地球自然矢量場定位導航技術(shù)發(fā)展研究綜述

晏磊，施闖，李安，曾慶化，張全德，汲萬峰，陳三明

( 1. 北京大學空間信息集成與3S 工程應(yīng)用北京市重點實驗室, 北京 100871；2. 桂林航天工業(yè)學院計算機科學與工程學院, 廣西 桂林 541004；3. 北京航空航天大學電子信息工程學院, 北京 100191；4. 海軍工程大學電氣工程學院, 武漢 430030；5. 南京航空航天大學自動化學院, 南京 210016；6. 中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會, 北京 100036；7. 海軍航空大學航空基礎(chǔ)學院, 山東 煙臺 264001 )

0 引言

地球觀測作為二十一世紀最重要的高技術(shù)國家戰(zhàn)略領(lǐng)域，它包含兩個要素：一個是觀測對象(What)及其分子物理化學特征(Why)即遙感；一個是四維時間加空間即定位導航(Where，When).

定位導航是一門古老而又年輕的科學. 在衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)出現(xiàn)之前，遠程定位與導航主要利用無線電導航系統(tǒng). 無線電定位導航經(jīng)過了羅蘭-C、Omega、多普勒系統(tǒng)等方法，在定位與導航技術(shù)發(fā)展歷史上起到了非常重要的作用，但其覆蓋的工作區(qū)域小，電波傳播受大氣影響，定位精度不高，這在很大程度上限制了它的發(fā)展和應(yīng)用. 直到二十世紀九十年代GNSS的發(fā)展，可在全球范圍內(nèi)為海上、陸地、空中和空間用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務(wù)，使船舶、飛機和汽車等運載工具的定位與導航發(fā)生了跨時代的變革[1]. 但GNSS 也存在著一些不足之處，如衛(wèi)星信號易受干擾、在隱蔽地區(qū)接收效果差、無入水能力、對水下定位有一定的難度，并且在一些特殊環(huán)境及關(guān)鍵時刻應(yīng)用會受到很大的限制.另一方面，慣性導航系統(tǒng)(inertial navigation system，INS)雖然短期定位精度高，但誤差會隨時間積累[2].基于這種考慮，在衛(wèi)星信號不能覆蓋或者受到電磁干擾的環(huán)境下，研究獨立自主的定位導航新技術(shù)顯得尤為重要.

1 地球自然矢量場

地球自然矢量場，是指可以在地球全域或相當區(qū)域自然形成的矢量場.

由于自然界中存在的萬有引力和地球的自轉(zhuǎn)，地球周圍的空間中分布著地球重力場和地球磁場. 地球重力場是指地球重力作用，一般認為是地球萬有引力的作用，其大小取決于地球內(nèi)部物質(zhì)的分布，以及緯度和地球自轉(zhuǎn)，通常指地球表面附近的地球引力場[3].

地球磁場是由于地球自轉(zhuǎn)而形成的，位于地球內(nèi)部及其周圍空間內(nèi)的矢量場，地磁場遍布于地球近地空間，是一個矢量場，其是由各種不同來源的磁場疊加構(gòu)成的，按其來源可把地磁場區(qū)分為兩大部分：一部分為主要來源于地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場；另一部分為主要起源于地球外部的快速變化磁場[4].

受到地球自轉(zhuǎn)帶來的牛頓力學影響，在地球內(nèi)部介質(zhì)不均勻性的影響下，地表出現(xiàn)了不同的地形構(gòu)造，地形地貌可以以高程場來表征. 因為地表高程的變化是連續(xù)的，我們可以將不同區(qū)域尺度的高程垂直梯度變化作為“場軸”，不同高程的平滑區(qū)域視為不同的高程“力線”，由此對穩(wěn)定的地形地貌可以以自然高程矢量場加以規(guī)范，形成地形地貌高程的自然矢量場[5].

太陽輻射進入地球時會受到大氣粒子、地表等的折射、散射和反射影響，使得太陽光產(chǎn)生偏振現(xiàn)象.以太陽電磁波的形式，經(jīng)地球地氣圈層的偏振作用向地物傳遞能量，形成場源-力線結(jié)合的天空偏振場. 偏振場是除了地磁場和重力場的另一個重要的自然場[6].已有的全域自然場的成因是牛頓力學即萬有引力和地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng)，未考慮天體的能量入射效應(yīng)，即太陽光的能量入射作用；而偏振場是太陽照射整個地球形成的、在地球周圍空間分布的全域自然場，它跨越了牛頓力學慣性空間，進入光量子運動即光速范疇，成為時空相對論效應(yīng)的基礎(chǔ)激勵源. 天空偏振場和地球重力場、地磁場一樣具有全球性的特點，存在很多相似性；其本身作為太陽能量入射地球的客觀表征，具有廣泛應(yīng)用前景；三場結(jié)合，有望成為萬有引力、地球自轉(zhuǎn)與太陽能量相互作用于地球的完美表征和規(guī)律基礎(chǔ)[7].

靜電場指的是觀察者與電荷量不隨時間發(fā)生變化的電荷相對靜止時所觀察到的電場. 它是電荷周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)，其基本特征是對置于其中的靜止電荷有力的作用[8]. 對于靜電陀螺(electrostatic suspended gyroscope，ESG)，處于高度真空的球形電極碗中的球形轉(zhuǎn)子與碗電極之間的間隙很小，在電極與轉(zhuǎn)子之間加上支承高壓，在電極與球形轉(zhuǎn)子之間形成了強電場. 當球形轉(zhuǎn)子受到電場中的靜電力平衡時，球形轉(zhuǎn)子就被支承起來.

重力場、地磁場、地形地貌高程“場”、太陽入射的偏振場和人工靜電場都可以以不同的形式用于定位與導航. 在地球重力場中，每一點所受重力的大小和方向只同該點的位置有關(guān)，與地球磁場、靜電場一樣，地球重力場也有重力、重力線、重力位和等位面等要素[9]. 地磁場及其時空變化包含著固體地球及地球空間環(huán)境的重要信息[10]. 自然界的許多動物利用地球磁場進行定位導航. 由于地球內(nèi)部介質(zhì)的不均勻性，因此在地球自轉(zhuǎn)的作用下，使地表出現(xiàn)了各異的地形地貌. 而這種隨著高度改變的三維地形也可以視為一種地球矢量場，并利用其各異性來進行導航. 偏振光場導航的基本原理是：當太陽光或月光進入大氣層被大氣分子散射以后，在天空中就形成了一個對稱于天頂與太陽連線的偏振模式圖，動物就是依據(jù)自身軸線與偏振力線的夾角測知自己的方位，即從動物偏振視覺從中獲取導航所需的方向信息；同時基于某個參照點如巢穴，完成導航功能[11]. 靜電場也是一種存在于地球空間內(nèi)的靜電場，利用支承系統(tǒng)可以研制精密度極高的靜電陀螺儀，能夠?qū)O其微小的重力變化做出反應(yīng)，因此ESG 也被用來導航.

由于這些方法均屬于被動定位導航，因此不受天氣、信號干擾等客觀條件的影響，具有很強的獨立性與自主性，是建設(shè)更加泛在、更加融合、更加智能、更加安全的國家綜合時空體系的重要組成部分. 尤其在深空、深地和深?？茖W研究中占有極為重要的地位[12]. 自然矢量場定位導航技術(shù)與衛(wèi)星定位導航技術(shù)結(jié)合，有望將多傳感器融合定位導航技術(shù)推向一個新的高度.

2 重力自然矢量場定位導航

重力導航是一種利用重力敏感儀表測量實現(xiàn)的圖形跟蹤導航技術(shù)[13]. 事先做好重力分布圖，分布圖中各路線都有特殊的重力分布. 重力分布圖存儲在導航系統(tǒng)中，再利用重力敏感儀器測定重力場特性來搜索期望的路線[14]. 通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計特性曲線識別法使運載體確認、跟蹤或橫過路線，到達某個目地點. 這種方法由于不進行輻射，不使用外部坐標，所以稱為無源重力導航. 無源重力導航具有精度高、不受時間限制、無輻射，隱蔽性強等特點，符合21 世紀水下運載體“高精度、長時間、自主性、無源性”的導航需求，是未來導航發(fā)展的一個重要方向.

2.1 國外在重力輔助慣性導航科學上的研究歷史

國外對重力導航系統(tǒng)的研究基本上可分為三個階段[15]：20 世紀80 年代中期以前，研究工作主要集中在運動基座重力梯度儀、重力導航原理、匹配理論的研究；90 年代前后，研究工作主要集中在以重力梯度為匹配對象的無源導航系統(tǒng)；90 年代后期至今，以重力異常和重力梯度為匹配對象的高精度無源重力導航和海底地形估計(terrain estimation，ET). 重力匹配理論和算法以Kalman 濾波理論為主，部分系統(tǒng)采用迭代最近等值點 (iterative closest contour point，ICCP)算法[16].

20 世紀80 年代中期以前，重力導航系統(tǒng)的研究以Analytic Sciences Corporation 公司W(wǎng)arren G H 為代表，提出兩種重力導航方案：重力梯度儀導航(gradiometer as an external navigation aid，GAEA)和參考橢球?qū)Ш?reference ellipsoid formula as an external navigation aid，REFAEA)[11]，奠定了重力導航研究的基礎(chǔ). 由于當時還沒有重力分布圖，方案主要是利用重力場統(tǒng)計模型和重力梯度作為觀測量通過Kalman濾波估計位置、速度和重力梯度誤差. Kalman濾波的狀態(tài)向量為，其中，g為正常重力值， ξ 為北向垂線偏差角， δVn為北向速度誤差， δRn為北向位置誤差. 研究方法主要以理論分析和仿真實驗為主.

20 世紀90 年代初，隨著Bell Aerospace 公司旋轉(zhuǎn)式重力梯度儀(gravity gradiometer instrument, GGI)的成功研制，利用重力圖形匹配技術(shù)改善INS 性能的新概念被提出. Bell Aerospace 公司、洛克希德-馬丁公司(Lockheed-Martin Federal System Inc)等機構(gòu)對重力圖形匹配技術(shù)開展了專項研究，并取得了預期成果[17]. 貝爾實驗室以Albert 為代表的研究人員開發(fā)了重力輔助慣性導航系統(tǒng)(gravity aided inertial navigation system, GAINS)，并于1994 年申請了美國專利. 該系統(tǒng)最多由三個重力梯度儀、一個裝有垂向加速度計(GMA，作為重力儀)的三軸INS、一個測深儀、重力分布圖和一個最優(yōu)濾波器組成，通過與重力分布圖匹配提供位置坐標，以無源方式實現(xiàn)減少和限定慣性誤差，通過仿真試驗可以獲得約 6～305 m 的平面位置誤差(CEP)和 0.004～0.5144 m/s 的水平速度誤差.

20 世紀90 年代后期，洛克希德-馬丁導航與重力系統(tǒng)公司(Navigation And Gravity System, NGS, 此時 Bell Aerospace 已并入NGS)研制成功通用重力模塊(universal gravity module, UGM). 該系統(tǒng)提供重力無源導航(gravity passive navigation, PN)和ET 能力，于2000 年申請了美國專利. UGM 不僅成本低，而且可直接應(yīng)用于現(xiàn)有導航系統(tǒng)，大大增強現(xiàn)在和將來艦載導彈和潛艇的巡航能力. 美國海軍于1998 年和1999 年分別在水面艦船和潛艇上對UGM 進行了演示驗證. 實驗數(shù)據(jù)表明，采用重力圖形匹配技術(shù)，可將導航系統(tǒng)的經(jīng)、緯度誤差降低至導航系統(tǒng)標稱誤差的10%；自主式水下潛器(autonomous underwater vehicle，AUV)系統(tǒng)上采用高精度的全張量梯度儀(full tensor gradiometer, FTG)重力導航可使導航精度達到30 m 的水平[18].

2.2 國內(nèi)在重力輔助慣性導航科學上的研究歷史

國內(nèi)開展重力導航系統(tǒng)的研究始于本世紀初，主要單位有原海軍裝備研究院、北京大學、東南大學、哈爾濱工程大學、中國科學院測量與地球物理研究所、海軍工程大學等單位. 其中，北京大學與原海軍裝備研究院合作，從適用于重力導航的全球重力場模型、重力實時測量理論和方法、重力異常圖的二維隨機場插值理論和重力異常匹配理論進行了系統(tǒng)化的研究，取得了一定的進展；哈爾濱工程大學主要圍繞基于ICCP 算法的重力匹配定位和重力場的Kriging插值算法進行了研究；中國科學院測量與地球物理研究所在國家自然基金支持下開展了桑迪亞慣性地形導航系統(tǒng)(sandia inertial terrain-aided navigation，SITAN)算法，在重力匹配定位的應(yīng)用以及利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)反演重力場異常進行了研究并取得了一定的進展；東南大學在“十五”國防預研項目的支持下進行了基于速率方位慣性平臺和重力匹配、利用Kalman 濾波實現(xiàn)組合導航系統(tǒng)的研究[19]；南京航空航天大學借助重力輔助(gravity assist，GA)方法，根據(jù)智能手機重力傳感器的數(shù)據(jù)判斷智能手機的不同使用模式，幫助智能手機在導航定位過程中實現(xiàn)航向修正[20]；開展重力傳感器及運動基座重力實時測量系統(tǒng)的主要研究單位有中國船舶重工集團707 研究所、華中科技大學和海軍工程大學等單位.

針對單一匹配算法的局限性，出現(xiàn)了將SITAN算法和地形剖面匹配系統(tǒng)(terrain contour matching，TERCOM)算法相結(jié)合的組合匹配算法[9]，降低了迭代次數(shù)，提高了匹配精度；將相關(guān)分析算法和非線性濾波算法相結(jié)合，可實現(xiàn)對載體真實位置的最優(yōu)估計[21]. 通過對水下運載體航行軌跡矢量信息的提取，將慣導指示軌跡中相鄰點間的相關(guān)性加入到點集匹配中[22]，將運載體的運動速度與航向信息相結(jié)合，通過序列中采樣點間的位置相關(guān)性對匹配結(jié)果進行校正的矢量匹配方法. 針對匹配精度低、誤差大的局限，有基于三角形約束模型的重力背景圖配準技術(shù)[23].此外，有學者通過研究海洋重力異常圖特征，對重力匹配輔助導航的精度進行了分析[24]；一種分層鄰域閾值的方法可用于提高水下重力導航的匹配效率[25]；2019 年，Wang 等[26]提出了一種特征參數(shù)匹配算法，針對水下運載體不同航行軌跡，計算了粒子濾波范圍，并將重力場特征參數(shù)考慮進粒子權(quán)值，從而提高了匹配精度. 隨著人工智能的不斷發(fā)展，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機（support vector machine, SVM）[27]和蜂群搜索[28]的人工智能匹配算法也逐漸得到應(yīng)用，但仍是傳統(tǒng)算法占據(jù)主流.

綜上所述，國內(nèi)在重力導航方面的研究，主要集中在導航算法的研究，對于重力傳感器方面的研究比較少，與國外相比還有很大的差距.

3 地磁自然矢量場定位導航

地心偶極子磁場和異常磁場統(tǒng)稱地球主磁場，也稱為基本磁場. 它是起源于地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場，并構(gòu)成地磁場的主要成分，其變化極為緩慢[29]. 地球的變化磁場則起源于外部并疊加在主磁場之上的各種短周期的地磁場變化. 地球基本磁場變化十分緩慢，年變率在千分之一以下. 外源場變化的時間尺度比較小，變化比較復雜，平靜時的外源場的強度不到內(nèi)源場的千分之一，強擾動時的外源場也在內(nèi)源場的百分之一以下. 但是，變化磁場部分十分靈敏地反映了近地空間的物理狀況，是非常有效的表征空間環(huán)境擾動的物理量[30]. 地磁場是地球上一種重要的固有資源，地磁導航就是基于地磁場形成的. 其原理是通過地磁傳感器測量載體所在位置的地磁信息，再與事先測繪完備并儲存在載體計算機上的地磁圖進行匹配，得出載體的實時位置信息[31]；其次，捷聯(lián)于載體上的地磁傳感器隨著載體變換姿態(tài)，地磁傳感器根據(jù)不同的姿態(tài)輸出不同的磁場矢量信息，以反映載體的姿態(tài)信息. 從地磁導航的原理上看，要想實現(xiàn)地磁導航，在地磁導航過程中導航信息與地磁量測信息以及地磁圖三者的關(guān)系是研究的重點[32].

3.1 國外在地磁導航科學上的研究歷史

地磁導航技術(shù)的研究起源于飛機導航和導彈制導. 20 世紀80 年代，美國波音公司已將地磁導航系統(tǒng)作為飛機的標準配置，其核心是全球地磁場模型軟件；俄羅斯的1276 架運輸機都裝備有磁通門傳感器，不同于需要15 min 準備時間的陀螺慣導系統(tǒng)，開機即可起飛. 在導彈制導領(lǐng)域，俄羅斯研究地磁匹配制導技術(shù)的時間較長，并且成立了專業(yè)研究所，以地磁場強度為特征量，采用磁通門傳感器以地磁場等高線匹配制導方式，并進行了大量實驗. 俄羅斯在“安全-2004”演習中試射了攜帶機動變軌多彈頭的SS-19洲際導彈，據(jù)報道其采用了地磁場匹配制導技術(shù)[33].法國從1997 年開始研究一種全新的以地磁場為基礎(chǔ)的炮彈制導系統(tǒng)，主要側(cè)重于研制Kalman 濾波器，安裝有濾波器制導系統(tǒng)的炮彈在飛行過程中大大提高了自我糾錯校準能力.

對于地磁導航技術(shù)的發(fā)展，美國國防部于2003 年8 月將地磁數(shù)據(jù)參考導航系統(tǒng)列入其軍事關(guān)鍵技術(shù)名單，隨著技術(shù)發(fā)展，其純地磁導航系統(tǒng)導航精度不斷得到提升，地面和空中定位精度優(yōu)于30 m圓概率誤差(circular error probability，CEP)，水下定位CEP 優(yōu)于500 m.

3.2 國內(nèi)在地磁導航科學上的研究歷史

在國內(nèi)，研究水下地磁導航技術(shù)的單位主要有天津航海儀器研究所、北京大學、國防科技大學、哈爾濱工程大學、海軍工程大學等. 航天科工集團、國防科技大學、西北工業(yè)大學，軍械工程學院進行了應(yīng)用問題的初步探討. 北京大學對水下地形、重力輔助慣性導航進行了較長時間的研究，由于重力場與地磁場的相似性，很多研究成果可用于地磁導航系統(tǒng). 天津航海儀器研究所在水上INS 和組合導航系統(tǒng)方面的研究處于國內(nèi)前列，并承擔了與水下地磁/INS 相關(guān)的國防工程項目[34]；中國國土資源物探遙感中心完成我國地磁場的普測成圖，其中包括沿海地區(qū)的航空磁測，對地磁圖的處理積累了非常豐富的經(jīng)驗[35]. 針對地磁匹配定位技術(shù)，航天35 所開發(fā)出GPS/三軸磁強計組合的自主導航系統(tǒng)軟件，該系統(tǒng)采用模擬數(shù)據(jù)和衛(wèi)星實測數(shù)據(jù)分別在所內(nèi)試驗室、北京西郊康西草原、官廳水庫進行了仿真實驗驗證：當采用高精度重力場模型修正時，位置精度為12 m，速度精度為0.03 m/s，定姿精度為0.05°；在純地磁導航時，位置精度為0.3～2 km，速度精度為0.3～2 m/s，定姿精度＜1°.南京航空航天大學針對地磁定位提出了一種慣性/光流/磁組合導航方法，該方案具有成本低、導航自主性強、精度高的優(yōu)點[36].

對于水下載體來說，利用地磁信息和INS 組合導航無疑是一個很好的方案[37]，隨著我國精密海洋地磁圖的逐漸完善和我國高精度磁傳感器的出現(xiàn)，水下地磁導航系統(tǒng)[38]的研究也將越來越受到重視[39].

4 地形地貌高程自然矢量場定位導航

為簡化算法，本文以地形匹配定位導航代表地形地貌高程自然矢量場定位導航的全部描述. 地形匹配定位導航技術(shù)的原理如圖1 所示，該方法首先對航行/飛行平臺任務(wù)區(qū)域的地形進行勘測并依據(jù)測繪標準構(gòu)建該區(qū)域的三維基準數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)庫. 在平臺執(zhí)行任務(wù)時，利用傳感器獲得其所在位置的地形信息，并與數(shù)據(jù)庫中的基準數(shù)字地形圖進行比較，經(jīng)過連續(xù)測量和合適的算法進行匹配運算，最終確定平臺的準確位置信息. 將該匹配位置與INS 信息進行信息融合處理，可以較好地修正由于陀螺儀和加速度計等慣性傳感器漂移及數(shù)據(jù)外推產(chǎn)生的定位誤差，輔助INS完成自主遠程精確定位導航. 因此地形輔助導航一般不作為獨立的導航系統(tǒng)使用，而是作為INS 的輔助系統(tǒng)使用[40].

圖1 水下地形輔助導航原理框圖

4.1 國外在地形導航科學上的研究歷史

地形定位導航的研究在上世紀70 年代末80 年代初取得明顯的成果，完成了自動控制飛機做地形跟蹤與地形回避. 英國不列顛宇航公司研制了地形剖面匹配系統(tǒng)(terrain contour matching，TERCOM)，以擴展Kalman 濾波為基礎(chǔ)，精確地將氣壓/慣性高度、存儲的數(shù)字地圖數(shù)據(jù)與INS 的誤差作為模型，再利用雷達高度表真實測量值來修正. 美國設(shè)計的新SITAN，利用Kalman 濾波原理，連續(xù)不斷地把INS 測量的數(shù)據(jù)與雷達高度表測得的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，最佳地估算飛行器的位置、速度、姿態(tài)等信息[41]. 德國國防部與道尼爾公司投資研制的ISS 地形導航系統(tǒng)，主要包含激光雷達、數(shù)據(jù)處理器以及激光雷達信息和相應(yīng)基準信息實時定位三部分[31].

悉尼大學的機械工程學院機器人研究中心最早開始從事基于地形輔助導航的水下機器人自動導航和控制，并提出了特殊定位和制圖算法 (simultaneous localization and mapping algorithm，SLMA)技術(shù). 首先是進行水下無人運動載體(underwater unmanned vehicle, UUV)位置估計，利用海底地形掃描聲納和水深傳感器獲取的UUV 位置和海底環(huán)境的特征結(jié)構(gòu)信息，作為擴展Kalman 濾波器 (extended kalman filter，EKF)的輸入數(shù)據(jù)，并估計UUV 的位置和海底特征地物的位置，以確定相對于海底特征地形的UUV 位置. 其次是進行海底特征提取，識別海底特征，為EKF 提供更加精確的海底地形觀測數(shù)據(jù). 該算法不但能夠確定UUV 位置，還能及時對海底地形數(shù)據(jù)進行驗證和更新. 另外一種常用的地形匹配算法是多模型自適應(yīng)算法，它是利用一組并行Kalman 濾波器來搜索最佳匹配位置. 以INS 的位置信息、水深傳感器獲取的信息以及數(shù)字海底地形信息作為輸入數(shù)據(jù)，輸出的信息即為最佳匹配點位置信息和對INS的校正信息.

4.2 國內(nèi)在地形導航科學上的研究歷史

自20 世紀90 年代以來，我國一些科研院所就對地形定位導航匹配算法作了大量的研究. 2003 年，程輝等[42]利用小波包分解快速迭代進行地形二維匹配.2004 年，袁書明等[43]通過引入地形信息熵設(shè)計了地理信息熵最小方差匹配算法. 近年來，地形輔助導航系統(tǒng)逐漸向建立三維可視化和高精度的數(shù)字海底地形模型方向發(fā)展. 根據(jù)UUV 潛航的精度要求，建立基于格網(wǎng)模型和TIN 模型(不規(guī)則三角網(wǎng))適合水下航行的數(shù)字高程模型 (digital elevating model，DEM)，并精確反映水下的各種地形特征. 在UUV 潛航過程中，可以直接以DEM 的網(wǎng)格控制點信息作為地形匹配算法的輸入信息，確定UUV 的經(jīng)緯度位置和前進狀態(tài)，并能進行海底地形仿真，實現(xiàn)海底三維可視化地形匹配導航. 2021 年，王雅婷等[44]提出了一種基于視覺數(shù)據(jù)集的類腦三維認知地圖構(gòu)建方法，提高了認知地圖的精度.

近年來，地形導航系統(tǒng)也在向組合方向發(fā)展，如TERPROM/多普勒、TERPROM/GPS 以及更新形式的系統(tǒng). 同時國內(nèi)外大力發(fā)展地形匹配技術(shù)在艦船、潛艇和水下載體上的應(yīng)用[45]. 導航算法是地形定位導航匹配算法的核心研究內(nèi)容，空中和水下載體利用地形信息進行導航的原理有一定的相似性. 所以，地形導航算法有的是針對空中應(yīng)用而提出的，也有的是針對水下應(yīng)用提出的，而并不加以區(qū)分. 目前在相關(guān)領(lǐng)域研究比較成熟和集中的導航算法可以分為兩大類：批處理相關(guān)導航算法和迭代遞推導航算法. 批處理相關(guān)導航算法包括地形輪廓線導航(terrain contour matching，TERCOM) 算法、等值線導航(iterated closest contour point，ICCP) 算法等. 迭代遞推導航算法主要包括SITAN 算法、VITERBI 最大后驗估計算法和百航慣性地形輔助導航(baihang inertial terrain-aided navigation，BITAN)算法等，后兩種算法均是對SITAN算法的改進和發(fā)展[46].

5 偏振光自然矢量場定位導航

偏振光導航是自然界中天然導航方法之一，該導航方法具有精確的導航能力[47]. 半個世紀以前，F(xiàn)risch就發(fā)現(xiàn)蜜蜂能夠利用天空中可見的偏振光進行定向.很多動物，如螞蟻、蜜蜂、蟋蟀和候鳥，都具有偏振視覺系統(tǒng)[48-49]，它們利用太陽光在大氣中散射的偏振特性進行導航. 研究表明，蜜蜂、鴿子等昆蟲能夠利用偏振光分布的動態(tài)特性在短時間內(nèi)確定天極點的位置，并利用它提供具體的導航信息，比如緯度、當?shù)卣嫣枙r以及真實(地理)的羅盤方向[50]. 除此之外，長距離遷徙的鳥還可以利用日升、日落時最大偏振線的位置校正地磁導航系統(tǒng)的方向信息，以進一步地提高導航精度. 根據(jù)2006 年8 月11 日的《Science》報導，候鳥通過日出和日落的偏振光圖案來校準它們的地磁羅盤的積累誤差，使其在每年數(shù)千千米的季節(jié)性遷徙中，仍能準確地回巢或到達目的地[51].

5.1 國外在偏振光場導航科學上的研究歷史

偏振光導航作為一種新穎的導航技術(shù)，引起了國內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注. 目前，美國、瑞士、瑞典、澳大利亞、俄羅斯等國家的學者都在對生物的偏振光導航進行相關(guān)研究.

Rudiger 等[51]從20 世紀60 年代開始對昆蟲的偏振視覺導航進行研究時發(fā)現(xiàn)，沙蟻、蟋蟀等昆蟲能夠利用偏振光進行導航是因為天空中存在一個相對穩(wěn)定的偏振光模式圖，同時它本身具有對太陽光偏振方向極為敏感的視覺神經(jīng)系統(tǒng)；烏賊擁有偏振視覺并利用偏振信息進行種內(nèi)識別與交流；某些動物可以利用月光的偏振來進行定位導航[52]. 對于蜜蜂和沙蟻來說，它們都是從天空偏振光分布模式中獲取方向信息，但距離的推算過程卻不一樣，蜜蜂利用飛行過程中所感受的光流推算飛行距離，而沙蟻可能使用本體信息推算距離[53].

在偏振光場的研究方面，Talbot[54]對水下偏振光分布進行了測量研究，說明水下偏振光的分布與天空偏振光分布有一定的相似之處，如圖2 所示. 圖2 中A 和B 表示太陽從正東升起時觀測者視線從水平上升到天頂觀測到的偏振模式圖；C 和D 表示太陽在正午過天頂時觀測者視線從水平下降到天底觀測到的偏振模式圖.

圖2 水下偏振光分布模式圖

Istvan 等[55]利用全天空偏振測量方法對紅、綠、藍三個波段的天空偏振光在不同天氣條件下的分布進行了實驗研究，結(jié)果表明，陰天時可見光波長越短，天空偏振信息的適用性越強. Thomas 等[56]討論了水下生物的偏振視覺及其在目標識別、增強對比度以及信號探測等方面的作用，如圖3 所示.

圖3 水體表面對偏振光的反射

天空偏振光的偏振度和偏振角分布與太陽位置緊密相關(guān). Andras[57]和Gabor[58]等定量分析了紫外波段和藍綠波段線偏振度和輻射度的分布情況，認為在多云或植被遮擋的地區(qū)，線偏振度在紫外波段最大.因此，在多云天氣或植被遮擋的地方，紫外波段線測量偏振度最為有效. Talbot[59]對水下220 m 處的偏振光分布進行測量研究，認為水下偏振光分布除了與太陽高度角相關(guān)之外，還與水深、波長有關(guān).

在研究偏振光導航方法方面：Dimitrios 等[52]受昆蟲導航能力的啟發(fā)，提出路徑整合和視覺領(lǐng)航的生物學模型，并研制出相應(yīng)的平臺，成功用于移動機器人Sahabot 2 上. 實驗測量結(jié)果表明，利用偏振光導航的平均誤差是13.5 cm，標準偏差是6.3 cm.

Schmid-hempel 等[60]對沙蟻的研究表明，沙蟻視網(wǎng)膜是由數(shù)百個面向不同方向的視神經(jīng)感桿組成，每一感桿僅對與它同向的偏振光敏感. 單個感桿是由8 個互相交叉垂直的單向感光器組成，這一結(jié)構(gòu)使得每一感桿對特定方向偏振光的刺激響應(yīng)為正弦曲線，是一個嚴格的方向分析器. 而所有的偏振敏感神經(jīng)感桿又模擬偏振光在天空中的分布在視網(wǎng)膜上形成一個偏振敏感陣列圖[61]. 這樣，當沙蟻繞頭部轉(zhuǎn)動身體時，神經(jīng)響應(yīng)發(fā)生系統(tǒng)的變化. 當沙蟻體軸與太陽子午線重合時，視網(wǎng)膜神經(jīng)感桿的響應(yīng)達到極值. 視網(wǎng)膜偏振敏感神經(jīng)感桿的響應(yīng)作為輸入?yún)R合到中樞神經(jīng)層的視神經(jīng)葉部. 視神經(jīng)葉部的中間神經(jīng)元分為三種類型，這三類神經(jīng)元是偏振正交神經(jīng)元，接受視網(wǎng)膜上最大敏感方向互相垂直的視神經(jīng)感桿的輸入[61].這三種中間神經(jīng)元對視網(wǎng)膜輸入的響應(yīng)也是正弦曲線，在沙蟻體軸與太陽子午線夾角分別為0°、60°、120°時達到最大的響應(yīng)值. 中間神經(jīng)元的響應(yīng)結(jié)果作為輸入?yún)R合到沙蟻腦部的羅盤神經(jīng)元，經(jīng)過其計算和譯碼就可以得出沙蟻體軸與太陽子午線的夾角，從而實現(xiàn)其導航功能.

5.2 國內(nèi)在偏振光場導航科學上的研究歷史

國內(nèi)對偏振光導航的研究相對較少、起步比較晚. 孫曉兵等[62]對不同時空的大氣光譜偏振數(shù)據(jù)進行處理和分析，得到了大氣偏振特性的時空分布信息. 此項工作為反演大氣參數(shù)、建立大氣散射輻射偏振特性模型提供了素材；褚金奎等[63]對國外偏振光導航的成果進行了深入的分析和研究，提出了一種導航模型的改進方法；馬號等[64]提出了基于全天域大氣偏振光特性輔助定向自主導航方法，增強了船艦的自主導航性能的同時提高了隱蔽性和抗干擾能力；盧鴻謙等[65]提出了偏振光/地磁/GPS/SINS 組合導航方法，推導了三維空間中應(yīng)用偏振光/地磁輔助測姿原理，證明了系統(tǒng)具有完全能觀性，指出了觀測結(jié)構(gòu)具有退化現(xiàn)象和退化條件，并采用聯(lián)邦Kalman 濾波方法實現(xiàn)了組合導航算法，利用Matlab 仿真方式對單獨使用偏振光和同時使用偏振光/地磁輔助的組合導航系統(tǒng)的測姿修正效果和能觀度改善效果進行了檢驗和比較；范之國等[66]根據(jù)沙蟻復眼中特殊的偏振敏感神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，提出了一種仿沙蟻POL 神經(jīng)元的偏振信息檢測方法，并設(shè)計了檢測系統(tǒng)；Cheng 等[67]基于Mie 理論推導出了由水滴引起的散射光偏振度的數(shù)學表達式，在給定散射角和水滴尺寸的條件下，計算并分析了可見光不同波段的最大偏振度；Chu 等[68]研制出了一個敏感偏振的測角傳感器，并對其性能進行了分析與測試，如圖4 所示.

圖4 敏感偏振光的測角平臺

晏磊等[69]、Wu 等[70]、Guan 等[71]通過多角度偏振遙感理論與實驗研究證明了大氣和天空光的偏振特性，通過全天空偏振測量方法分析了天空偏振光分布情況，初步判定天空偏振度分布圍繞幾個偏振中性點呈環(huán)狀分布. 對可見光不同波段天空偏振光的分布進行了測量研究，結(jié)果表明晴朗天空的偏振度隨著觀測波長的增大而增大，而多云天氣條件下長波段對偏振度衰減影響較大，短波段相對穩(wěn)定，這表明藍波段是最適用于偏振光導航的探測波段. 同時，提出用太陽方位角修正太陽子午線與載體長軸之間的夾角以獲得不變的導航參考方向，這使得偏振導航具有更強的實用性. 并通過研究表明鋪道蟻的導航方式可能是在覓食的時候記錄下它的步長，作為其運動矢量的模(長度)，并根據(jù)天空偏振模式圖來確定其運動矢量的方向，從而得到其與巢穴之間準確的矢量關(guān)系[70,72-73].

6 靜電矢量場定位導航

靜電場定位導航是目前為止世界上最高精度的INS，基于靜電場的自然性狀，這里也列入場導航廣義范疇. ESG 是世界上最高精度的慣性器件，其精度可達4.4×10-2角秒/年，基于靜電場的ESG 可用于深空探測定位導航，具有很高的精度.

6.1 靜電陀螺儀及靜電支承原理

ESG 又稱靜電支承自由轉(zhuǎn)子陀螺儀，由球形轉(zhuǎn)子、陶瓷殼體組件、讀取系統(tǒng)、靜電支承系統(tǒng)、鈦離子泵、起動線圈和定中線圈以及屏蔽罩幾部分組成. 由于ESG 是利用靜電場的靜電力將高速旋轉(zhuǎn)的球形轉(zhuǎn)子支承在超高真空的球腔里，而且采用光電傳感器或質(zhì)量不平衡調(diào)制法拾取姿態(tài)信息，因此消除了機械支承所固有的摩擦力矩、彈性力矩以及液體或氣體擾動，是目前公認的精度最高的陀螺儀[74]. 不少專家認為，包括激光陀螺在內(nèi)的光導發(fā)光技術(shù)不可能完全替代以自旋轉(zhuǎn)子為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)陀螺.目前，很低漂移率(10-4(°)/h 或更低)還要靠ESG 來保證. 用ESG 構(gòu)成的導航設(shè)備，如ESG 監(jiān)控器和ESG導航儀等，廣泛應(yīng)用于核潛艇、測量船、遠程彈道導彈、戰(zhàn)略轟炸機和航天飛機上[75-76].

靜電支承系統(tǒng)(Electrostatic Suspension System，ESS)是其重要的工作基礎(chǔ)，包括陀螺機械結(jié)構(gòu)和靜電支承電路兩大部分[77]. 球形轉(zhuǎn)子與球面電極之間的間隙很小，當球面電極上接通高電壓，而球形轉(zhuǎn)子保持零電位時，由于靜電感應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)子對應(yīng)表面將產(chǎn)生極性相反的電荷，因此轉(zhuǎn)子與球面電極之間就產(chǎn)生了靜電吸力. 由于靜電吸力的大小與間隙的平方成反比，與極板所加電壓的平方成正比，所以當兩邊的間隙相等時，轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài). 如果沿三個正交軸方向在球形轉(zhuǎn)子外面配置有三對球面電極，當每對電極對球轉(zhuǎn)子的靜電吸力都平衡時，則球轉(zhuǎn)子就被靜電吸力所支懸而穩(wěn)定在空間中心位置[78]，如圖5 所示.

圖5 三對靜電力支懸球轉(zhuǎn)子

然而，如果電極上所加的電壓是不可調(diào)節(jié)的固定數(shù)值，則仍起不到支承轉(zhuǎn)子的作用. 這是因為當轉(zhuǎn)子在重力場內(nèi)或加速度場內(nèi)受到力的作用且相對電極產(chǎn)生位移時，對應(yīng)電極與轉(zhuǎn)子之間的間隙將發(fā)生變化. 如圖6 所示，當轉(zhuǎn)子沿A、B這對電極的軸線方向即x軸方向位移Δx時，電極A與轉(zhuǎn)子之間的間隙dA變小，電極B與轉(zhuǎn)子之間的間隙dB增大. 如果電極A和電極B所加的電壓仍然相同，那么電極A對轉(zhuǎn)子的靜電吸力FA因間隙減小而增大，電極B對轉(zhuǎn)子的靜電吸力FB因間隙增大而減小，這樣轉(zhuǎn)子被吸引到電極A的一邊，破壞了靜電支承作用. 所以，當轉(zhuǎn)子出現(xiàn)位移時，必須自動調(diào)節(jié)對應(yīng)兩個電極上所加電壓的大小，使間隙變小一端電極上所加的電壓減小從而使靜電吸力減小，使間隙變大一端電極上的電壓增大從而使靜電吸力增大，而且電壓變化的速度應(yīng)大于間隙變化的速度，這樣才能抑制住轉(zhuǎn)子的位移，使轉(zhuǎn)子回到中間位置而起到支承轉(zhuǎn)子的作用. 只有實現(xiàn)了這種靜電吸力的自動調(diào)節(jié)，才能保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡.

圖6 轉(zhuǎn)子球心偏離電極球心

為了在轉(zhuǎn)子產(chǎn)生很小的位移時自動調(diào)節(jié)電極上的電壓從而自動調(diào)節(jié)靜電吸力，首先必須敏感到這個小位移. 然而，在超高真空球腔內(nèi)，用儀器直接測量這個小位移是十分困難的. 不過，由兩極板之間的電容量C=ε0S/δ ( ε0=8.86×10-12F/m)為真空介電常數(shù)，δ為極板間隙，S為極板面積)可知，當轉(zhuǎn)子相對電極位移時，電極與轉(zhuǎn)子之間的電容量將發(fā)生變化，而且當位移很小時，電容的變化量與轉(zhuǎn)子的位移成正比，所以利用電容傳感器精確敏感測量這個電容變化量可間接敏感出轉(zhuǎn)子相對電極的小位移，從而實現(xiàn)對靜電吸力的自動調(diào)節(jié).

傳統(tǒng)的支承控制器采用模擬電路實現(xiàn)超前-滯后控制結(jié)構(gòu)，難以對控制器性能進行優(yōu)化. 由于支承電極之間的耦合以及電容-位移-支撐力之間的非線性，在起支或轉(zhuǎn)子大范圍位移的條件下，對支承系統(tǒng)建立的非線性模型描述十分復雜，難免存在建模不準確、不完善的地方. 同時，轉(zhuǎn)子和支承電極在加工、裝配過程中的誤差也會帶來模型擾動，影響支承系統(tǒng)的性能.

隨著嵌入式數(shù)字控制系統(tǒng)的引入，針對ESG 的支承控制器設(shè)計問題，文獻[79]研究了魯棒控制的方法. 然而可以看出，該類方法仍然難以同時保證控制性能和擾動消除性能的最優(yōu). 文獻[80]提出的自適應(yīng)逆控制(adaptive inverse control，AIC)將自適應(yīng)信號處理的方法引入到自適應(yīng)控制中，為控制系統(tǒng)的設(shè)計開辟了新的途徑. AIC用自適應(yīng)濾波方法辨識出被控對象的逆模型，作為開環(huán)的控制器；并將動態(tài)特征控制和擾動消除控制獨立進行，互不影響，可以同時保證控制與對象擾動消除的性能. 文獻[81]以轉(zhuǎn)子位移為被控制對象，利用模糊徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行建模，克服傳統(tǒng)控制方法的缺陷.

6.2 陀螺在靜電場中的懸浮支承回路

ESG 的支承回路分為無源靜電支承和有源靜電支承兩類.

6.2.1 無源靜電支承

圖7 是無源型三軸靜電支承回路的原理示意圖.利用正六面體電極與轉(zhuǎn)子間形成的六個電容CA、CB、···、CF與六個電感LA、LB、···、LF組成六個串聯(lián)諧振回路，并用三相交流電供電. 采用三相供電保證了球轉(zhuǎn)子的虛接地而無引出線.

圖7 無源型三軸靜電支承回路的原理示意圖

圖8 是單軸(即一個通道)無源支承回路原理圖.圖9 為單軸支承電壓與頻率及間隙變化的關(guān)系曲線.當轉(zhuǎn)子處于兩個電極的中間位置時，兩個電極與轉(zhuǎn)子之間的電容相等，即CA=CB=C0，若兩個電感也相等，即LA=LB=L，則兩個諧振回路的諧振頻率為

圖8 單軸無源支承回路原理圖

圖9 單軸支承電壓與頻率及間隙的關(guān)系曲線

適當選擇參數(shù)，使諧振頻率 ω0略小于電源頻率ωr，同時使加到兩個電極上的電壓U0為諧振電壓Um的倍，也就是選擇諧振電壓曲線的第二半功率點作為支承回路的工作點. 這時，加到兩個電極上的電壓是相等的，起到預載電壓的作用.

當轉(zhuǎn)子受干擾力的作用產(chǎn)生一個很小的位移，例如向電極A的一邊位移到Δx時，則電極A與轉(zhuǎn)子之間的電容為CA=C0+ΔC，電極B與轉(zhuǎn)子之間的電容CB=C0-ΔC，電容CA增加使電路諧振頻率 ωA減小，電容CB減小使諧振頻率 ωB增大，即：

由于兩個回路的諧振頻率發(fā)生變化，使得電極A對轉(zhuǎn)子的靜電吸力減小，電極B對轉(zhuǎn)子的靜電吸力增大. 這樣，就產(chǎn)生了支承力來克服干擾力，起到支承轉(zhuǎn)子的作用. 由于球轉(zhuǎn)子處于真空中，因而在串聯(lián)回路中還要接入飽和電抗以引進阻尼，使轉(zhuǎn)子避免激烈的振蕩.

采用無源型靜電支承的優(yōu)點是線路比較簡單，裝置的結(jié)構(gòu)比較緊湊. 其缺點是支承能力和支承剛度較低，它適用于船舶和其他沖擊加速度不是很大的運動體上[82].

6.2.2 有源靜電支承

有源靜電支承控制回路的原理如圖10 所示. 它是一個軸向的支承控制回路，其他兩個軸向的支承控制回路也與此相同.

圖10 有源靜電支承控制回路原理圖

電極A與B和球轉(zhuǎn)子之間的電容CA、CB，同兩個固定電容C1、C2組成敏感電橋的橋臂.e1是這個敏感電橋的低壓高頻電源，其工作頻率通常為1 MHz～2 MHz.C3和C4是高壓隔離電容，它把加到兩個電極上的低頻高壓與敏感橋路隔離開來.

當球轉(zhuǎn)子處于兩個電極的中心位置時，兩個電極與轉(zhuǎn)子之間的電容相等，即CA=CB=C0，敏感電橋無信號輸出，控制回路的電子線路也無控制電壓輸出.由控制回路的低頻電源e2給出固定電壓V0加在合成變壓器TC次極的中心抽頭上，該電壓經(jīng)功率放大器AA和AB進行功率放大后，推動高壓輸出變壓器TA和TB. 變壓器TA和TB輸出的低頻高壓U0經(jīng)高頻隔離網(wǎng)絡(luò)C5、L5和C6、L6，分別加到電極A和電極B上作為預載電壓. 網(wǎng)絡(luò)C5、L5和C6、L6是并聯(lián)諧振在敏感電橋電源頻率上的,以便隔離敏感電橋的高頻信號,使之不影響高壓輸出變壓器TA和TB的工作.

當轉(zhuǎn)子在干擾力的作用下產(chǎn)生一個微小位移時，例如向電極A的一邊位移Δx時，電極A、B與轉(zhuǎn)子之間的電容變成為CA=C0+ΔC和CB=C0-ΔC，這時敏感電橋失去平衡而有信號輸出. 這個高頻信號經(jīng)控制回路的電子線路進行高頻交流放大、解調(diào)、濾波、直流放大、網(wǎng)絡(luò)校正、低頻調(diào)制、帶通濾波和低頻交流放大后，輸出一個低頻控制電壓ΔV加到合成變壓器TC的初級上. ΔV和V0的頻率相同，這兩個電壓在合成變壓器TC中進行合成，TC次極的輸出電壓分別為：

電壓VA和VB分別經(jīng)功率放大器AA和AB進行功率放大后，推動高壓輸出變壓器TA和TB. 其次極的輸出分別為：

它們分別加到A和電極B上，使電極A上的電壓減小，對轉(zhuǎn)子的靜電吸力相應(yīng)減小；電極B上的電壓增大，對轉(zhuǎn)子的靜電吸力相應(yīng)增大，從而起到穩(wěn)定支承轉(zhuǎn)子的作用[83].

有源靜電支承系統(tǒng)的優(yōu)點是工作頻帶寬，支承剛度和承載能力較大. 缺點是線路比較復雜，且采用高壓輸出變壓器使結(jié)構(gòu)尺寸增大. 這種形式適用于沖擊加速度較大的運動體[84].

7 結(jié) 論

地球自然場定位導航在深空深地深?？茖W研究中占有重要的地位，在空間應(yīng)用中的基本要素即位置和方位(Where)，以時間空間四維方位表達. 該研究闡述了多種自然場定位導航方法的原理和研究進展，旨在為相關(guān)科學研究及應(yīng)用提供較為全面的理論和技術(shù)方法.

該研究強調(diào)自然矢量場定位導航的理論性、基礎(chǔ)性和實用性，主要包括針對重力場、地磁場、地形地貌高程場定位導航原理，與地球萬有引力、地球自轉(zhuǎn)的牛頓力學相對應(yīng)，偏振場定位導航與太陽入射光波能量場效應(yīng)結(jié)合，以及靜電場定位導航并與相對論空天效應(yīng)驗證結(jié)合，由此形成較為完整的理論技術(shù)體系，解決了地球矢量場定位導航系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的數(shù)學物理本質(zhì)問題. 是我國在定位導航領(lǐng)域源頭創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)和工程實施的重要參考，也為我國深空深地深海探測提供科學進步的重要基礎(chǔ).

針對我國建立從深空到深海，地面到地下安全可靠、高效便捷、無縫連接的綜合時空體系，研究和應(yīng)用地球自然矢量場實現(xiàn)定位導航特別重要. 尤其是利用水下重力、地磁和地形進行定位導航，對于我國開展海洋研究和維護海洋權(quán)益，加強國防建設(shè)都具有特別重要的意義. 針對我國深空探測戰(zhàn)略，仿生偏振導航和ESG 導航是跨越了牛頓力學的與自然光場的作用和愛因斯坦相對論效應(yīng)驗證相關(guān)的新方法新手段，具有中國獨特的知識產(chǎn)權(quán)，也是我國未來深空探測的重要物理基礎(chǔ)環(huán)節(jié).

地球自然矢量場定位導航技術(shù)未來研究和應(yīng)用前景廣闊，其發(fā)展趨勢如下：

1)傳感器性能進一步提升：通過提升磁傳感器、重力傳感器、偏振光傳感器等傳感器精度，提高地球自然矢量場導航系統(tǒng)的整體性能.

2)檢測信息量進一步綜合：地球自然矢量場導航和定位系統(tǒng)的發(fā)展依賴于高精度多維信息庫的構(gòu)建. 通過融合地磁、重力、地形地貌高程等多維信息庫，有助于實現(xiàn)更精準、可靠和智能的地球自然矢量場導航系統(tǒng).

3)自然矢量場進一步創(chuàng)新：前期的矢量場主要基于天然信息，如重力、磁力、地形地貌高程場等；后期逐步過渡到間接信息場和人工信息場，如依賴太陽光的偏振場和依賴電學理論的靜電場. 在不遠的將來，量子場、引力波場等矢量場也將被逐步創(chuàng)新應(yīng)用，從而為更廣闊、更精密、更泛在的宇宙空間導航和定位服務(wù).