導(dǎo)航與定位若干注記

楊元喜

導(dǎo)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；2.西安測(cè)繪研究所 西安 710054；3.北京衛(wèi)星導(dǎo)航定位中心，北京 100094)

盡管導(dǎo)航與定位已經(jīng)深入到人們的日常生活，但是導(dǎo)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(xiàn)也沒有刻意區(qū)分這兩個(gè)既有聯(lián)系又有區(qū)別的概念。本文試圖分別給出導(dǎo)航與定位的定義與內(nèi)涵，討論導(dǎo)航與定位的聯(lián)系與區(qū)別，描述導(dǎo)航定位分類，簡述導(dǎo)航與定位的交叉發(fā)展史。試圖從學(xué)科發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展討論導(dǎo)航定位涉及的研究內(nèi)容，側(cè)重討論導(dǎo)航與定位未來的重要研究方向。需要強(qiáng)調(diào)的是，本文只討論一般意義的導(dǎo)航與定位，盡管衛(wèi)星導(dǎo)航定位是重點(diǎn)描述內(nèi)容，但不特指目前快速發(fā)展的衛(wèi)星導(dǎo)航定位。

導(dǎo)航；定位；慣性導(dǎo)航；匹配導(dǎo)航；組合導(dǎo)航

0 引言

定位是人類社會(huì)活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、軍事活動(dòng)的重要支撐[1]。高精度定位是地球科學(xué)研究的基礎(chǔ)，內(nèi)部地球物理、地殼運(yùn)動(dòng)、海洋活動(dòng)、地震等都需要毫米級(jí)精度的定位；邊界劃分、土地測(cè)量、工程建設(shè)等需要厘米甚至毫米級(jí)精度的定位。

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

國防建設(shè)更離不開導(dǎo)航定位。軍事行動(dòng)、指揮平臺(tái)、武器平臺(tái)等都需要導(dǎo)航定位的支持。

導(dǎo)航定位是信息技術(shù)(information technology，IT)和數(shù)據(jù)技術(shù)(data technology，DT)開發(fā)與應(yīng)用的基礎(chǔ)。信息化社會(huì)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(shí)間有關(guān)。于是，導(dǎo)航定位所提供的三維位置、三維速度和時(shí)間信息是信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，也是數(shù)字地球、智慧城市建設(shè)十分重要的基礎(chǔ)。

涉及導(dǎo)航與定位的著作、文獻(xiàn)十分豐富，但是專門討論定位與導(dǎo)航的區(qū)別、聯(lián)系、發(fā)展歷程的文獻(xiàn)并不多。而且導(dǎo)航與定位概念經(jīng)常混淆。此外，在全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)展之前，導(dǎo)航與定位分別附屬于不同學(xué)科?！岸ㄎ弧睂儆诖蟮販y(cè)量學(xué)科；“導(dǎo)航”盡管在航海、航空得到廣泛研究和應(yīng)用，但是它一般屬于自動(dòng)控制學(xué)科。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)出現(xiàn)后，導(dǎo)航與定位的界限越來越模糊。從學(xué)科發(fā)展角度，嚴(yán)格的導(dǎo)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(dǎo)航與定位的區(qū)別與聯(lián)系，討論其發(fā)展的關(guān)聯(lián)性。

1 導(dǎo)航定位定義及其分類

“定位”指的是測(cè)定地面、海洋或空中一點(diǎn)相對(duì)于指定坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)。簡言之，測(cè)定點(diǎn)的位置就叫定位。定位分為絕對(duì)定位(相對(duì)于指定坐標(biāo)系統(tǒng)的位置)和相對(duì)定位(相對(duì)于其他點(diǎn)的位置)；定位可按單點(diǎn)進(jìn)行位置測(cè)定，也可按整網(wǎng)的一部分進(jìn)行測(cè)定[2]。定位也分靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位，靜態(tài)定位指的是載體在靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行的定位，動(dòng)態(tài)定位指的是載體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的連續(xù)、實(shí)時(shí)定位。

“導(dǎo)航”指的是采用定位手段和控制方法確定運(yùn)動(dòng)載體當(dāng)前位置和目標(biāo)位置，并參照地理和環(huán)境信息引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)載體沿著合理的航線，抵達(dá)目的地的過程。簡言之，導(dǎo)航就是引導(dǎo)航行[3]。

導(dǎo)航一定需要定位，且需要?jiǎng)討B(tài)、實(shí)時(shí)、連續(xù)定位，但定位不等于導(dǎo)航。導(dǎo)航含有控制、引導(dǎo)、參照等概念。

定位種類繁多，有靜態(tài)定位、動(dòng)態(tài)定位、動(dòng)靜態(tài)定向、匹配定位等。靜態(tài)定位方法有：三角測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量、天文測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、靜態(tài)衛(wèi)星定位等；動(dòng)態(tài)導(dǎo)航定位的方法有：慣性測(cè)量、無線電導(dǎo)航定位、動(dòng)態(tài)衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)航定位設(shè)備有觀測(cè)設(shè)備、航標(biāo)信息和控制系統(tǒng)等。觀測(cè)設(shè)備包括光學(xué)天文觀測(cè)設(shè)備、指南針、羅盤、慣性系統(tǒng)、地磁傳感器、重力傳感器、光學(xué)傳感器及無線電接收或發(fā)射設(shè)備等；航標(biāo)信息包括無線電信標(biāo)、環(huán)境信息、影像信息、地理信息及地磁和重力場(chǎng)先驗(yàn)信息等與地理坐標(biāo)關(guān)聯(lián)的信息?？刂葡到y(tǒng)包括控制硬件、軟件和算法等。

2 導(dǎo)航定位發(fā)展簡史

中國古代人早已采用目視法觀測(cè)北斗星進(jìn)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(shí)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(chǎng)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(xiàn)，無論是秦漢時(shí)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(duì)，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(xué)意義的幾何定位大約始于公元前三世紀(jì)，埃及學(xué)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(cè)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(duì)在林邑(越南順化)、安南都護(hù)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(gè)地方用“復(fù)距”儀測(cè)量北極高度，并分別測(cè)量冬至、夏至、春分、秋分的日影長度，測(cè)得各臺(tái)站的緯度和臺(tái)站之間的距離，測(cè)得極高差1°，南北距離差130.3 km，誤差21 km[6]。1615年荷蘭學(xué)者斯涅爾(W.Snell)創(chuàng)建了三角測(cè)量定位法。17世紀(jì)末，我國清朝康熙皇帝委托法蘭西傳教士在中國進(jìn)行以繪制地圖為目的的大規(guī)模天文和三角測(cè)量定位[5]。建國之初，我國便開始大規(guī)模三角測(cè)量定位，構(gòu)建了全國天文大地網(wǎng)[7]。

具有科學(xué)意義的物理定位始于牛頓建立的力學(xué)原理。1852年，傅科根據(jù)牛頓力學(xué)原理制成供姿態(tài)測(cè)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(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)，1954年慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機(jī)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(dǎo)系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展[8-9]。

無線電定位是導(dǎo)航定位的一次革命，它使得后來的衛(wèi)星導(dǎo)航定位成為可能。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，無線電技術(shù)開始用于導(dǎo)航，導(dǎo)航技術(shù)開始飛躍發(fā)展。1902年發(fā)明了無線電測(cè)向技術(shù)；1912年研制出了世界上首臺(tái)無線電導(dǎo)航設(shè)備，即振幅式測(cè)向儀，也稱無線電羅盤(radio compass)；20世紀(jì)40年代，基于雙曲線定位原理研制成功了近程導(dǎo)航系統(tǒng)臺(tái)卡(DECCA)[10]；上世紀(jì)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(jì)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(dǎo)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(dǎo)航雷達(dá)(Dopple Navigation Radar)系統(tǒng)開始發(fā)展；1946年左右，用于航空導(dǎo)航的甚高頻全向信標(biāo)——伏爾(VHF Omni-range，VOR)得到發(fā)展；1947年，一種稱為甚低頻的導(dǎo)航系統(tǒng)——?dú)W米伽(Omega)系統(tǒng)在美國問世，與歐米伽導(dǎo)航原理相類似，俄羅斯研制成功了阿爾法(Alpha)導(dǎo)航系統(tǒng)；1955年，美國研發(fā)了近程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，稱為戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)(tactical air navigation system，TACAN)，簡稱塔康(TACAN)系統(tǒng)[4]。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制成功，開啟了全球整體化導(dǎo)航定位時(shí)代。1958年，美國開始研制子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也稱海軍導(dǎo)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(yùn)營[12-13]；20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)開始研發(fā)格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)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(jìn)行導(dǎo)航定位，1994年正式開始建設(shè)，取名為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)，2000年建成由兩顆衛(wèi)星組成的驗(yàn)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(dǎo)航系統(tǒng)投入運(yùn)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(dǎo)航系統(tǒng)(也稱北斗二號(hào)系統(tǒng))[14]；2001年，歐盟開始建設(shè)伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)，之后日本宣布建設(shè)區(qū)域準(zhǔn)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(dǎo)航系統(tǒng)(Indian regional navigational satellite system，IRNSS)的建設(shè)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，極大促進(jìn)了導(dǎo)航定位理論與應(yīng)用的變革[1]，徹底改變了導(dǎo)航定位手段，也促進(jìn)了相關(guān)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(dǎo)航定位成本，促進(jìn)了基于位置服務(wù)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(wù)業(yè)的極大發(fā)展。

3 導(dǎo)航定位研究內(nèi)容

導(dǎo)航定位領(lǐng)域研究內(nèi)容十分豐富，包括導(dǎo)航定位平臺(tái)、導(dǎo)航定位終端設(shè)備、各類導(dǎo)航定位模型和計(jì)算方法及其應(yīng)用研究。

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

導(dǎo)航定位終端設(shè)備研制包括：光學(xué)經(jīng)緯儀、電子經(jīng)緯儀、陀螺、各類導(dǎo)航芯片、天線、接收機(jī)等。設(shè)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(dǎo)航定位模型和算法研究包括：各類導(dǎo)航傳感器觀測(cè)模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型或力學(xué)模型、各類誤差改正函數(shù)模型、觀測(cè)隨機(jī)模型以及動(dòng)力學(xué)信息隨機(jī)模型；導(dǎo)航計(jì)算方法包括：動(dòng)態(tài)載體定姿定軌方法，信號(hào)處理、參數(shù)估計(jì)理論與方法、運(yùn)動(dòng)控制理論與方法、多系統(tǒng)組合定位理論與算法等。

應(yīng)用研究包括：高精度靜態(tài)定位及其在坐標(biāo)基準(zhǔn)確定、地殼形變分析[15]、地球動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用、高動(dòng)態(tài)定位及其在車載、艦載和星載定位或定軌中的應(yīng)用等。

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

4 未來主要發(fā)展方向

中國導(dǎo)航定位未來主要發(fā)展方向：衛(wèi)星導(dǎo)航定位方面，應(yīng)側(cè)重多模多頻、多GNSS融合導(dǎo)航定位理論與算法研究，側(cè)重多頻頻間偏差探測(cè)與估計(jì)、抗干擾和防欺騙硬件與軟件設(shè)計(jì)、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(cè)與估計(jì))、時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一(側(cè)重多系統(tǒng)聯(lián)合坐標(biāo)框架、聯(lián)合守時(shí)理論與方法)、各類系統(tǒng)誤差和有色噪聲探測(cè)與補(bǔ)償?shù)妊芯俊?/p>

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

針對(duì)BDS特色的導(dǎo)航定位研究方面：基于用戶與運(yùn)控中心、用戶與衛(wèi)星之間的鏈路，構(gòu)建位置服務(wù)(location based services，LBS)體系和星基增強(qiáng)系統(tǒng)(satellite based augmentation systems，SBAS)體系；針對(duì)BDS三頻信號(hào)的定位與導(dǎo)航算法；BDS三類星座的綜合定軌；新的導(dǎo)航頻率設(shè)計(jì)與利用的可行性與實(shí)踐；BDS三頻(甚至四頻)信號(hào)組合模型與解算準(zhǔn)則[17-19]；基于多模多頻信號(hào)組合的周跳探測(cè)與修復(fù)、模糊參數(shù)固定；多模多頻異常誤差探測(cè)、診斷與異常影響控制？多模多頻系統(tǒng)誤差建模與補(bǔ)償；多模多頻隨機(jī)模型建立與自適應(yīng)調(diào)整；函數(shù)模型與隨機(jī)模型誤差交叉感染的控制與補(bǔ)償；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融合準(zhǔn)則與方法，如顧及動(dòng)力學(xué)模型誤差的數(shù)據(jù)融合，顧及有色噪聲的動(dòng)態(tài)多模數(shù)據(jù)融合，顧及互操作參數(shù)的多GNSS融合，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融合計(jì)算方法等；基于BDS的各種定位技術(shù)，如多頻差分定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(real-time kinematic，RTK)技術(shù)、精密單點(diǎn)定位(precise point positioning， PPP)[20]、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分與 融合技術(shù)等。

5 結(jié)束語

導(dǎo)航與定位既有聯(lián)系又有區(qū)別。導(dǎo)航源于定位，導(dǎo)航需要定位，但定位又不等于導(dǎo)航。導(dǎo)航是在定位基礎(chǔ)上發(fā)展起來的引導(dǎo)和控制載體航行的技術(shù)。隨著定位技術(shù)的迅速發(fā)展，導(dǎo)航技術(shù)也得到飛速發(fā)展。定位有絕對(duì)定位、相對(duì)定位，但導(dǎo)航一般只是相對(duì)導(dǎo)航，相對(duì)起點(diǎn)、終點(diǎn)和過程參考點(diǎn)的導(dǎo)航；定位有靜態(tài)定位、動(dòng)態(tài)定位，但導(dǎo)航一般只是動(dòng)態(tài)導(dǎo)航。導(dǎo)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(dǎo)航的研究內(nèi)容，但是導(dǎo)航研究還包括各種匹配導(dǎo)航與控制理論與方法。我國今后導(dǎo)航定位的研究熱點(diǎn)應(yīng)該放在基于BDS及其相關(guān)的組合(或融合)導(dǎo)航定位、室內(nèi)外無縫導(dǎo)航、空中、水下無縫導(dǎo)航、自適應(yīng)導(dǎo)航、自主導(dǎo)航及其位置服務(wù)等。

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[18]LI Jin-long，YANG Yuan-xi，XU Jun-yi,et al.GNSS Multi-carrier Fast Partial Ambiguity Resolution Strategy Tested with Real BDS/GPS Dual- and Triple-frequency Observations[J].GPS Solutions，2015，19(1)：5-13.DOI：10.1007/s10291-013-0360-6.

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[20]GE Mao-rong，GENDT G，ROTHACHER M A，et al.Resolution of GPS Carrier-phase Ambiguities in Precise Point Positioning (PPP) with Daily Observations[J].Journal of Geodesy，2008，82(7)，389-399.

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(dǎo)航與定位若干注記[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),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(xué)基金(41020144004、41374019)；國家863計(jì)劃(2013AA122501)。

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

P228

A

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