論導航控制原理及技術要點分析

劉立紅

摘要：導航的本意是引導運載體安全地航行，即將運載體從一個地方安全的引導到另一個地方的過程。但是隨著科學技術的發(fā)展，它的概念逐漸豐富，各種標志著近代、現代科學技術的眾多運載工具，諸如飛機、火箭、核潛艇、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等的相繼出現，大大擴展了“導航”的概念，除了保證載體的航行安全外，還需要為載體及內部如測量、武器、監(jiān)視等系統(tǒng)提供精確的定向、定位、速度等信息。導航技術已深入到人類生產生活的各個領域，其長期穩(wěn)定地提供服務是國家正常運轉的重要保障。

關鍵詞：導航控制;原理;技術要點

引言

近年來，導航技術不斷發(fā)展，各種導航系統(tǒng)之間融合逐漸加深，導航技術與其他新興技術的結合也日益豐富。我國導航系統(tǒng)在高端技術領域與西方國家還存在差距，我們應正視差距，加大力度發(fā)展高端導航技術，為我國軍事和民用導航需求提供保障。

1導航控制原理

1.1慣性導航

從本質上講，慣性導航系統(tǒng)的原理是指運用慣性加速度計在三個彼此垂直的方向中測量出導彈質心運動的加速度分量，并在提供運動初始條件的基礎上，運用制導計算機得到載體的速度、位置以及距離等信息，并明確導彈在不同時刻的坐標值和速度值。結合給定的初始條件（初始位置、速度矢量等）和已知數據（重力、時間等）解算及提供導航參數的導航方式。慣性導航系統(tǒng)在工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，能夠在全天候條件下，在全球范圍內的陸地、空中和水下的任何環(huán)境中自主、隱蔽地獲得運載體的三維運動方向和位置信息，其自主性、隱蔽性和輸出參數全面的特點是衛(wèi)星導航、無線電導航和天文導航等其他導航系統(tǒng)無法比擬的。同時，還要運用陀螺儀檢測出載體的角運動，并在轉換和處理下得到載體的姿態(tài)和航向。將上述數值和理論飛行軌跡的對應數值進行對比分析，就能在發(fā)現偏差數值的同時進行合理調整。

1.2 GPS導航定位

GPS是運用衛(wèi)星進行測量和導航的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其在導彈導航控制系統(tǒng)中應用的最早，且具有極強的穩(wěn)定性。衛(wèi)星導航利用導航衛(wèi)星進行定位及導航，能在地球表面或近地空間為用戶持續(xù)地提供全天候的三維位置、速度及時間信息。其導航誤差不隨時間積累，受氣候天氣影響較小。但是衛(wèi)星導航存在著動態(tài)響應能力差、易受電磁干擾等缺點。衛(wèi)星導航伴隨著空間技術和電子技術的發(fā)展而不斷地更新。一般來講，GPS包含了用戶接收系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及空間衛(wèi)星系統(tǒng)這三部分。其中，空間衛(wèi)星系統(tǒng)是指均衡分布在六個軌道平面上的二十四顆高軌道工作衛(wèi)星，各個軌道平面相對于赤道平面而言有50°度傾角。從空間系統(tǒng)來看，所有衛(wèi)星每12小時就會沿著圓形軌跡繞地球一周，并運用星載高精度原子鐘來管控無線電發(fā)射機的工作，可以確保其進行持續(xù)且實時的導航定位。這一導航定位系統(tǒng)向用戶提供的導航電文屬于不歸零的二進制數據碼，碼率為50赫茲。此時為了降低衛(wèi)星消耗電能，提高GPS信號的嚴謹性和抗干擾性，GPS需要運用偽噪聲碼將不歸零的二進制數據碼轉變?yōu)镻碼或C/A碼兩種類型。在實際控制操作時，GPS衛(wèi)星定位技術最重要的就是對衛(wèi)星所在位置和用戶所在位置的計算。

1.3地形匹配導航

這一系統(tǒng)主要用于處理導彈巡航期間的輔助導航定位，實際精度可以達到幾十米，且不會受光照條件、氣候變化以及季節(jié)等因素的影響，最常用于丘陵地區(qū)，屬于自主是導航系統(tǒng)。因為這一系統(tǒng)技術具有極強的隱蔽性，所以很難在實踐操作中被發(fā)現或受干擾，同時這一系統(tǒng)有極強的穩(wěn)定性，因此不會受地面建筑或四季變化所影響，且很難在導航匹配期間出現不必要的難題。另外，由于地球表層的地形和道路等跌宕起伏彼此交錯，且相關數據信息很難被及時發(fā)現，所以在設計導航控制系統(tǒng)時，就運用了地形輪廓來明確飛行器所處區(qū)域的地理位置，這也是地形匹配導航系統(tǒng)所遵循的運行原理。

2導航技術要點分析

2.1重力導航技術

重力導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導航定位的技術手段。采用重力圖匹配技術，可將導航系統(tǒng)誤差降低至導航系統(tǒng)標稱誤差的10%。重力導航的發(fā)展趨勢是重力傳感器向高精度、小體積和輕質化方向發(fā)展，系統(tǒng)向通用化方向發(fā)展，應用領域從最初的彈道導彈核潛艇逐漸擴展到航空、陸地車輛和地質勘探等。

2.2天文導航技術

天文導航是指已知準確空間位置的、不可毀滅的自然天體為基準，并通過廣電或射電方式被動探測天體位置，結算測量點經緯度、航向和姿態(tài)等信息的技術手段，具有被動式隱蔽測量、全自主導航、定位定向精度較高、誤差不隨時間積累的特點。天文導航的發(fā)展趨勢是向以X射線脈沖星為代表的新型天文導航技術領域擴展。X射線脈沖星是中子星，與其他自然資源發(fā)射穩(wěn)態(tài)輻射不同，脈沖星可以發(fā)送短暫、重復的能量脈沖。對于快速旋轉的中子星，其旋轉軸與磁極不對稱，這種錯位導致他們的信號強度隨著脈沖星的旋轉而變化，從而提供高度穩(wěn)定的時間相關信號，可用于精確計時和導航。

2.3景象匹配導航技術

景象匹配導航技術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，與預先存儲的二維景象數字地圖比較，確定載體位置的技術手段，尤其在景象特征明顯的區(qū)域有著較高的定位精度?；诤铣煽讖嚼走_（SAR）的景象匹配導航技術日益成熟。SAR景象匹配導航利用實時SAR圖像信息與事先準備好的數字地圖或景象信息進行比較和辨識，從而確定載體的位置，具有圖像分辨率高、穿透屏蔽成像、適應全天候和全天時導航應用等特點。

2.4地磁導航技術

地磁導航是指利用載體磁場傳感器實時測量載體所在磁場，與地磁數據庫進行比較，進而確定載體位置的技術手段。地磁導航具有無源、無輻射、全天候、全地域的特點，在航天器定軌、航空領域和水下自主導航等領域具有巨大的應用前景。由于磁強計收集的總磁場是地球磁場和載體磁場的疊加，地磁導航的一大難題是如何將地球磁場從總磁場中分離出來。麻省理工學院人工智能加速器研究小組通過機器學習的方法，使用訓練好的神經網絡從總磁場中去除飛機磁場，所得的地磁導航定位精度可精確到10m。并且美國空軍正在與麻省理工學院合作，空軍領導人在開放研究社區(qū)共享他們的數據集，以對人工智能改進地磁導航提供幫助。

結束語

在新時代背景下，加強對巡航導彈及其技術原理等內容的認識和理解，注重應用現代化技術理念進行優(yōu)化創(chuàng)新，不僅能全面提高導彈導航控制系統(tǒng)的應用水平，而且可以進一步加強我國國防力量。因此，科研學者要在整合以往工作經驗的基礎上，多學習和借鑒國內外優(yōu)秀的研發(fā)經驗和技術理念，只有這樣才能按照預期目標穩(wěn)步發(fā)展。

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