導(dǎo)航技術(shù)研究進展與發(fā)展方向

劉新華，尚俊娜

（杭州電子科技大學 通信工程學院，杭州 310018）

0 引言

導(dǎo)航可以分為5 個階段，原始導(dǎo)航時期、指南針導(dǎo)航時期、無線電導(dǎo)航時期、衛(wèi)星導(dǎo)航時期及組合導(dǎo)航時期[1]。

原始導(dǎo)航時期是指指南針發(fā)明前，最開始是依靠肢體語言指路，根據(jù)人的以往經(jīng)驗和認識指出目標的大致方向，到后來根據(jù)山、樹、太陽和夜空星圖等參照物進行指路，根據(jù)所依據(jù)的不同參照物來確定前往的方向。導(dǎo)航一詞最先是源于為船指明方向，在海上航行的船只需要依靠太陽和星空來確定行駛的方向。

自宋代起，指南針的發(fā)明使導(dǎo)航技術(shù)進入了1 個新時期。作為4 大發(fā)明之一的指南針，古代叫司南，主要組成部分是1 根裝在軸上的磁針，磁針在天然地磁場的作用下可以自由轉(zhuǎn)動并保持在磁子午線的切線方向上，磁針的北極指向地理的南極，利用這一性能可以辨別方向[2]。隨著朝代的更替，指南針的外觀和精度不斷改進，但一直使用這個原理。至今指南針仍在使用。

19 世紀至20 世紀，在麥克斯韋、赫茲、特斯拉和馬可尼等人不斷改進下，無線電技術(shù)日漸成熟；20 世紀20 年代，無線電導(dǎo)航是航海和航空的主要導(dǎo)航手段，第二次世界大戰(zhàn)使得無線導(dǎo)航系統(tǒng)飛速發(fā)展。無線電導(dǎo)航系統(tǒng)是利用無線電波傳播的基本原理，即無線電信號在自由空間中以光速沿直線傳播，只要確定了無線電波從發(fā)射機到接收機之間的傳播時間，便可以確定收發(fā)機間的距離。距離值為光速與傳播時間之積。通常，導(dǎo)航系統(tǒng)包括裝在運載體上的導(dǎo)航設(shè)備以及與導(dǎo)航設(shè)備配合使用的導(dǎo)航臺[3]。

自1957 年蘇聯(lián)發(fā)射第1 顆人造衛(wèi)星和美國研發(fā)子午儀系統(tǒng)后，無線電導(dǎo)航由陸基導(dǎo)航系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾腔鶎?dǎo)航系統(tǒng)，正式拉開了衛(wèi)星導(dǎo)航的序幕。隨后迎來 4 大導(dǎo)航系統(tǒng)，即美國的全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system,GLONASS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）[4]。隨著時代的發(fā)展，對導(dǎo)航性能的要求不斷提高，由于地勢、環(huán)境等因素，傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)存在定位誤差大、覆蓋區(qū)域受限等問題。

1 導(dǎo)航定位原理

原始導(dǎo)航的原理主要是參照物，例如朝著太陽的方向，在那座大山的后面等，這種導(dǎo)航方式存在著很大的人為因素，并且誤差極大。指南針導(dǎo)航的原理是地磁場，磁針的北極指向地理的南極，利用這一性能可以辨別方向，這種導(dǎo)航方法誤差還是比較大，只能辨別大致方位，還不能滿足人們使用的要求。

無線電導(dǎo)航（陸基導(dǎo)航系統(tǒng)）的原理是利用電磁波傳播特性，載體接收和處理的電參量是無線電波的相位、頻率或脈沖傳播時間，進而獲取載體相對地面導(dǎo)航臺站之間的距離，并建立該測量量與導(dǎo)航參數(shù)（載體位置）間的對應(yīng)關(guān)系，然后通過解方程或者其他等效方法求得所需的導(dǎo)航參量[5]。下面以相位測距法為例簡敘其原理，基本的計算公式為：

式中：λ為無線電波長；c為光速；f為無線電頻率；w為無線電波的角頻率；T為無線電傳播周期。

設(shè)A和B點間的距離為d，則往返于 2 點間的接收/發(fā)射電磁波的相位差滿足

根據(jù)式（1）～式（3）可得

根據(jù)式（4）可得2 點的距離為

相比于前期導(dǎo)航方法，無線電導(dǎo)航已經(jīng)可實現(xiàn)比較精確的定位，擁有精度較高、測量方便及應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢，但仍存在著很多問題，如就相位測距法來說存在多值性問題，須利用其他方法予以區(qū)別。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)多顆衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，得到接收機的具體位置。衛(wèi)星所在位置已知，再通過某種手段能準確測定出地面點A到衛(wèi)星之間的距離；那么以衛(wèi)星位置為中心，所測距離為半徑構(gòu)造1 個圓球，則地面點A一定在此圓球上。若能同時測得地面點A到3 顆不同衛(wèi)星之間的距離，則地面點A一定在這3 個圓球相交的點上。但很多時候3 個圓并不會交于1 點，而是會形成1 個區(qū)域，這種情況則會涉及到最優(yōu)化的問題[6]。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航基本原理

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)日趨完善，已經(jīng)可以滿足人們的基本需求，但在復(fù)雜環(huán)境下，衛(wèi)星信號容易受到遮擋，導(dǎo)致導(dǎo)航精度降低，難以滿足高動態(tài)實時導(dǎo)航的需求，所以組合導(dǎo)航應(yīng)運而生。組合導(dǎo)航的基本思路就是對原衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行增強。如今對組合導(dǎo)航的研究很多，例如：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertial navigation system,INS）和 GPS 的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，它能有效利用 INS 短時的精度保持特性，以及GPS 長時的精度保持特性，其組合后輸出信息的特性，均優(yōu)于單一INS 或單一GPS 的導(dǎo)航特性，原理如圖2 所示；地磁/GPS 組合導(dǎo)航，利用地磁矢量校正衛(wèi)星的位置和姿態(tài)測量，實現(xiàn)優(yōu)勢互補；機器視覺/GPS 組合導(dǎo)航，GPS 獲取導(dǎo)航車的姿態(tài)信息和絕對位置信息，機器視覺獲取導(dǎo)航基準線和特征點，從而克服了復(fù)雜環(huán)境下使用單一傳感器進行定位時的局限性。

圖2 INS/GPS 組合導(dǎo)航原理[7]

2 導(dǎo)航定位現(xiàn)狀

4 大導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，第1 個建全的全球系統(tǒng)的是美國的GPS，GLONASS 在俄羅斯快速復(fù)蘇后，也快速成為全球第 2 大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這 2 個定位系統(tǒng)的建立目均是為了軍事，目前正處于現(xiàn)代化的不斷更新完善進程中；不同于前2 者建立的目的，Galileo 是第 1 個完全民用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；BDS以區(qū)域服務(wù)為起點，逐步實現(xiàn)全球服務(wù)，已經(jīng)具備了亞太區(qū)域的導(dǎo)航定位、授時服務(wù)和獨有的報文通信功能，目前處于全球化快速發(fā)展階段[8]。表1為4大導(dǎo)航系統(tǒng)部分參數(shù)對比。

表1 導(dǎo)航系統(tǒng)部分參數(shù)對比

現(xiàn)如今導(dǎo)航系統(tǒng)的特點主要如下：

1）提高應(yīng)用效率，衛(wèi)星使用壽命在不斷增加，從開始的2.5 a 到現(xiàn)在的15 a；

2）提高抗干擾能力，對于軍民兩用系統(tǒng)，抗干擾能力尤為重要，現(xiàn)在的抗干擾能力是最初的100～150 倍左右；

3）提高各系統(tǒng)的兼容性，4 大導(dǎo)航系統(tǒng)組合應(yīng)用，擺脫對特定導(dǎo)航星座的依賴，且定位精度提高，大大增加可用性；

4）組合導(dǎo)航興起，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他傳感器相結(jié)合，優(yōu)勢互補，增強導(dǎo)航定位性能。

3 導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)化

目前導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)化主要從 3 個方面入手：①對單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身進行增強；②對多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行兼容互操作；③衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相結(jié)合，就組合導(dǎo)航和融合算法方面做優(yōu)化，如圖3 所示。

圖3 導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)化

方案①：衛(wèi)星導(dǎo)航增強技術(shù)。評價1 個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的基本要素有可用性、連續(xù)性、精度，增強技術(shù)就是對這些基本要素進行優(yōu)化改良，主要分為信號增強和信息增強[9]。

信號增強是從信號本身出發(fā)，對功率、頻點等進行增強。例如，采用頻率分裂調(diào)制方式，在 L1和 L2 載波基礎(chǔ)上產(chǎn)生了軍用 M 碼測距信號，可實現(xiàn)軍用和民用導(dǎo)航信號分離，使重點區(qū)域的衛(wèi)星信號功率為普通區(qū)域的百倍，實現(xiàn)資源的合理利用，且為導(dǎo)航戰(zhàn)提供了技術(shù)保障，大幅度增強系統(tǒng)在戰(zhàn)時的抗干擾能力[10]。

信息增強主要對精度、完好性2 個方面進行優(yōu)化，主要方式是通過地面參考基準站對導(dǎo)航信號進行連續(xù)跟蹤觀測，產(chǎn)生差分數(shù)據(jù)和完好性信息，并通過通信鏈路傳給用戶，對原始參數(shù)進行修正或者增加冗余觀察量，從而使精度和完好性大幅度提高[11]。

以GPS 為例，建立初期GPS 的定位精度只有150 m 左右，然后采用選擇可用性技術(shù)（selective availability, SA），人為地將誤差引入到衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，方法就是安裝GPS 監(jiān)測站，計算實際位置數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的差值，然后將這個改正數(shù)播發(fā)給用戶接收機進行誤差修正，從而提高了定位精度，使廣域定位精度達到15 m，區(qū)域定位精度優(yōu)于5 m。20 世紀90 年代初中期，GPS 得以推廣，隨之發(fā)現(xiàn)由于誤差源的不同，會導(dǎo)致精度下降嚴重，為此采用差分GPS（differential GPS, DGPS），分為廣域差分增強和區(qū)域差分增強 2 種增強方式。在廣域上推出廣域差分 GPS（wide area differential GPS,WADGPS），它的原理就是對GPS 觀測量的誤差源分別加以區(qū)分和“模型化”，然后將計算出來的每1 個誤差源的誤差修正值，通過數(shù)據(jù)通信鏈路傳輸給不同用戶，從而達到提高終端廣域定位精度的目的。之后通過發(fā)射地球靜止軌道（geostationary Earth orbit, GEO）對WADGPS 進行增強，形成廣域增強系統(tǒng)（ wide area augmentation system,WAAS）。當時1 臺具有WAAS 的接收機，要比沒有該性能的接收機精度提高3 m，其主要原理還是提高修正數(shù)據(jù)的準確性。25 個地面參考站收集訊號并建立校正信息，誤差主要來源于衛(wèi)星的軌道誤差、接收機和衛(wèi)星的鐘差以及電離層和對流層的干擾。在區(qū)域上，主要通過設(shè)置偽衛(wèi)星（布設(shè)于地面上發(fā)射某種定位信號的發(fā)射器，通常都是發(fā)射類似于 GPS 的信號），其中主要就是陸地機場專用的局域增強系統(tǒng)（local area augmentation system, LAAS）。至此 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣域、區(qū)域完好性得以實現(xiàn)，并能達到米級定位精度[12]。進入 21 世紀，對 GPS 系統(tǒng)的增強仍在繼續(xù)發(fā)展著，在 WAAS 的基礎(chǔ)上，采用了精密單點定位（precise point positioning, PPP）授時技術(shù)，其工作原理就是誤差修正，觀測量為載波相位和偽距觀測值，通過精密星歷和鐘差產(chǎn)品，對傳播過程中的誤差進行補償，實現(xiàn)廣域精密定位。在LAAS 基礎(chǔ)上進一步提高精確度，將實時動態(tài)差分技術(shù)（real time kinematic，RTK）與連續(xù)運行參考站（continuously operating reference stations, CORS）相結(jié)合，采用RTK/CORS 技術(shù)使精度可達厘米級，其中RTK 技術(shù)是在GPS 測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過不斷提高和完善發(fā)展而來的，在測繪領(lǐng)域是 1 項矚目的技術(shù)突破成果。未來將會采用低軌衛(wèi)星進行增強，并深入開拓PPP-RTK 技術(shù)的研究。上述衛(wèi)星導(dǎo)航增強技術(shù)發(fā)展路線如圖4 所示。

BDS 也正在積極發(fā)展增強系統(tǒng)，主要規(guī)劃如表2 所示。

方案②：多系統(tǒng)的兼容互操作。目前，世界各國都在積極發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，BDS 也將在 2020 年實現(xiàn)全球組網(wǎng)，4 大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)競爭格局正逐步形成，與此同時，系統(tǒng)間兼容與互操作問題也成必然趨勢。

在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）兼容與互操作問題上，由于多個系統(tǒng)的存在，難以避免會有相互干擾的問題，這就使得系統(tǒng)間互操作甚至互交換變得極其重要；但 GNSS 兼容和互操作的前提是自身系統(tǒng)獨立且完善，因此實現(xiàn)兼容與互操作必須以系統(tǒng)獨立性為基礎(chǔ)。GNSS 首先必須保證獨立性和國家安全兼容性，使授權(quán)信號的安全得到保障，然后就要實現(xiàn)GNSS 的一般兼容性；前提是其他系統(tǒng)不會對自身有負面作用。當互操作達到一定程度時，用戶接收機可用相同或相似的衛(wèi)星信號來進行解算。具體兼容與互操作的層次關(guān)系如圖 5所示。

圖4 衛(wèi)星導(dǎo)航增強技術(shù)發(fā)展路線

表2 BDS 增強體系建設(shè)

圖5 GNSS 兼容與互操作層次關(guān)系

2017 年11 月，在北京簽署了《北斗與GPS 信號兼容與互操作聯(lián)合聲明》，核心內(nèi)容為 BDS 與GPS 在國際電聯(lián)框架下實現(xiàn)射頻兼容，民用信號可進行互操作，之后也將持續(xù)開展2 個系統(tǒng)間的兼容與互操作合作。

總之，兼容性對各系統(tǒng)發(fā)展來說十分關(guān)鍵，是導(dǎo)航定位性能實現(xiàn)突破的重要方向；互操作性則對終端用戶十分重要，可以很大程度上提升操作性和體驗感。GNSS 服務(wù)提供商可以通過確保彼此系統(tǒng)間的兼容性，從而提升用戶終端的互操作性，最終達到雙贏。

方案③：與其他系統(tǒng)結(jié)合并進行優(yōu)化。主要分為組合導(dǎo)航和融合算法，組合導(dǎo)航一般指硬件上的最佳組合，在同一平臺上多傳感器之間進行互補、互驗和互校的導(dǎo)航系統(tǒng)。融合算法一般是指將多傳感器數(shù)據(jù)進行處理的算法。

各種導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)缺點如表3 所示。

針對各導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)劣，對組合導(dǎo)航的研究還在不斷深入：文獻[13]研究了 INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的卡爾曼濾波算法，基本觀測量有位置、速度和角度信息，并將該組合技術(shù)應(yīng)用于某飛行器，最終結(jié)果表明，角度信息作為觀測量對參數(shù)的估計精度和速度計算有很大改善；文獻[14]改進了融合算法，利用預(yù)報殘差構(gòu)造的最優(yōu)自適應(yīng)因子設(shè)計GPS/INS 組合導(dǎo)航自適應(yīng)濾波器，并針對反向傳播（back propagation, BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在的訓(xùn)練速度慢、容易陷入局部極小等問題，給出網(wǎng)絡(luò)的改進算法，該算法明顯提高了網(wǎng)絡(luò)收斂速度，并在精度和可靠性方面有了明顯提高；文獻[15]對多源組合導(dǎo)航系統(tǒng)中存在的問題進行了探究，其中各個傳感器性能和可靠性都受到外界環(huán)境的影響，這將對多源組合導(dǎo)航系統(tǒng)的魯棒性和持續(xù)可用性造成很大程度的影響，因此在狀態(tài)估計的過程中，要考慮環(huán)境導(dǎo)致的建模不確定性，在建模存在不確定及可能存在時變的系統(tǒng)噪聲和觀察噪聲時，提出了1 種新的狀態(tài)估計方法；文獻[16]提出了在偏振光/地磁輔助 GPS 和慣導(dǎo)多系統(tǒng)組合時定位和姿態(tài)測量的基本原理，并推導(dǎo)了觀測方程，證明多傳感器的引入可以使系統(tǒng)達到改良精度的效果。

表3 導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)缺點對比表

由于導(dǎo)航系統(tǒng)的相對固定，對組合導(dǎo)航形式上的創(chuàng)新存在一定局限性，現(xiàn)如今多是對融合算法進行改進。融合算法是組合導(dǎo)航的核心，用于對多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理，只有融合算法得到突破，導(dǎo)航系統(tǒng)才能得到質(zhì)的改變。

4 導(dǎo)航發(fā)展展望

就導(dǎo)航系統(tǒng)本身來看，既要有自主運行能力，又要有組合兼容的功能。為了擺脫對美國、俄國導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴，歐盟和中國才研究建設(shè)屬于自己的導(dǎo)航系統(tǒng)，這是自主能力的體現(xiàn)；但長久來看，組合兼容才是實現(xiàn)共贏的必經(jīng)之路。另一方面，導(dǎo)航系統(tǒng)本身已經(jīng)有了自主運行的能力，之后就是與其他系統(tǒng)的兼容問題，能否依靠其他傳感器或其他系統(tǒng)來增強衛(wèi)星導(dǎo)航，彌補在復(fù)雜環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航的不足，即是組合導(dǎo)航的課題。

就導(dǎo)航應(yīng)用來看，目前自動駕駛和室內(nèi)定位導(dǎo)航是導(dǎo)航應(yīng)用的2 大課題。自動駕駛是由很多傳感器協(xié)調(diào)實現(xiàn)的，但傳感器的作用有局限性，比如激光傳感器檢測效果穩(wěn)定，但在面對大范圍的塵土時，也會無能為力。如果前面1 輛渣土車飛馳而去，引得塵土滿天飛時，無人車發(fā)現(xiàn)“面前”全是障礙物等等。所以“高精度地圖+高精度定位”的組合就可以解決此類問題，就比如在地圖上規(guī)劃1 個不受外界影響的“綠色管道”，車只要在這里面行駛就是正常行駛。自動駕駛不僅在技術(shù)上還存在缺陷，倫理上也面臨著很大考驗，所以還沒有普及。對于室內(nèi)定位，由于現(xiàn)代人有80 %的時間處于室內(nèi)，因此室內(nèi)定位研究很有意義，而且在室內(nèi)火災(zāi)等危險情況下，室內(nèi)定位技術(shù)也可以起到極其重要的作用。但由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、衛(wèi)星信號微弱等問題，室內(nèi)定位還未實現(xiàn)突破。目前主要的室內(nèi)定位方法有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、無線保真（wireless fidelity, WiFi）、紫蜂（Zigbee）以及超寬帶（ultra wide band, UWB）等。文獻[17]提出了1 種INS 輔助線性調(diào)頻擴頻（chirp spread spectrum,CSS）的高精度室內(nèi)定位方法，由MPU9250 自帶的磁力針規(guī)避航向角的累積誤差，在CSS 非視距問題上，提出三角形3 邊準則選星方法，這可以降低室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下的影響，最后在地下車庫實驗，實驗結(jié)果與2 種單一的定位方式相比較，性能提高了50 %以上；文獻[18]就室內(nèi)定位射頻識別（radio frequency identification, RFID）標簽發(fā)射器放置問題進行了分析，對標簽位置進行了統(tǒng)計研究，給出了標簽位置與定位系統(tǒng)精度之間的關(guān)系；并為了提高走廊內(nèi)基于 3 元數(shù)的定位體系結(jié)構(gòu)的準確性，給出了標簽放置的指南。

5 結(jié)束語

導(dǎo)航技術(shù)在當下有著極大的需求，對其精確度和完好性要求不斷提高，所以優(yōu)化問題日益突出。就我國的 BDS 而言，自 2000 年發(fā)射2 顆北斗一號衛(wèi)星、有了自己的導(dǎo)航力量起，從艱難起步到全球組網(wǎng)，現(xiàn)已實現(xiàn)關(guān)鍵器部件100 %國產(chǎn)化，有著極好的發(fā)展環(huán)境，正是不斷學習其他成熟導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)點，并依據(jù)我國地理位置及其他具體情況不斷推進技術(shù)創(chuàng)新。同時也要注意導(dǎo)航技術(shù)并不僅僅指全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)，需要從多點、多面、多系統(tǒng)出發(fā)，才能使導(dǎo)航技術(shù)快速得到突破。