導(dǎo)航、定位與授時技術(shù)綜述

鄭 辛，楊 林

（1．航天科工集團三院，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、定位與授時既是一項傳統(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、定位與授時已深入國民經(jīng)濟以及國防安全等各個領(lǐng)域，是重要的國家關(guān)鍵技術(shù)，并且作為國家戰(zhàn)略前沿技術(shù)不斷發(fā)展。

導(dǎo)航是指通過測量并輸出載體的運動速度和位置，引導(dǎo)載體按要求的速度和軌跡運動［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、無線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等。定位是指以標準大地坐標系為參照，按照用戶規(guī)定的實時性要求，提供精確的二維或三維位置［2］。授時是指通過標準或者定制的接口和協(xié)議，為其它設(shè)備或系統(tǒng)提供時間信息。目前世界各國都采用原子鐘來產(chǎn)生和保持標準時間，即時間基準。授時系統(tǒng)通過短波、長波、電話網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等手段和媒介將時間基準送達用戶，目前應(yīng)用最為廣泛和可靠的授時手段是衛(wèi)星授時。

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

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

1 慣性導(dǎo)航技術(shù)

慣性導(dǎo)航是指通過慣性測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，是無環(huán)境限制的載體運動信息感知技術(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)、慣性測量及慣性穩(wěn)定等統(tǒng)稱慣性技術(shù)。1907年，德國科學(xué)家安修茨制造了第一個實用化陀螺。1949年，美國麻省理工學(xué)院Draper實驗室研制出第一套平臺慣性導(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，并在國防軍事和國民經(jīng)濟建設(shè)各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如在航天領(lǐng)域，美國霍尼韋爾公司的“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)式慣測單元，可靠性與長期穩(wěn)定性達15年;在航空領(lǐng)域，美國諾斯羅普·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”無人機和F－22戰(zhàn)機等，導(dǎo)航精度0.6 n mile/h;在航海領(lǐng)域，法國iXSea公司的MARINS光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，裝備于英國海軍攻擊核潛艇和英國新一代航母，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到88 dB以上，具備耐15750g以上沖擊能力;在測量測繪領(lǐng)域，加拿大 Applanix公司的 POS AV610，后處理定位精度可達0.05m;在消費電子領(lǐng)域，意法半導(dǎo)體公司的 MEMS加速度計LIS344AHH，具有±18g量程、高帶寬、低噪聲等優(yōu)點，用于可穿戴電子產(chǎn)品、機器人等。

經(jīng)過近百年的時間，慣性技術(shù)發(fā)展形成了基于經(jīng)典牛頓力學(xué)的機械式、基于Sagnac效應(yīng)的光學(xué)式、基于哥式振動效應(yīng)的微機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、動力調(diào)諧陀螺、陀螺擺加速度計、機械擺加速度計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，典型精度覆蓋戰(zhàn)略至導(dǎo)航級領(lǐng)域，其高端產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈、遠程轟炸機、核潛艇、航母等戰(zhàn)略級武器系統(tǒng)及作戰(zhàn)平臺，但存在體積大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用維護難度大等問題?；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，具有無機械轉(zhuǎn)子、動態(tài)適應(yīng)范圍寬等優(yōu)點，典型精度覆蓋導(dǎo)航至戰(zhàn)術(shù)級領(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，并且隨著技術(shù)的進步已經(jīng)開始逐步向戰(zhàn)略級應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。微機電陀螺和微機電加速度計作為第三代慣性儀表的主要代表，主要應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)級精度 （10（°）/h、1mg）領(lǐng)域，具有體積小、成本低、耐沖擊等優(yōu)點，近年來發(fā)展迅速，并且已開始在精確制導(dǎo)彈藥、小型無人機等新型戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，進一步提高精度是其面臨的主要問題?；谠幼孕驮痈缮嬖淼牡谒拇孔討T性技術(shù)，進展迅猛，在超高精度導(dǎo)航和小型低成本導(dǎo)航級領(lǐng)域具有巨大潛力，核磁共振陀螺已經(jīng)從原理樣機的狀態(tài)走出，偏值穩(wěn)定性已達到0.02（°）/h，標志著慣性技術(shù)已經(jīng)開始進入量子時代。

2 無線電導(dǎo)航技術(shù)

無線電導(dǎo)航是指載體借助于無線電導(dǎo)航設(shè)備，確定自己在指定坐標系中的位置，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。無線電導(dǎo)航分為導(dǎo)航臺定位導(dǎo)航和自主無線電導(dǎo)航，其中，導(dǎo)航臺定位導(dǎo)航是指載體借助于攜帶的導(dǎo)航接收機接收導(dǎo)航臺播發(fā)的無線電信號，利用電波傳播的直線性、恒速性和多普勒效應(yīng)，測量相對于導(dǎo)航臺的方向、距離、速度，解算載體在指定坐標系的位置和引導(dǎo)載體航行;自主無線電導(dǎo)航是指載體僅借助自己攜帶的導(dǎo)航設(shè)備，測量其相對于地面或其他目標的方向、距離、速度，進行定位導(dǎo)航。

無線電導(dǎo)航典型代表包括:伏爾/地美伊（VOR/DME）［5］、塔 康 （TACAN）［6］、增 強 羅 蘭（eLORAN）［7］、奧米伽 （Omega）［8］等近、遠程無線電導(dǎo)航系統(tǒng);無線電高度表、氣象雷達、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、定位與授時帶來了革命性的變化，已成為無處不在的導(dǎo)航、定位與授時信息源，廣泛應(yīng)用于武器裝備和作戰(zhàn)平臺中，給作戰(zhàn)模式帶來了顯著的變革。憑借衛(wèi)星導(dǎo)航的高精度導(dǎo)航、定位與授時功能，一方面實現(xiàn)了指揮系統(tǒng)、偵察探測系統(tǒng)、武器平臺以及以“單兵”為代表的作戰(zhàn)單元在時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)航在個人/車輛導(dǎo)航、移動通訊、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70年代開始建設(shè)，1993年前后投入使用，可提供定位、導(dǎo)航、授時服務(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)是我國全球性導(dǎo)航系統(tǒng)，具備定位、測速、授時、雙向短報文及通信功能。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;測速精度0.2 m/s;授時精度達到單向50 ns［11］。預(yù)計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B3三個頻點上提供衛(wèi)星導(dǎo)航信號，其中B3頻點在戰(zhàn)時具有信號增強功能，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)的建成和使用標志著我國天基導(dǎo)航定位與授時能力全面建立，對我國國家導(dǎo)航定位與授時體系產(chǎn)生重大而深遠的影響。

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、高動態(tài)、高抗干擾衛(wèi)星導(dǎo)航接收機在美國已經(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，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)用于無人機和制導(dǎo)武器。

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢是高動態(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，將進一步實現(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或光電圖像傳感器實時獲取地面景物圖像，與預(yù)先存儲的二維景像數(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)庫參考導(dǎo)航，具有定位精度高的特點，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”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)出色地完成了對伊拉克地面目標的精確打擊任務(wù)。

合成孔徑雷達 （SAR）是一種基于距離和方位二維分辨原理的成像雷達［14］，能在能見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)航利用實時SAR圖像信息與事先準備好的數(shù)字地圖或景像信息進行比較和辨識，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)全天候和全天時導(dǎo)航應(yīng)用等特點。

俄羅斯白楊－M地對地洲際導(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)彈臨近目標時提供具有較好分辨率的目標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)實時成像、慣性輔助動態(tài)誤差補償以及基于特征提取與識別的同/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，利用地形特征傳感器 （如雷達高度表、大氣傳感器等）對載體下方的地形剖面或者其他特征進行采樣，將得到的數(shù)據(jù) （實時圖）在預(yù)存的地形數(shù)據(jù) （基準圖）中搜索出最佳擬合的地形特征，從而實現(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，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50年代，是提高航空機種戰(zhàn)斗力和導(dǎo)彈打擊精度的重要手段之一。英國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個國家的多種飛機平臺 （轟炸機、運輸機和直升機），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)展趨勢是利用可視化3D地形匹配技術(shù)，實現(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、民用價值。

5 天文導(dǎo)航技術(shù)

天文導(dǎo)航是指以已知準確空間位置的、不可毀滅的自然天體 （月球、地球、太陽、其他行星和恒星等）為基準，并通過光電或射電方式被動探測天體位置，解算測量點經(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)”，通過觀測星的高度來定位。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，具有被動式隱蔽測量、全自主導(dǎo)航、長時間導(dǎo)航精度高的特點，適合長時間自主運行和導(dǎo)航定位精度要求較高的領(lǐng)域，如遠程偵察機、轟炸機、衛(wèi)星、飛船、空間站、遠程導(dǎo)彈、艦船、潛艇等。

20世紀50年代以來，國外開始利用星光導(dǎo)航設(shè)備得到的精確位置和航向數(shù)據(jù)來校正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或輔助其進行初始對準，主要應(yīng)用于機動發(fā)射、水下發(fā)射的遠程長航時導(dǎo)彈以及高空長航時飛機［19］。美國海軍三叉戟－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表示小時數(shù)。

天文導(dǎo)航的發(fā)展趨勢是:以X射線脈沖星導(dǎo)航為代表的新型天文導(dǎo)航技術(shù);以臨近空間高動態(tài)和深空探測應(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傳感器實時測量載體所在磁場，與地磁基準數(shù)據(jù)庫相比較，確定載體位置的技術(shù)手段。地磁導(dǎo)航是一種無源自主導(dǎo)航方式，具有無源、無輻射、全天時、全天候、全地域的特征，在航天器定軌、水下自主導(dǎo)航、遠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60年代，美國E－systems公司提出了基于地磁異常場等值線匹配的MAGCOM系統(tǒng)［20］。20世紀80年代，瑞典Lund學(xué)院開始研究地磁導(dǎo)航技術(shù)，提出了“磁地形導(dǎo)航”概念［21］。NASA Goddard空間中心針對衛(wèi)星導(dǎo)航等空間應(yīng)用開展了地磁導(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)，實現(xiàn)導(dǎo)彈變軌制導(dǎo)，以增強突防能力，對抗美國反彈道導(dǎo)彈攔截系統(tǒng)。

地磁導(dǎo)航的發(fā)展趨勢是提升磁傳感器水平和地磁信息圖精度，加強外干擾場補償技術(shù)研究，持續(xù)提升導(dǎo)航精度和技術(shù)成熟度，實現(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/重力梯度傳感器實時測量載體所在重力場，并通過重力圖匹配實現(xiàn)導(dǎo)航定位的技術(shù)手段。重力導(dǎo)航是從重力測量、重力異常和垂線偏差測量與補償?shù)幕A(chǔ)上發(fā)展起來，具有精度高、不受時間限制、無輻射等優(yōu)點，主要用于潛艇等戰(zhàn)略平臺的自主導(dǎo)航。

20世紀70年代，美國海軍為了提高三叉戟彈道導(dǎo)彈潛艇性能，開始重力導(dǎo)航研究。20世紀80年代中期以前，研究主要集中在運動基座重力梯度儀、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。貝爾實驗室成功開發(fā)了重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)［24］，導(dǎo)航精度6～305 m（CEP）。美國俄亥俄級導(dǎo)彈核潛艇采用靜電陀螺慣性平臺及慣性/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)提供無源重力導(dǎo)航和地形估計，可直接應(yīng)用于現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)。美國海軍在1998年和1999年分別在水面艦船和潛艇上對UGM進行了演示驗證。實驗數(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)標稱誤差的10%。

重力導(dǎo)航的發(fā)展趨勢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)星測高反演、航空重力測量和地面點測等多種重力測量手段綜合應(yīng)用，滿足高精度導(dǎo)航基準需求;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、聽覺、嗅覺、觸覺和味覺）進行自主導(dǎo)航［26］，從而在復(fù)雜和不斷變化的環(huán)境中為智能自主運載器或移動機器人進行導(dǎo)航與定位。

立體視覺是指進行三維觀測或者同時觀測長度、寬度和距離的能力。Marr創(chuàng)立的視覺計算理論是立體視覺發(fā)展的重要里程碑［27］。立體視覺導(dǎo)航采用光學(xué)傳感器，利用自適應(yīng)學(xué)習(xí)型視覺算法，具備晝夜和全天候的基于視覺的自主導(dǎo)航能力，供智能自主運載器或移動機器人使用，可實現(xiàn)小于10m（CEP）的導(dǎo)航精度。美國噴氣推進實驗室（JPL）研制的“勇氣號”和“機遇號”火星機器人配備9臺攝像機，其中2臺用于視覺導(dǎo)航，4臺用于避障［28］。JPL的 DEMOIII軍用地面機器人［29］、Carnegie Mellon大學(xué)立體視覺無人駕駛車［30］采用立體視覺系統(tǒng)等導(dǎo)航設(shè)備，可實現(xiàn)在各種復(fù)雜道路環(huán)境下的自主行駛。立體視覺導(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)航是指通過辨識目標特定的聲音類型（語音或其他特有聲音特征）自主導(dǎo)向該聲源從而實現(xiàn)導(dǎo)航，預(yù)計可實現(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，采用信號處理技術(shù)對其處理分析，從而確定和跟蹤聲源。常用方法有時延估計法、高分辨率譜估計法、可控波束形成法等［31］。

氣味導(dǎo)航是通過化學(xué)傳感器感知氣味的濃度，根據(jù)氣味的濃度和氣流的方向來控制載體的運動。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，可用來尋找化學(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載器或移動機器人具備復(fù)雜和不斷變化環(huán)境的自主通過能力，具有寶貴的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。

9 授時技術(shù)

授時就是將標準時間傳遞給用戶，以實現(xiàn)時間統(tǒng)一的技術(shù)手段［33］。由于人類日常生活、經(jīng)濟活動、科學(xué)試驗、國防等都需要在統(tǒng)一的時間基礎(chǔ)上進行，因此需要建立標準時間產(chǎn)生、保持、傳遞和使用的完整體系。獨立自主的時間體系甚至作為國家安全保障和綜合實力的體現(xiàn)，美國、俄羅斯、日本都分別建立了國家時間頻率體系，歐盟和我國也正在建立自己的時頻體系［34－36］。

1）標準時間:時間由周期運動的標準周期來衡量，時間標準經(jīng)歷了天文時和原子時。早期利用天體運動，如地球自轉(zhuǎn)周期 （日）的平均值——平太陽日，作為世界時 （UT0），1秒 =1/86400平太陽日，以公元前4713年1月1日12時為計時起點 （歷元），考慮到地極移動引起的經(jīng)度變化，對UT0修正后成為UT1。現(xiàn)今利用原子內(nèi)部電子運動的周期作為標準時間秒，1秒定義為銫133原子基態(tài)超精細能級之間躍遷9192 631 770個周期所持續(xù)的時間，稱為原子時 （TAI），原子時從1958年1月1日0h0min0s（UT1）起算。為避免原子時與天文時因秒長定義不一致而可能產(chǎn)生“晝夜顛倒”不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，原子時通過閏秒（快或慢1 s）以產(chǎn)生接近UT1的特殊原子時標，這就是協(xié)調(diào)世界時 （UTC）。UTC由國際計量局（BIPM）根據(jù)國際原子時數(shù)據(jù)給出，各地具有原子鐘的守時實驗室 （i）在參與國際原子時合作的基礎(chǔ)上給出地方時UTC（i）。

2）守時:由于時間是流逝的，為保持時間坐標不中斷，時間標準必須永遠不間斷地長期連續(xù)工作，這就叫守時。國際守時由分布在全球42個國家共74個實驗室的約400臺原子鐘組 （銫鐘或氫鐘）來執(zhí)行，他們定期向BIPM上報地方原子時數(shù)據(jù)，BIPM對每臺鐘給出統(tǒng)計權(quán)重，算出國際原子時 （TAI）和協(xié)調(diào)世界時 （UTC），并每月發(fā)布公告。由于時間是關(guān)乎國家安全的戰(zhàn)略資源，發(fā)達國家高度重視標準時間的管理。美國標準時間由國家標準技術(shù)研究院 （NIST）和美國海軍天文臺 （USNO）來保持;俄羅斯國家標準時間由國防部、標準化與計量委員會等九部委組成的委員會管理，由俄羅斯時間與空間計量研究所來保持;我國的標準時間由國家授時中心 （NTSC）、中國計量科學(xué)研究院 （NIM）和北京無線電計量測試研究所 （BIRM）分別保持，“北斗”系統(tǒng)也有自己的獨立守時機構(gòu)。

3）授時:國家標準時間的發(fā)播有天基系統(tǒng)（導(dǎo)航衛(wèi)星授時）和地基系統(tǒng) （長波/短授時、電視、廣播、網(wǎng)絡(luò)、電話等）及搬運鐘 （現(xiàn)在已很少應(yīng)用）等主要傳遞方式。原則上搬運授時精度最高，可以達到ns級，導(dǎo)航衛(wèi)星授時可以達到50ns以下，長波授時可以到μs級精度。

4）用時:用戶利用接受到的標準時間信號來統(tǒng)一采取行動，例如電力系統(tǒng)用標準時間來實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度與故障定位，通信系統(tǒng)用標準時間來保障用戶分時使用網(wǎng)絡(luò)資源，金融系統(tǒng)用標準時間來實現(xiàn)資金調(diào)撥與股票交易，軍事用戶用標準時間來定時、定位、測速與導(dǎo)航。在信息化時代，不同用戶可以實時分享和交互帶有精密時間標記的信息，并據(jù)此生成新的信息，實現(xiàn)協(xié)同與聯(lián)合，不僅可以提高活動的精準度，還可以大大提高效率與效能。

10 結(jié)束語

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

科學(xué)技術(shù)的迅猛進展，將導(dǎo)航、定位與授時帶到了一個新的發(fā)展時代。推進導(dǎo)航、定位與授時體系建設(shè)，開展導(dǎo)航、定位與授時技術(shù)研究，將產(chǎn)生顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，具有重要而深遠的意義。

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