除了衛(wèi)星，還有這些導(dǎo)航神器!

鄧亮

導(dǎo)航分自主和非自主

導(dǎo)航設(shè)備根據(jù)對(duì)外部的依賴性，可將其分為非自主導(dǎo)航設(shè)備和自主導(dǎo)航設(shè)備。

非自主導(dǎo)航技術(shù)是通過(guò)接收外部信息進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)。最常見(jiàn)的是以北斗和GPS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航，該導(dǎo)航技術(shù)具有優(yōu)異的導(dǎo)航精度，位置精度可達(dá)亞米級(jí)，速度精度可達(dá)0.05米/秒，在眾多領(lǐng)域獲得了極為廣泛的應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用中，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也存在一些局限性。因此，人們?cè)谝恍╊I(lǐng)域也采用自主導(dǎo)航技術(shù)。

目前的自主導(dǎo)航技術(shù)依靠自身設(shè)備確定與外界固有規(guī)律（如重力加速度、地球自轉(zhuǎn)角速率、天體等之間的關(guān)系）完成自身定位，如慣性導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、仿生偏振光導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航、數(shù)據(jù)庫(kù)匹配導(dǎo)航。那么，這些自主導(dǎo)航是怎樣工作的呢？

慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)含有可以測(cè)量3個(gè)方向角度變化的陀螺儀和3個(gè)方向速度變化的加速度計(jì)，陀螺儀可以告訴武器裝備正在往哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，加速度計(jì)可以告訴武器裝備在空間中飛得有多快。

由于慣性導(dǎo)航完全不依賴于外界環(huán)境的信息，可以全天候、全區(qū)域、實(shí)時(shí)、連續(xù)地進(jìn)行導(dǎo)航，且可以提供武器裝備控制所需的所有導(dǎo)航參數(shù)，由此也奠定了慣性導(dǎo)航在武器系統(tǒng)中的核心地位，其他導(dǎo)航方式主要用于輔助慣性導(dǎo)航提高導(dǎo)航精度為主。當(dāng)前，天上飛的巡航導(dǎo)彈、制導(dǎo)彈藥、超音速無(wú)人機(jī)，陸上的裝甲車、發(fā)射車，海面的艦船、水下的潛艇都配備了慣性導(dǎo)航設(shè)備。

天文導(dǎo)航

天文導(dǎo)航和脈沖星導(dǎo)航類似，把天上的星星視為“燈塔”，是最早采用的導(dǎo)航手段。古代航海過(guò)程中，人們通常采用天文導(dǎo)航的方式，如根據(jù)北極星的方向，可以確定當(dāng)前航行的方向;根據(jù)與多個(gè)星星之間的方位及距離推算出當(dāng)前的位置。這種通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前位置與多個(gè)已知的自然天體之間的距離或者角度，從而解算出當(dāng)前的位置信息及姿態(tài)信息就是天文導(dǎo)航。天文導(dǎo)航自主性強(qiáng)且精度高，因此作為一種重要的輔助慣性導(dǎo)航的導(dǎo)航設(shè)備，受到了較高的重視。

視覺(jué)導(dǎo)航

視覺(jué)導(dǎo)航是大家最為熟悉的導(dǎo)航方式，因?yàn)槲覀円恢倍荚谟靡曈X(jué)進(jìn)行導(dǎo)航。我們通過(guò)眼睛觀察周圍環(huán)境，確定自己與周圍物體之間的距離以及自己所處的位置，為我們要怎么走提供依據(jù)。而武器系統(tǒng)中的視覺(jué)導(dǎo)航是通過(guò)攝像頭，它與我們的眼睛一樣，可以采集環(huán)境信息，若環(huán)境中存在已知絕對(duì)位置的坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量與該點(diǎn)的距離及方位，可以確定自身的位置;若環(huán)境中沒(méi)有絕對(duì)的位置信息，則可以測(cè)量與某一固定位置距離的變化，確定自身的速度信息;也可以通過(guò)采集環(huán)境信息中的視覺(jué)圖像與自身存儲(chǔ)的地圖進(jìn)行比較，確定自身所在的位置。視覺(jué)導(dǎo)航廣泛應(yīng)用在飛行器、無(wú)人車等領(lǐng)域。就在2020年4月，美國(guó)宇航局對(duì)Draper實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，以期望其在登陸月球時(shí)使用。

仿生偏振光導(dǎo)航與聲學(xué)導(dǎo)航

仿生偏振光導(dǎo)航的靈感來(lái)自于昆蟲(chóng)。研究表明，多種昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類、兩棲類生物都進(jìn)化出了感知天空偏振光航向角并將其用于導(dǎo)航的奇異能力，通過(guò)研究這些生物對(duì)偏振光感知的機(jī)理并制作相應(yīng)的傳感器，可以幫助武器裝備實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的目的。當(dāng)前，仿生導(dǎo)航已經(jīng)成為導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，仿生偏振光導(dǎo)航目前還處于研究階段，尚未在實(shí)際工程中應(yīng)用。

聲學(xué)導(dǎo)航在我們?nèi)粘Ｉ钪幸矔?huì)經(jīng)常接觸到：當(dāng)一輛車向我們駛來(lái)，以及駛離我們的過(guò)程，我們會(huì)聽(tīng)到車輛聲音的變化，這種變化就是耳朵接收聲波頻率的變化，在聲學(xué)領(lǐng)域稱之為多普勒效應(yīng)，利用這種聲波頻率的變化可以測(cè)算出運(yùn)動(dòng)的速度信息。聲學(xué)導(dǎo)航設(shè)備也可以向固定位置發(fā)射聲波，通過(guò)解算發(fā)射聲波及收到發(fā)射聲波之間的時(shí)間，確定與已知位置點(diǎn)的相對(duì)位置，從而得到位置信息。聲學(xué)導(dǎo)航通常用于魚(yú)雷、潛艇等為代表的水下應(yīng)用領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)聲學(xué)導(dǎo)航定位精度可優(yōu)于亞米級(jí)。

此外，還有“出鏡率”不高的數(shù)據(jù)庫(kù)匹配導(dǎo)航等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，多種導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，已經(jīng)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

（本文摘編自《中國(guó)航天報(bào)》飛天科普周刊）