用導(dǎo)航技術(shù)指引現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)之路

祝傳海

現(xiàn)代人出行，特別是選擇自駕或步行等方式時(shí)，通常都離不開(kāi)導(dǎo)航。隨著城市建設(shè)的加快，道路越修越多，出行路線更加多元和復(fù)雜，如果沒(méi)有導(dǎo)航，估計(jì)很多人都會(huì)迷路。事實(shí)上，導(dǎo)航不僅在日常生活中發(fā)揮著重要的作用，在軍事領(lǐng)域更是不可或缺。導(dǎo)彈定位、士兵偵查等都離不開(kāi)導(dǎo)航技術(shù)。近年來(lái)，世界各國(guó)的科學(xué)家們都特別重視對(duì)導(dǎo)航控制技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，致力于利用現(xiàn)代通信、自動(dòng)化以及計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)來(lái)提高導(dǎo)航的精度和性能。而這，也正是北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院副研究員韓勇強(qiáng)的目標(biāo)所在……

“興趣是最好的老師”

2002年，19歲的韓勇強(qiáng)考入燕山大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)。本科畢業(yè)后，他選擇了北京理工大學(xué)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)進(jìn)行深造?！白x碩士前，我對(duì)這個(gè)專業(yè)一無(wú)所知。報(bào)專業(yè)時(shí)，我一看到‘導(dǎo)航‘制導(dǎo)這幾個(gè)字，就非常感興趣?！表n勇強(qiáng)說(shuō)，“我一直都很喜歡軍事，從小就喜歡閱讀這方面的雜志。上大學(xué)時(shí)，有位老師談及美國(guó)在某場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)中要用導(dǎo)彈去炸毀一座電站。他們發(fā)射了第一枚導(dǎo)彈將墻壁炸出了一個(gè)洞，第二枚導(dǎo)彈順著這個(gè)洞鉆進(jìn)去把電站炸毀了。這個(gè)畫(huà)面一直留在了我的腦海里，讓我明白精準(zhǔn)的導(dǎo)航技術(shù)可以有效助力軍事戰(zhàn)斗。于是我毫不猶豫地選擇了這個(gè)專業(yè)?！?/p>

讀碩士期間，韓勇強(qiáng)所在的課題組承擔(dān)了很多國(guó)家重要型號(hào)裝備的研制工作。而在眾多高校中，能承擔(dān)這類工作的屈指可數(shù)。韓勇強(qiáng)深感幸運(yùn)的同時(shí)，也明白機(jī)會(huì)的難能可貴，即使是從又苦又累的基礎(chǔ)性工作做起，他也毫無(wú)怨言。“在剛開(kāi)始參與科研項(xiàng)目時(shí)，我就負(fù)責(zé)看桿?！表n勇強(qiáng)說(shuō)，“一般在測(cè)試車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的性能時(shí)，會(huì)在路邊擺上一個(gè)標(biāo)志桿。車子開(kāi)走后，為了避免這個(gè)桿被移動(dòng)或者被偷走，就得有人在那看著，而我就負(fù)責(zé)這個(gè)工作。雖然很簡(jiǎn)單，但是一想到測(cè)試的設(shè)備很有可能會(huì)用到我國(guó)某個(gè)武器平臺(tái)中，我就有一種強(qiáng)烈的自豪感?！?/p>

“合抱之木，生于毫末；九層之臺(tái)，起于累土?！背晒膩?lái)都不是一蹴而就的。通過(guò)一點(diǎn)一滴的累積，韓勇強(qiáng)的科研能力逐漸增強(qiáng)，他負(fù)責(zé)的工作也由一些基礎(chǔ)性任務(wù)發(fā)展到關(guān)鍵性功能的研發(fā)。到博士階段，他在做導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于科研進(jìn)度已經(jīng)上升到保密階段，相關(guān)單位不得不派警車進(jìn)行保護(hù)。韓勇強(qiáng)笑著說(shuō)：“當(dāng)時(shí)內(nèi)心里還是覺(jué)得挺威風(fēng)的，但也深深感覺(jué)到肩上的責(zé)任巨大?！?/p>

在讀博的最后一年，韓勇強(qiáng)遠(yuǎn)赴美國(guó)南加州大學(xué)進(jìn)行交流學(xué)習(xí)。盡管當(dāng)時(shí)的導(dǎo)師并不專攻導(dǎo)航，而是研究控制領(lǐng)域，但也讓他受益匪淺?！皩W(xué)習(xí)知識(shí)，不僅要知其然更要知其所以然。在邁克教授的指導(dǎo)下，我學(xué)到了很多關(guān)于控制理論方面的知識(shí)，讓我知道了現(xiàn)在所從事的專業(yè)的全貌，對(duì)其脈絡(luò)有了一個(gè)清晰的認(rèn)知?！表n勇強(qiáng)說(shuō)，“就像是站在山頂俯瞰世間萬(wàn)物，有種豁然開(kāi)朗的感覺(jué)?！?/p>

2013年，韓勇強(qiáng)以一名老師的身份回到了北京理工大學(xué)，主要從事慣性導(dǎo)航、地面平臺(tái)導(dǎo)航、行人導(dǎo)航、水下平臺(tái)導(dǎo)航等方面的研究。近5年來(lái)，韓勇強(qiáng)先后主持和參與了原“863”計(jì)劃項(xiàng)目、型號(hào)項(xiàng)目研制、裝發(fā)預(yù)研、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等課題，研究成果成功應(yīng)用于多款國(guó)家重要型號(hào)裝備，年均科研經(jīng)費(fèi)超300萬(wàn)元。此外，他還在國(guó)內(nèi)外核心期刊與會(huì)議中共發(fā)表SCI/EI論文30余篇，其中SCI收錄10篇，申請(qǐng)發(fā)明專利20余項(xiàng)，授權(quán)5項(xiàng)，其中一項(xiàng)成功實(shí)現(xiàn)專利轉(zhuǎn)化，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益21萬(wàn)元。

面對(duì)所取得的成績(jī)，韓勇強(qiáng)坦言，人的成功需要正確的引導(dǎo)，最好的老師就是興趣。盡管科研是枯燥無(wú)味的，但當(dāng)你對(duì)它充滿興趣時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它是一件多么有趣的事情。

“努力把導(dǎo)航技術(shù)提升到一個(gè)新的高度”

導(dǎo)航看似簡(jiǎn)單，事實(shí)上它所包含的技術(shù)種類非常多。以車輛導(dǎo)航為例，韓勇強(qiáng)向我們介紹了目前世界上比較常用的幾種車輛定位技術(shù)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱INS），是指不依賴于任何外界信息，靠自身的慣性敏感器件（陀螺儀和加速度計(jì)）測(cè)量導(dǎo)航參數(shù)的系統(tǒng)。它不受天然的或人為的干擾，具有良好的隱蔽性，是一種完全自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)?！熬秃孟褚粋€(gè)人閉著眼睛走路，在心里默記自己走了多少步，轉(zhuǎn)了幾個(gè)彎，以此來(lái)推算自己移動(dòng)后所處的位置?！表n勇強(qiáng)解釋道，慣性導(dǎo)航的基本原理就是牛頓力學(xué)定律。根據(jù)所選慣性器件的不同，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)又分為激光慣導(dǎo)、光纖慣導(dǎo)、MEMS慣導(dǎo)等多個(gè)類別，但無(wú)論哪種慣導(dǎo)，在長(zhǎng)時(shí)間工作之后，會(huì)產(chǎn)生不同程度的累積誤差。為提高系統(tǒng)的絕對(duì)精度，就需要增加其他導(dǎo)航傳感器輔助定位。由于該系統(tǒng)的造價(jià)較高，所以它在普通車輛導(dǎo)航定位領(lǐng)域應(yīng)用不多，主要用在軍事用途上。

GPS具有全球性、全天候、連續(xù)及實(shí)時(shí)提供高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息等一系列優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш蕉ㄎ坏囊环N高新技術(shù)。GPS定位技術(shù)的基本原理是采用測(cè)量學(xué)中通用的測(cè)距交會(huì)確定點(diǎn)位的方法。但由于GPS是一種無(wú)線電衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在城市高樓區(qū)、林蔭道、涵洞等地方有可能導(dǎo)致GPS定位信號(hào)的暫時(shí)中斷；因墻體或山的側(cè)面所造成的多路徑效應(yīng)，GPS接收機(jī)同樣也無(wú)法識(shí)別，并可能導(dǎo)致相當(dāng)大的偏差。這說(shuō)明GPS定位系統(tǒng)雖然定位精度較高，但一旦可靠性遭到破壞，便會(huì)失去其導(dǎo)航能力。

“除此之外，車輛導(dǎo)航還會(huì)運(yùn)用到航位推算系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DR）、地圖匹配（簡(jiǎn)稱M M）、地面無(wú)線電頻率定位（簡(jiǎn)稱TRF）等技術(shù)。但不可否認(rèn)，任何一種單一的導(dǎo)航系統(tǒng)其精度和使用范圍都有一定的限制。”韓勇強(qiáng)說(shuō)，“為了將各種傳感器的測(cè)量信息進(jìn)行綜合利用，最大限度地提取有用信息，保障車輛定位的全程連續(xù)性，我們決定采用多傳感器信息融合技術(shù)，研制各種實(shí)用的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。”由此，他和團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)展了關(guān)于實(shí)時(shí)定位與制圖（SLAM）技術(shù)的研究。

要理解SLAM技術(shù)，韓勇強(qiáng)介紹，首先還得從“視覺(jué)導(dǎo)航”說(shuō)起。視覺(jué)導(dǎo)航，即利用視覺(jué)傳感器（主要為攝像頭）實(shí)現(xiàn)自身位姿信息的推算。它通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行不間斷的拍攝，對(duì)相鄰的兩幀照片進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，從而獲得自身的旋轉(zhuǎn)和位移信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)位姿測(cè)量，這項(xiàng)技術(shù)又被稱為“視覺(jué)里程計(jì)”。視覺(jué)里程計(jì)所推算的位置信息也存在誤差累積的問(wèn)題，把車輛行駛過(guò)的區(qū)域的特征點(diǎn)進(jìn)行匯總處理，構(gòu)建一個(gè)環(huán)境地圖，當(dāng)車輛再次行駛到這個(gè)區(qū)域時(shí)進(jìn)行回環(huán)檢測(cè)和誤差修正，可以極大地消除累積誤差，提高導(dǎo)航精度，這項(xiàng)技術(shù)就叫SLAM技術(shù)。

SLAM技術(shù)是當(dāng)前世界范圍內(nèi)地面移動(dòng)平臺(tái)導(dǎo)航技術(shù)的熱點(diǎn)。目前，韓勇強(qiáng)所在的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于本身在慣性技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)積累，在此項(xiàng)技術(shù)的研究上取得了階段性的成果，并開(kāi)始在物流機(jī)器人、室內(nèi)巡航機(jī)器人、無(wú)人駕駛車輛等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。

除了進(jìn)行車輛定位與導(dǎo)航，導(dǎo)航技術(shù)還可以在訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員、消防救援等方面發(fā)揮作用。韓勇強(qiáng)說(shuō)：“例如目前我們團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一項(xiàng)‘科技助力奧運(yùn)項(xiàng)目。游泳運(yùn)動(dòng)員通過(guò)使用一些穿戴式的慣性氣墊，在其運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們就可以對(duì)他們的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行捕獲，幫助其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)糾正和技巧分析。再比如單兵導(dǎo)航系統(tǒng)不受環(huán)境制約，在日常的消防救災(zāi)中，它能為消防員提供精準(zhǔn)的定位，避免消防員被火場(chǎng)包圍。”

雖然導(dǎo)航技術(shù)在生活中得到了廣泛應(yīng)用，但其應(yīng)用范圍主要還是集中在軍事領(lǐng)域。近期，韓勇強(qiáng)團(tuán)隊(duì)成功研制生產(chǎn)出陸用定位定向?qū)Ш较到y(tǒng)系列產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品已在兵器加榴炮、迫榴炮系統(tǒng)和航天領(lǐng)域防空導(dǎo)彈發(fā)射車、指揮車等多個(gè)型號(hào)武器系統(tǒng)中得到應(yīng)用。當(dāng)被問(wèn)及科研目標(biāo)時(shí)，韓勇強(qiáng)笑著回答道：“我希望把導(dǎo)航技術(shù)提升到一個(gè)新的高度，從而加強(qiáng)我國(guó)軍隊(duì)武器的現(xiàn)代化建設(shè)，為國(guó)防事業(yè)做出積極貢獻(xiàn)?！?/p>