國外導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

段國文 何慶順 劉偉

（1.海軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心 北京市 100071 2.天津航海儀器研究所 天津市 300130）

導(dǎo)航的本意是引導(dǎo)運(yùn)載體安全地航行，即將運(yùn)載體從一個(gè)地方安全的引導(dǎo)到另一個(gè)地方的過程。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它的概念逐漸豐富，各種標(biāo)志著近代、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多運(yùn)載工具，諸如飛機(jī)、火箭、核潛艇、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等的相繼出現(xiàn)，大大擴(kuò)展了“導(dǎo)航”的概念，除了保證載體的航行安全外，還需要為載體及內(nèi)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(dǎo)航技術(shù)已深入到人類生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，其長期穩(wěn)定地提供服務(wù)是國家正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。

隨著航空航天領(lǐng)域以及軍事武器的發(fā)展，對導(dǎo)航系統(tǒng)的要求不斷提高，如何獲得更高精度、高可靠性、強(qiáng)自主性的導(dǎo)航系統(tǒng)成為各國的重點(diǎn)研究問題。導(dǎo)航系統(tǒng)作為國家戰(zhàn)略前沿技術(shù)和國防關(guān)鍵技術(shù)，以美國為首，歐盟、俄羅斯、日本等國不斷推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等技術(shù)的發(fā)展，并取得了一定成果。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行定位及導(dǎo)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(shí)間信息。其導(dǎo)航誤差不隨時(shí)間積累，受氣候天氣影響較小。但是衛(wèi)星導(dǎo)航存在著動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力差、易受電磁干擾等缺點(diǎn)。衛(wèi)星導(dǎo)航伴隨著空間技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷地更新。

1.1 美國：鞏固GPS的主導(dǎo)地位

2019年8月，美國國防部公開了《國防部定位、導(dǎo)航和授時(shí)(PNT）整體戰(zhàn)略—確保美國軍隊(duì)PNT優(yōu)勢)報(bào)告，旨在利用現(xiàn)代化GPS等PNT能力，以模塊化開放系統(tǒng)集成方法，為聯(lián)合部隊(duì)提供精確、可靠和彈性的應(yīng)用服務(wù)。

GPS系統(tǒng)由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)及用戶設(shè)備組成。GPS系統(tǒng)以其高精度、全天候、高效率、多功能等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，但是相比于目前多個(gè)世界大國正在積極建設(shè)的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（如北斗、伽利略等），GPS系統(tǒng)日益顯現(xiàn)出很多方面的固有缺陷，如信號(hào)強(qiáng)度弱，難以穿透建筑物遮擋，信號(hào)公開、易受干擾以及導(dǎo)航電文必須每天更新一次，很難保證系統(tǒng)導(dǎo)航服務(wù)的可靠性等。為此，美國正逐步對GPS的空間段和地面控制端進(jìn)行升級，使其適應(yīng)現(xiàn)代化需求。

空間段：更新GPS衛(wèi)星，優(yōu)化星座布局。目前，GPS星座中共有31顆可運(yùn)行衛(wèi)星，包括8顆BLOCK IIR、7顆BLOCK IIR-M、12顆BLOCK IIF和4顆GPS III/IIIF。與之前的GPS衛(wèi)星相比，最新部署的GPS-III衛(wèi)星變化主要是：增加了L1頻段的互操作信號(hào)L1C，設(shè)計(jì)壽命增至15年，定位精度是原來型號(hào)的3倍，抗干擾能力是原來的8倍。在此基礎(chǔ)上，GPS-IIIF衛(wèi)星還將增加如下能力：在軌升級與信號(hào)重構(gòu)能力，點(diǎn)波束信號(hào)功率增強(qiáng)能力， V頻段高速星間/星地鏈路，增加搜索救援功能，增加激光反射器整列，提高衛(wèi)星軌道測量精度。GPS-III系列衛(wèi)星按計(jì)劃將于2034年左右完成部署，由10顆GPS-III衛(wèi)星和22顆GPS-IIIF衛(wèi)星構(gòu)成GPS衛(wèi)星星座。

地面控制段：當(dāng)前的地面控制段(OCS)包括一個(gè)主控站，一個(gè)備用主控站，11個(gè)命令和控制天線和16個(gè)監(jiān)測站。雷神公司將在2021年為美國提供下一代控制控制系統(tǒng)OCX，與GPS-III衛(wèi)星一起，OCX可以提高當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，并且解除對GPS星座衛(wèi)星數(shù)量的限制，這將增加其在建筑物、峽谷和山區(qū)等環(huán)境中信號(hào)的覆蓋范圍。

1.2 俄羅斯：打破美歐制裁，GLONASS星座全面更新啟動(dòng)

俄羅斯1993年開始獨(dú)自建立本國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS，于2007年開始在俄羅斯境內(nèi)開放衛(wèi)星定位及導(dǎo)航服務(wù)，至2009年其服務(wù)已擴(kuò)展到全球。目前GLONASS星系由28顆衛(wèi)星組成，其中23顆衛(wèi)星正在服役，1顆衛(wèi)星正在維修中，1顆衛(wèi)星備用，2顆衛(wèi)星處于飛行測試階段。2019年4月24日，俄羅斯航天國家集團(tuán)公司副總經(jīng)理尤里·里其奇表示，預(yù)計(jì)2025年之前將在系統(tǒng)高軌段部署6顆衛(wèi)星，其中首顆衛(wèi)星將于2023年投入運(yùn)行，而完成部署后將使GLONASS在半個(gè)地球范圍的導(dǎo)航精度提高25%。2020年10月25日俄羅斯將最新一顆衛(wèi)星-新一代15號(hào)GLONASS-K衛(wèi)星送入軌道，與之前的GLONASS-M衛(wèi)星不同，GLONASS-K衛(wèi)星攜帶兩種類型的導(dǎo)航信號(hào)-頻率分離信號(hào)和代碼分離信號(hào)。GLONASS系統(tǒng)最近的變化主要是在保留頻分多址(FDMA)信號(hào)的同時(shí)引入了碼分多址(CDMA)信號(hào)以及提高了星載時(shí)鐘的穩(wěn)定性。GLONASS系統(tǒng)計(jì)劃在未來增加一個(gè)類似于北斗的IGSO部分(GLONASS-B)和更好的全球地理分布式控制網(wǎng)絡(luò)。

1.3 歐洲：伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2016年12月15日開始提供早期運(yùn)行能力，并于2019年達(dá)到全面運(yùn)行能力。截止至2020年，計(jì)劃的30顆衛(wèi)星已全部部署完成，由24顆提供服務(wù)的衛(wèi)星和6顆在軌備用衛(wèi)星組成，位于地球上方23222公里高的三個(gè)圓形地球軌道平面上(MEO)。歐洲伽利略信號(hào)聯(lián)合設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)發(fā)明了“交替二進(jìn)制偏移載波(AltBOC)信號(hào)”和“復(fù)合二進(jìn)制偏移載波(CBOC)信號(hào)”技術(shù)，該技術(shù)不僅是衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制和復(fù)用技術(shù)的重大進(jìn)展，也被公認(rèn)是伽利略系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，并對國際衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

伽利略的地面部分由位于德國和意大利的兩個(gè)伽利略控制中心(GCC)組成，全球伽利略監(jiān)控站(GSS)網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)通過冗余通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至伽利略控制中心，伽利略控制中心使用該數(shù)據(jù)計(jì)算完整性信息，并使所有衛(wèi)星的時(shí)間信號(hào)與地面站時(shí)鐘同步。

作為功能的進(jìn)一步提升，伽利略將基于可操作的Cospas-Sarsat系統(tǒng)提供全局搜索和救援(SAR)功能，衛(wèi)星上配備的轉(zhuǎn)發(fā)器能夠?qū)⒂鲭U(xiǎn)信號(hào)從用戶發(fā)射器傳輸?shù)絽^(qū)域救援協(xié)調(diào)中心，然后啟動(dòng)救援工作。同時(shí)，系統(tǒng)將向用戶發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，通知用戶已檢測到他的危險(xiǎn)處境并正在提供救援。

2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航是指通過慣性測量獲得載體的加速度矢量信息，結(jié)合給定的初始條件（初始位置、速度矢量等）和已知數(shù)據(jù)（重力、時(shí)間等）解算及提供導(dǎo)航參數(shù)的導(dǎo)航方式。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在工作時(shí)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(nèi)的陸地、空中和水下的任何環(huán)境中自主、隱蔽地獲得運(yùn)載體的三維運(yùn)動(dòng)方向和位置信息，其自主性、隱蔽性和輸出參數(shù)全面的特點(diǎn)是衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航和天文導(dǎo)航等其他導(dǎo)航系統(tǒng)無法比擬的。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量部件、計(jì)算機(jī)和顯示單元三部分組成，其中，核心部分是由陀螺儀和加速度計(jì)等組成的慣性測量部件。經(jīng)過近百年的時(shí)間，慣性技術(shù)發(fā)展形成了基于經(jīng)典牛頓力學(xué)的機(jī)械式、基于Sagnac效應(yīng)的光學(xué)式、基于哥式振動(dòng)效應(yīng)的微機(jī)電式以及以原子干涉和原子自旋陀螺為代表的量子式等慣性技術(shù)。

以牛頓經(jīng)典力學(xué)原理為基礎(chǔ)的靜電陀螺、三浮陀螺、動(dòng)力調(diào)諧陀螺等為代表的第一代慣性儀表，具有精度高、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、航母和核潛艇等戰(zhàn)略級武器系統(tǒng)中，但是存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本高等缺點(diǎn)。

近年來，半球諧振慣導(dǎo)技術(shù)取得了飛速發(fā)展，DARPA認(rèn)為其是具有最佳SWAP-C（尺寸、質(zhì)量、功耗和成本）的導(dǎo)航級陀螺。諧振陀螺儀的原理是：在給定頻率下共振的物體，即使其支撐被旋轉(zhuǎn)，也始終在同一平面上保持共振。

法國賽峰公司是第一家具有工業(yè)規(guī)模的諧振陀螺儀制造商，2012年賽峰公司投資了一個(gè)名為CORLOLIS的高科技制造設(shè)施，使其獲得諧振陀螺的大規(guī)模生產(chǎn)能力，成功的降低了成本[1]。賽峰公司聲稱，他們的諧振陀螺儀可以取代光學(xué)陀螺儀，甚至可以取代冷原子陀螺儀，其高性能產(chǎn)品已經(jīng)在戰(zhàn)略級和戰(zhàn)術(shù)級如武器制導(dǎo)系統(tǒng)、航母和空間飛行器等導(dǎo)航場景應(yīng)用。諧振陀螺的高制造成本來自于傳感器的高制造精度和裝配要求，賽峰的電極支撐設(shè)計(jì)很好的解決了這一問題，該設(shè)計(jì)將電極放在平面上，確保諧振器驅(qū)動(dòng)力在半球穹頂?shù)某嗟烂娈a(chǎn)生，這樣諧振器的裝配只在二維平面上起到影響，降低了制造與裝配難度[2]。 2018年，賽峰公司報(bào)道其半球諧振陀螺在2000h內(nèi)的零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.0001°/h（1σ），接近量子陀螺的性能，標(biāo)度因數(shù)非線性低至0.1ppm。美國諾格公司的半球諧振陀螺儀以具有極高的可靠性著稱。近25年來，其諧振陀螺技術(shù)在200多艘航天器上為星際和深空任務(wù)做出了貢獻(xiàn)，在長達(dá)5000萬小時(shí)的總運(yùn)行時(shí)間中，沒有出現(xiàn)一次任務(wù)失敗的情況。諾格公司的可擴(kuò)展空間慣性參考裝置采用石英構(gòu)造，具有輻射硬化特性，并且不受老化的影響，非常適合15年以上的長期任務(wù)。諾格公司目前正在開發(fā)毫米半球諧振陀螺儀，該陀螺儀將在新型LR-450慣性測量裝置中使用。

基于Sagnac效應(yīng)的激光陀螺和光纖陀螺作為第二代慣性儀表的主要代表，具有無機(jī)械轉(zhuǎn)子、動(dòng)態(tài)適應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

諧振式光纖陀螺儀結(jié)合了像環(huán)形激光陀螺儀的對光線進(jìn)行再循環(huán)以增加靈敏度的信號(hào)噪聲屬性的特點(diǎn)，以及像干涉式光纖陀螺儀一樣通過多匝線圈加長光纖路徑長度的能力，在體積、成本等方面比環(huán)形激光陀螺儀和干涉式光纖陀螺儀更具理論潛力?；裟犴f爾公司提出利用相對較小的光纖諧振器和光學(xué)器件在一種硅光學(xué)試驗(yàn)臺(tái)(silicon optical bench, SIOB)，通過繼承硅光學(xué)平臺(tái)技術(shù)來使諧振腔和光學(xué)輸入設(shè)備小型化，推動(dòng)下一代小型商用導(dǎo)航設(shè)備的發(fā)展。采用全光纖諧振器和組件，和兩種鎖相激光器探測環(huán)形諧振器順時(shí)針和逆時(shí)針諧振的激光架構(gòu)。通過連接線圈的兩端，SIOB在閉合諧振腔回路中起著關(guān)鍵的作用，同時(shí)也提供了進(jìn)入諧振腔和離開諧振腔的輸入光路。通過將光纖放在V型槽的兩端，中間夾有球形透鏡，光纖就可以從環(huán)形光纖的一段對準(zhǔn)并聚焦到另一端。最新的試驗(yàn)結(jié)果顯示其零偏穩(wěn)定性小于0.02～0.007°/h。

基于原子自旋和原子干涉原理的第四代量子慣性技術(shù)發(fā)展迅猛，在超高精度導(dǎo)航和小型低成本導(dǎo)航級領(lǐng)域具有巨大潛力。原子干涉陀螺儀的原理基于原子的薩尼亞克效應(yīng)，原子干涉陀螺儀的理論零偏漂移比傳統(tǒng)陀螺儀低很多，理論精度可達(dá)到光學(xué)陀螺儀的1010倍[3]。原子自旋陀螺儀是利用堿金屬原子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)的自旋來實(shí)現(xiàn)角速度傳感。目前原子自旋陀螺的主流方案有兩種：一種是采用雙核方法的核磁共振原子自旋陀螺(NMRG)，另一種是工作在無自旋交換弛豫態(tài)(SERFG)下的原子自旋陀螺。

最近20年，雖然對于原子陀螺儀的研究依舊停留在樣機(jī)實(shí)驗(yàn)階段，但是歐美多國在原子自旋和干涉陀螺儀的研制與控制零度漂移方面均取得了各自的成果。1997年，美國斯坦福大學(xué)Kasevich研究組首先演示了基于Sagnac效應(yīng)的原子干涉陀螺儀的工作原理，2000年和2009年，該小組對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行不斷改進(jìn)，且通過加強(qiáng)原子束流和噪聲分離，提高了裝置的測量穩(wěn)定性；2011年，該小組展示了一個(gè)四脈沖的冷原子干涉陀螺儀，克服了以前原子干涉陀螺儀的精度和動(dòng)態(tài)范圍限制，短期靈敏度達(dá)到了4.8×10-16（°）·S-1·Hz-1/2。2012年，德國Rasel小組研制了對拋雙環(huán)路型冷原子干涉陀螺儀，該裝置中經(jīng)過二維冷卻的銣原子沿水平方向拋出，經(jīng)過空間分離的三脈沖拉曼光，得到干涉條紋，進(jìn)一步分析拉曼光平行度對干涉條紋的影響，并以此尋找拉曼光束的傾斜角度，在實(shí)驗(yàn)中得到3.5×10-5（°）·S-1·Hz-1/2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2019年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員升級了他們的緊湊型原子陀螺儀，該儀器利用點(diǎn)源原子干涉技術(shù)，首次使用單個(gè)原子源同時(shí)測量沿兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)和沿一個(gè)軸的加速度，經(jīng)試驗(yàn)所得NIST陀螺儀對旋轉(zhuǎn)測量的幅度和方向的靈敏度分別為0.033°/s和0.27°[6]。美國諾格公司（NORTHROP GRUMMAN）為美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）開發(fā)的微核磁共振陀螺使用原子核的自旋來檢測陀螺儀的旋轉(zhuǎn)，并在小尺寸、低功率的封裝中提供與導(dǎo)航級光纖陀螺儀相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

3 其他導(dǎo)航技術(shù)

3.1 重力導(dǎo)航技術(shù)

重力導(dǎo)航是指利用載體重力/重力梯度傳感器實(shí)時(shí)測量載體所在重力場，并通過重力圖匹配實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的技術(shù)手段。20世紀(jì)80年代中期以前，重力導(dǎo)航研究主要集中在運(yùn)動(dòng)基座重力梯度儀、重力輔助導(dǎo)航原理和匹配理論上。美國海軍在1998年和1999年分別在水面艦船和潛艇上對UGM進(jìn)行了演示驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用重力圖匹配技術(shù)，可將導(dǎo)航系統(tǒng)誤差降低至導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)稱誤差的10%。20世紀(jì)90年代后期，洛克希德·馬丁公司成功研制通用重力模塊（UGM），提供無源重力導(dǎo)航和地形估計(jì)，可直接應(yīng)用于現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)。洛克希德·馬丁公司最近開始廣泛向勘探行業(yè)提供兩種類型的重力梯度儀：全張量重力梯度儀系統(tǒng)(FTG)和部分張量系統(tǒng)，其下一代儀器增強(qiáng)型FTG(eFTG)是世界上最先進(jìn)的動(dòng)基座重力梯度儀，其本底噪聲比FTG低三倍，意味著增強(qiáng)型FTG具有更高的準(zhǔn)確性和空間分辨率。重力導(dǎo)航的發(fā)展趨勢是重力傳感器向高精度、小體積和輕質(zhì)化方向發(fā)展，系統(tǒng)向通用化方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域從最初的彈道導(dǎo)彈核潛艇逐漸擴(kuò)展到航空、陸地車輛和地質(zhì)勘探等。

3.2 天文導(dǎo)航技術(shù)

天文導(dǎo)航是指已知準(zhǔn)確空間位置的、不可毀滅的自然天體為基準(zhǔn)，并通過廣電或射電方式被動(dòng)探測天體位置，結(jié)算測量點(diǎn)經(jīng)緯度、航向和姿態(tài)等信息的技術(shù)手段，具有被動(dòng)式隱蔽測量、全自主導(dǎo)航、定位定向精度較高、誤差不隨時(shí)間積累的特點(diǎn)。天文導(dǎo)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(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)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(fù)的能量脈沖。對于快速旋轉(zhuǎn)的中子星，其旋轉(zhuǎn)軸與磁極不對稱，這種錯(cuò)位導(dǎo)致他們的信號(hào)強(qiáng)度隨著脈沖星的旋轉(zhuǎn)而變化，從而提供高度穩(wěn)定的時(shí)間相關(guān)信號(hào)，可用于精確計(jì)時(shí)和導(dǎo)航。

2006年，美國DARPA啟動(dòng)XNAV計(jì)劃[4]，目的是根據(jù)對近地軍事應(yīng)用的某些極其穩(wěn)定的毫秒X射線脈沖星的觀察，開發(fā)獨(dú)立于GPS的精確導(dǎo)航和計(jì)時(shí)系統(tǒng)。2018年，NASA已經(jīng)證明自主X射線導(dǎo)航用于載人航天器的可能性[4]。NASA的SEXTANT實(shí)驗(yàn)展示了毫秒脈沖星可以用于準(zhǔn)確確定在太空中以每小時(shí)數(shù)千英里速度移動(dòng)的物體的位置，實(shí)驗(yàn)中，SEXTANT利用中子星探測器（NICER）上的52個(gè)X射線望遠(yuǎn)鏡和硅漂移探測器來探測從四個(gè)毫秒脈沖星目標(biāo)發(fā)出的X射線，脈沖星數(shù)據(jù)被輸入機(jī)載算法，自動(dòng)生成導(dǎo)航解決方案，用于確定NICER在地球軌道上的位置[5]。

X脈沖星導(dǎo)航技術(shù)在工程中的主要問題是設(shè)備研制難度大，以及高可模糊度求解方法和基于觀測的時(shí)間轉(zhuǎn)換模型的精確建立方法還有待進(jìn)一步研究。

3.3 景象匹配導(dǎo)航技術(shù)

景象匹配導(dǎo)航技術(shù)是指利用載體高分辨率雷達(dá)或光電圖像傳感器實(shí)時(shí)獲取地面景物圖像，與預(yù)先存儲(chǔ)的二維景象數(shù)字地圖比較，確定載體位置的技術(shù)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_(dá)（SAR）的景象匹配導(dǎo)航技術(shù)日益成熟。SAR景象匹配導(dǎo)航利用實(shí)時(shí)SAR圖像信息與事先準(zhǔn)備好的數(shù)字地圖或景象信息進(jìn)行比較和辨識(shí)，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(yīng)全天候和全天時(shí)導(dǎo)航應(yīng)用等特點(diǎn)。俄羅斯白楊-M地對地洲際導(dǎo)彈采用SAR景象匹配導(dǎo)航，打擊精度優(yōu)于60m（CEP），美國洛拉爾公司的SAR引導(dǎo)頭，采用平板陣列天線，可向側(cè)面旋轉(zhuǎn)或向側(cè)前方直視，既可用于中段匹配導(dǎo)航，也可在導(dǎo)彈臨近目標(biāo)時(shí)提供具有較好分辨率的目標(biāo)SAR圖像，提高打擊精度。德國MBDA/LFK公司和瑞典的薩伯博福斯公司聯(lián)合開發(fā)的KEPD-350導(dǎo)彈在制導(dǎo)過程中也使用了景象匹配導(dǎo)航技術(shù)，在2001年7月的首次掛飛試驗(yàn)中，其紅外導(dǎo)頭識(shí)別出了20個(gè)預(yù)定導(dǎo)航點(diǎn)中的19個(gè)，在2004年的一次試驗(yàn)，在100公里的行程中完全關(guān)閉GPS導(dǎo)航，僅依靠地形匹配和景象匹配導(dǎo)航，達(dá)到了較高的導(dǎo)航精度。

3.4 地磁導(dǎo)航技術(shù)

地磁導(dǎo)航是指利用載體磁場傳感器實(shí)時(shí)測量載體所在磁場，與地磁數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，進(jìn)而確定載體位置的技術(shù)手段。地磁導(dǎo)航具有無源、無輻射、全天候、全地域的特點(diǎn)，在航天器定軌、航空領(lǐng)域和水下自主導(dǎo)航等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。2017年，美國空軍理工學(xué)院Aaron Canciani教授設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)載無源導(dǎo)航系統(tǒng)，包括光泵標(biāo)量磁強(qiáng)計(jì)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、氣壓計(jì)和磁異常圖，給出了完整的測量方程來描述實(shí)時(shí)磁場強(qiáng)度測量結(jié)果與磁異常圖之間的重要關(guān)系。在試驗(yàn)中，飛機(jī)在1000英尺的高度上進(jìn)行了一小時(shí)的飛行，導(dǎo)航系統(tǒng)的水平DRMS誤差為13米[7]，試驗(yàn)結(jié)果較以前發(fā)表的地磁導(dǎo)航精度有了數(shù)量級的改進(jìn)。由于磁強(qiáng)計(jì)收集的總磁場是地球磁場和載體磁場的疊加，地磁導(dǎo)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(xué)院人工智能加速器研究小組通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，使用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從總磁場中去除飛機(jī)磁場，所得的地磁導(dǎo)航定位精度可精確到10m[8]。并且美國空軍正在與麻省理工學(xué)院合作，空軍領(lǐng)導(dǎo)人在開放研究社區(qū)共享他們的數(shù)據(jù)集，以對人工智能改進(jìn)地磁導(dǎo)航提供幫助。

4 導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展趨勢

4.1 發(fā)展自主導(dǎo)航技術(shù)，持續(xù)提高自主導(dǎo)航能力

從廣義上將，所有不需要外部設(shè)備支持，可自己測得導(dǎo)航信息的方式均為自主導(dǎo)航，如慣性導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航、重力導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、景象匹配導(dǎo)航等，具有自主性、隱蔽性、不易受外界干擾等特點(diǎn)，在提高載體拒止環(huán)境下導(dǎo)航系統(tǒng)的生存能力和滿足任務(wù)特殊階段的導(dǎo)航需求等方面具有明顯優(yōu)勢，成為未來導(dǎo)航領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的重要方向，在軍用領(lǐng)域更是有著重要意義。2019年，美國國防部地《國防部PNT整體戰(zhàn)略-確保美國軍隊(duì)PNT優(yōu)勢》報(bào)告中，強(qiáng)調(diào)GPS可能會(huì)在全球范圍內(nèi)收到干擾。多年來，美國軍方圍繞GPS構(gòu)造了其武器系統(tǒng)，這也產(chǎn)生了巨大的依賴性，并且由于GPS信號(hào)強(qiáng)度弱、信號(hào)公開、易干擾等缺點(diǎn)，使其在軍事行動(dòng)中成為對方針對的目標(biāo)。因此，發(fā)展不依賴外部信息的自主導(dǎo)航系統(tǒng)勢在必行。

目前占主導(dǎo)地位的自主導(dǎo)航技術(shù)是慣性導(dǎo)航技術(shù)。慣性導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步主要依靠三方面科學(xué)技術(shù)的：新型慣性器件和測量原理、更先進(jìn)的制造工藝和更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)。為滿足軍用領(lǐng)域?qū)T性導(dǎo)航系統(tǒng)高精度、長航時(shí)和惡劣工作條件的要求，促使其向著高精度、高可靠性、惡劣條件下的適應(yīng)性以及小型化、低功耗等方向發(fā)展。

目前，靜電慣導(dǎo)仍然是世界上最高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)，同時(shí)激光慣導(dǎo)、光纖慣導(dǎo)和半球諧振慣導(dǎo)正逐步接近和達(dá)到傳統(tǒng)戰(zhàn)略級應(yīng)用精度。原子陀螺儀具有較高的理論精度，有望在高精度慣性導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，但是目前的研究還只停留在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)階段，從理論走向?qū)嵺`，實(shí)現(xiàn)工程化還需要較長時(shí)間。

4.2 多源信息融合，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的集成一體化設(shè)計(jì)

外部環(huán)境復(fù)雜的條件下，單一源導(dǎo)航系統(tǒng)存在不連續(xù)、不可用或不可靠的風(fēng)險(xiǎn)。美國《2018年國家授時(shí)彈性與安全法案》要求交通部在2年內(nèi)建設(shè)針對GPS信號(hào)收到干擾或衰減及不可靠、不可用的情況下，軍民用戶依然可以獲得不受干擾和未被破壞的授時(shí)信號(hào)，美國《國防部PNT整體戰(zhàn)略-確保美國軍隊(duì)PNT優(yōu)勢》報(bào)告中也提到，“GPS可能會(huì)在全球收到干擾，接收機(jī)需擁有多種不同PNT源和模塊化開放系統(tǒng)”，發(fā)展目標(biāo)是到2025年，融合所有可用的信息源，利用各種信息傳輸渠道，在各種地面環(huán)境和對抗條件下，為作戰(zhàn)部隊(duì)提供實(shí)時(shí)、有效、精確的定位、導(dǎo)航與授時(shí)信息。

多導(dǎo)航信息源融合絕不是多種不同原理的傳感器的簡單捆綁集成，簡單捆綁集成會(huì)帶來體積龐大、功耗高和互相干擾等問題。

合理的多源信息融合系統(tǒng)首先要進(jìn)行合理的一體化設(shè)計(jì)，能共用的組件必須共用，如控制、數(shù)據(jù)處理單元等，不能共用的組件也應(yīng)做到模塊化，各類組件及接口應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，做到即插即用；其次，各信息源應(yīng)做到智能化選擇，在特定場景下，系統(tǒng)根據(jù)自身感知能力進(jìn)行信息源的優(yōu)選組合，確保導(dǎo)航信息的準(zhǔn)確性和復(fù)雜場景下的連續(xù)性。

4.3 安全航行與無人系統(tǒng)需求牽引，智能技術(shù)發(fā)展支持，促使智能化導(dǎo)航快速發(fā)展

近年來，無人機(jī)、無人艇技術(shù)的快速發(fā)展，以及安全航行、智能駕駛等領(lǐng)域的需求，使得智能化導(dǎo)航也成為一種發(fā)展趨勢。在2018年安全和船舶運(yùn)輸報(bào)告中評估的15000起海洋責(zé)任保險(xiǎn)行業(yè)索賠中，有75%起是人為結(jié)果造成的。在大多數(shù)情況下，低能見度、船員操控失誤以及水道中船舶擁擠是造成船舶碰撞的主要原因。針對任務(wù)需求的路徑規(guī)劃、自動(dòng)駕駛、導(dǎo)航態(tài)勢能力評估和場景化的人機(jī)智能交互等需求，人工智能、深度學(xué)習(xí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)計(jì)算與挖掘、模式識(shí)別等技術(shù)被不斷地應(yīng)用在導(dǎo)航系統(tǒng)中，形成海陸空三維一體的信息保障技術(shù)條件，并且無人機(jī)、無人艇、汽車等的自動(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)操控、自動(dòng)避障等技術(shù)也同步取得進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)操縱控制的智能化、自動(dòng)化，提高特殊工況下操縱控制的安全性、高效性。但是目前智能化導(dǎo)航所取得的成果只能為人工操控提供參考，或只能在簡單的環(huán)境中起作用，而面對如船舶港口、擁擠路段等復(fù)雜環(huán)境下的可靠性、突發(fā)事件的處理技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)操控還有很長的路要走。

5 結(jié)論

近年來，導(dǎo)航技術(shù)不斷發(fā)展，各種導(dǎo)航系統(tǒng)之間融合逐漸加深，導(dǎo)航技術(shù)與其他新興技術(shù)的結(jié)合也日益豐富。西方各強(qiáng)國均將導(dǎo)航技術(shù)列為國家發(fā)展的重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)。我國導(dǎo)航系統(tǒng)在高端技術(shù)領(lǐng)域與西方國家還存在差距，我們應(yīng)正視差距，加大力度發(fā)展高端導(dǎo)航技術(shù)，為我國軍事和民用導(dǎo)航需求提供保障。