導(dǎo)航的應(yīng)用已經(jīng)從只提供導(dǎo)航定位信息為主，轉(zhuǎn)變?yōu)橐砸苿油ㄐ藕突ヂ?lián)網(wǎng)等信息載體融合提供導(dǎo)航定位服務(wù)的新階段，使導(dǎo)航的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，應(yīng)用水平不斷提高。因此，在建立導(dǎo)航標準體系時，也不能忽略與之相關(guān)聯(lián)的標準。

從系統(tǒng)角度和用戶角度不難看出，不同的應(yīng)用應(yīng)有不同的標準體系。顯然，無論是自主導(dǎo)航、非自主導(dǎo)航或多系統(tǒng)組合導(dǎo)航都必須有相互協(xié)調(diào)的、便于綜合應(yīng)用的標準體系。

三、導(dǎo)航標準體系的特點

1.結(jié)構(gòu)性

根據(jù)導(dǎo)航標準體系的建立范疇，導(dǎo)航標準體系內(nèi)的標準按其內(nèi)在聯(lián)系分類排列，就形成了標準體系的結(jié)構(gòu)形式。導(dǎo)航標準體系的基本結(jié)構(gòu)形式主要有層次結(jié)構(gòu)和過程結(jié)構(gòu)。標準體系的層次結(jié)構(gòu)通常反映標準對象的隸屬或包含關(guān)系。導(dǎo)航體系的層次結(jié)構(gòu)決定了相應(yīng)標準體系的層次結(jié)構(gòu)。例如，各種導(dǎo)航產(chǎn)品通常由大的部件組成，各部件又由許多關(guān)鍵件和零件組成，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)為產(chǎn)品、關(guān)鍵件、零件三個層次，因此相應(yīng)的導(dǎo)航產(chǎn)品標準可分為產(chǎn)品標準、關(guān)鍵件標準和零件標準。標準體系的過程結(jié)構(gòu)通常反映標準對象的活動過程和順序關(guān)系。標準對象的過程結(jié)構(gòu)決定了標準體系的過程形式。

圖2 導(dǎo)航標準體系的建立范疇——用戶角度

2.協(xié)調(diào)性

導(dǎo)航標準對象的內(nèi)在聯(lián)系決定了標準體系內(nèi)各項標準的相關(guān)性。制定和修改其中任何一個標準都必須要考慮對其他各相關(guān)標準的影響。導(dǎo)航標準體系的相關(guān)標準必須協(xié)調(diào)、相互配合、避免相互矛盾。

3.完整性

按導(dǎo)航標準對象的內(nèi)在聯(lián)系形成的標準整體并非是個體標準的簡單相加。對一個孤立的標準，人們往往關(guān)注該標準提出的具體要求是否合理，當(dāng)把該標準置于標準體系之中后，人們才能看出，要實現(xiàn)該標準規(guī)定的要求，需要其他一系列標準與之配合，如果標準體系不完備，該標準所規(guī)定的要求最終將難以實現(xiàn)。

四、導(dǎo)航標準體系的設(shè)計原則

根據(jù)導(dǎo)航標準的應(yīng)用范疇和導(dǎo)航標準體系的三個特點，在構(gòu)建導(dǎo)航標準體系時，應(yīng)遵循如下基本原則。

1.結(jié)構(gòu)性原則

該原則強調(diào)整套導(dǎo)航標準體系必須具備合理的結(jié)構(gòu)和層次。導(dǎo)航體系本身有其結(jié)構(gòu)性和層次性，各系統(tǒng)既有層次結(jié)構(gòu)，又有過程結(jié)構(gòu);即使某個系統(tǒng)內(nèi)部，也依然是層次結(jié)構(gòu)和過程結(jié)構(gòu)的有機體。合理的結(jié)構(gòu)是指標準架構(gòu)要完備，結(jié)構(gòu)要嚴謹;合理的層次是指，無論大的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，或單一的導(dǎo)航子系統(tǒng)，甚至關(guān)鍵件或零部件，必須劃分合理，層次分明，并構(gòu)成一個相對完整、有機的整體。

2.協(xié)調(diào)性原則

該原則強調(diào)的是在制定標準體系時，體系內(nèi)的各項標準要相互配合，制定和修改其他任何一項標準都必須要考慮到對其他各相關(guān)標準的影響;不但要考慮體系中每種導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部的標準，理清各個導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部的標準體系，而且也不能忽視各導(dǎo)航系統(tǒng)之間組合和信息融合方面的相關(guān)標準，否則標準與標準之間即可能出現(xiàn)矛盾。

3.完整性原則

導(dǎo)航技術(shù)是多學(xué)科技術(shù)的融合，它同航天、電子、通信、測繪等行業(yè)間都有著密切的聯(lián)系，因此在設(shè)計導(dǎo)航標準體系時要充分考慮其跨行業(yè)的特點。為尋求完整性，設(shè)計導(dǎo)航標準體系時，要充分考慮與其他相關(guān)聯(lián)標準的聯(lián)系，如移動通信和互聯(lián)網(wǎng)等信息載體融合方面的標準。此外，如有需求，某些相關(guān)行業(yè)的標準可以直接納入導(dǎo)航標準體系中。

五、導(dǎo)航標準體系的建立方法

目前，標準體系的建立方法主要有以下兩種：

1)從局部到整體的建立方法［20］，該方法指的是根據(jù)實際需要制定急需的標準，再根據(jù)新的需要增加新標準，漸漸形成一個小體系。隨著標準化目標的擴展，又會開發(fā)出新的標準化領(lǐng)域，產(chǎn)生新的小體系以及與許多小體系相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)標準、管理標準等。這些實施中的標準和局部的體系又在實踐中接受檢驗，并根據(jù)客觀要求，不斷調(diào)整、修改、補充、完善。這個過程是無止境的，很難說到哪一天標準體系就徹底建成了。它實際上是一個由不成體系的少數(shù)標準到足夠數(shù)量標準的累積過程;由標準之間聯(lián)系不很密切到聯(lián)系更加緊密的調(diào)整和完善過程。

2)從整體到局部［20］，該方法首先確立標準化目標，同時規(guī)劃、設(shè)計實現(xiàn)該目標所需要的全套標準，然后，根據(jù)總體設(shè)計，制定出全部所需標準，并形成具有一定規(guī)模、具備一定功能的標準體系。如果標準體系的目標不明確，僅為建體系而建體系，將會導(dǎo)致標準之間協(xié)調(diào)不足或根本不協(xié)調(diào)。體系建得越快，協(xié)調(diào)越不充分;體系越龐大，需要協(xié)調(diào)的因素越多，難度越大，遺留的隱患就越多。結(jié)果是體系越龐大，癱瘓越快，壽命越短。從整體到局部的體系建設(shè)對于有限目標和小范圍的局部標準體系是可行的。標準體系的覆蓋面越寬，體系的要素越多、要素的更新越頻繁，采用這種途徑越困難。

考慮到導(dǎo)航標準體系的復(fù)雜性，標準體系的建設(shè)很難一步到位，而且標準體系的建立也是一個逐步協(xié)調(diào)、逐步完善的過程。因此，導(dǎo)航體系標準也應(yīng)遵循局部到整體、循序漸進的方法。

在采用從局部到整體的方法建立導(dǎo)航標準體系時，首先要梳理現(xiàn)有標準，即分析國內(nèi)外導(dǎo)航領(lǐng)域中各個導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)制定和頒布的標準，理清各導(dǎo)航系統(tǒng)的標準現(xiàn)狀。其次，要建立導(dǎo)航領(lǐng)域中各導(dǎo)航系統(tǒng)的分標準體系。對于發(fā)展較成熟的導(dǎo)航系統(tǒng)，如果其標準已成規(guī)模并能夠形成一定體系，就按照已經(jīng)形成的體系來歸納該導(dǎo)航系統(tǒng)的標準體系，并根據(jù)其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢，補充該系統(tǒng)內(nèi)急需制定的標準。對于尚在發(fā)展中的導(dǎo)航系統(tǒng)，如果其標準很少，相關(guān)標準不成規(guī)模，就根據(jù)目前及將來一個時期內(nèi)該導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，預(yù)測其相關(guān)標準并建立標準體系。再次，根據(jù)組合導(dǎo)航目前技術(shù)的發(fā)展，給出各導(dǎo)航系統(tǒng)之間組合和信息融合方面標準的建議;同時，在導(dǎo)航技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合方面，給出標準制定的建議。最后，在給出的各導(dǎo)航系統(tǒng)分標準體系及組合導(dǎo)航和通信融合等方面標準建議的基礎(chǔ)上，找出共性，給出整個導(dǎo)航領(lǐng)域的標準體系結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，這樣建立起來的整個導(dǎo)航標準體系不見得嚴密無縫、完全配套，還需要在長期的生產(chǎn)應(yīng)用中不斷改進和完善。

六、總結(jié)與展望

隨著導(dǎo)航技術(shù)的進步，導(dǎo)航領(lǐng)域中涉及的各種導(dǎo)航系統(tǒng)仍在不斷淘汰和發(fā)展中，因此，導(dǎo)航標準體系的建立仍然是一個不斷更新、改進和完善的動態(tài)過程。本文明確了導(dǎo)航標準體系的建立范疇，討論了導(dǎo)航標準體系的建立方法，對導(dǎo)航標準化工作進行了有益的探索?？梢灶A(yù)見，隨著導(dǎo)航標準體系的不斷完善，我國導(dǎo)航標準化建設(shè)將逐步向前推進，將促進整個導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)規(guī)范、科學(xué)和良性發(fā)展。

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Some Considerations for Establishing the Standard Structure of Navigation Systems

XU Rui，ZHU Xiaohong，ZHAO Jinxian

0494-0911(2010)11-0011-04

P228

B

2010-08-25

徐 瑞(1980—)，女，北京人，博士，工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航專業(yè)總體研究。