匹配导航标准现状与标准体系分析

徐 瑞，朱筱虹，赵金贤

（北京环球信息应用开发中心，北京100094）

匹配导航标准现状与标准体系分析

徐 瑞，朱筱虹，赵金贤

（北京环球信息应用开发中心，北京100094）

匹配导航是一种运用匹配算法对载体预存的导航数据进行匹配来确定载体位置信息的自主导航技术。通过分析匹配导航技术的发展现状和应用领域，梳理了国内外匹配导航技术的相关标准，给出了匹配导航技术的一种标准体系结构，并对匹配导航制定的标准给出了意见和建议。

匹配导航；标准现状；标准体系

1 匹配导航的概念

匹配导航属于自主导航，是一种辅助导航手段，它采取导航信息匹配技术与载体已经存在的导航数据进行匹配以估算出载体的位置信息，满足不同载体的导航定位需求[1]。实现匹配导航的关键要素有 3点：首先要有存储在载体上的、待匹配的导航数据，主要指的是匹配图；其次要有实时测量匹配导航数据的传感器；最后是要有一定的匹配算法实现匹配。根据目前匹配导航技术的发展，主要包括地形匹配、地磁匹配和重力匹配等3种匹配导航技术。地形匹配[2,3]是利用地形凹凸不平的特征与地理位置之间的对应关系,用运动载体实时测量得到的地形图与已知的三维地形基准图进行配准来确定载体自身的位置信息。需要说明的是，地形匹配可以分成地形高程匹配和地形景象匹配。由于景象匹配主要用于导弹等武器的末端制导，不在本文的研究范围，所以本文的地形匹配导航指的是地形高程匹配导航 (下文简称地形匹配导航)。地磁匹配[4-6]是利用地磁传感器实时测量某区域的地磁数据，从载体的地磁数据库中查找相应的预先存储好的地磁图数据(包括该区域的经纬度信息和地磁场特征信息)，利用匹配算法进行匹配以估计出载体的位置信息。重力匹配[7,8]利用重力传感器实时测量重力特征数据，并与载体中已经存在的重力数据及其相应的位置信息进行匹配，利用匹配解算软件进行解算，求得最佳匹配位置的一种匹配导航技术。重力匹配导航通过辅助惯性导航来校正惯导的累积误差。

本文对目前匹配导航已制定的各项标准进行归纳总结，根据匹配导航技术的发展趋势，按照参考文献[1]提出的导航标准体系从局部到整体的建立方法，给出了匹配导航的一种标准体系结构，并对我国匹配导航系统标准的制定给出意见和建议。

2 匹配导航技术及其标准

2.1 地形匹配导航技术及其标准

地形匹配导航技术是一种自主、隐蔽、全天候、低成本，且适用于丘陵、山地等地形，导航定位精度与航程无关的低空导航技术，也是近年来受到广泛重视并已成功使用的辅助导航技术。地形匹配导航用地形传感器测得高度，并把高度值作为待匹配的特征量，通过匹配算法将测得的高度值与匹配图进行匹配，从而得到精确位置，因此，构成地形匹配导航系统的要素是数字地图、地形传感器和地形匹配算法。数字地图就是存储在计算机中数字化了的地图，它是通过对地形高度的离散采样并量化后得到的；其采样距离叫做网格距离，数字地图采用二维平面坐标，通常采用WGS-84大地坐标系。地形高度值用地形传感器测量，就目前的地形匹配测高仪器而言，地形传感器就是高度表，主要有气压高度表和无线电高度表 (雷达高度表)2种。气压高度表是通过测量环境大气压力间接测量飞行器高度的仪器；无线电高度表是根据无线电波反射原理测量航空器距地面真实高度的机载无线电设备，它实际上是一种以地面(海平面)为探测目标的测距雷达，所指示的高度即为真实高度。按工作方式不同，可分为调频式和脉冲式2种。匹配算法是地形匹配导航系统的核心，目前存在2种基本算法：TERCOM (TerrainContourMatching)算法和SITAN(S and ia Inertial Terrain Aided Navigation)算法。TERCOM算法[9]以地形的标高剖面图为基础确定载体位置；SITAN算法[10]采用的是递推的扩展卡尔曼滤波技术。这 2种地形匹配导航算法各有侧重，TERCOM算法能快速、准确地搜索出配准位置，并直接以地形配准的结果作为最终估计，实现搜索；SITAN算法在位置误差较小的情况下，能有效地估计并修正载体误差，实现跟踪。TERCOM系统和SITAN系统[11]是目前2种经典的地形匹配导航系统。TERCOM系统采用的匹配算法为断续的批相关处理算法，是批相关处理技术的典型代表。美国麦道飞机公司研制的机动地形相关系统(MTCS)、英国布列颠宇航公司 (BAE)研制的地形剖面匹配系统 (TERPROM)、英国费伦蒂公司研制的PENETRATE系统以及法国萨吉姆公司 (SAGEM)研制的地形剖面匹配导航系统均是在TERCOM系统的基础上加以改进而形成的新系统。SITAN系统采用了递推的卡尔曼滤波技术，实时性更好，已在美国空军得到广泛应用。到目前为止，地形匹配技术的应用对象主要有飞机、潜艇和巡航导弹3类，巡航导弹是制导系统，超出了本文的研究范围。在航空导航领域，地形匹配导航系统能满足战术导弹和飞机机动飞行，尤其是低空、超低空飞行的要求，对近空支援、低空强击、突防、截击等战术飞行十分有用；在水下导航领域，潜艇可以利用海底地形匹配惯性导航来校正惯性导航的误差进行隐蔽航行。由于海底数字地图的制作方法还处在研究阶段，因此地形匹配导航技术还没有应用在潜艇等水下潜器上。可以预见，一旦地形匹配导航系统在潜艇上应用成功，必将大大提高潜艇的作战威力。对于航空地形匹配和水下地形匹配来说，由于测量设备的能力有限，也就限制了地形匹配导航的应用范围。航空地形匹配系统是一种低高度工作的系统，离地高度超过300 m时其精度就会明显降低，而到了800～1500m的高度则无法使用。由于地形匹配导航主要利用数字高程信息进行修正，而在平坦地域高程变化不大，无法确定精确位置，会造成较大的定位误差。因此，地形匹配导航系统只能在具有起伏特征的地区飞行，在平坦的地区或水平面上飞行使用效果差。对于水下航行器而言，由于声纳的测量深度所限，也必须在距离海底大约1 000 m以下。

对于地形高程匹配导航系统，用到的数字地图就是数字高程模型，即DEM数据。到目前为止，我国只出台了1项数字高程模型的标准，即《军用数字地图数字高程模型通用要求》(GJB 3455-1998)。目前，实际得到应用的地形传感器只有高度表，可查到的国内外高度表标准共10项，其中国外标准4项，分别是美国海军标准2项，即《AN/APQ-107型雷达高度表警告设备》(NAVY M IL-R-24011A-1965和 NAVY M ILR-24011A-1997)；美国航空无线电设备公司 1项，即《无线电高度表1978，含补充件1-7》(ARINC707-7-2009)和美国机动车工程师协会1项，即《气压高度表设备》(SAE AS 8009B-2005)。国内标准6项，分别是国家标准 2项，即《无线电高度表通用技术条件》(GB/T 11469-1989)和《气压高度表检定规程》(JJG 683-1990)；国家军用标准2项，即《无线电高度表通用规范》(GJB 2273-1995)和《无线电高度表检验验收规程》(GJB 3959-2000)；行业标准2项，其中航天标准1项《无线电高度表通用技术条件》(QJ 1298-1987)，电子标准 1项《机载气压数字高度表通用规范》(SJ20406-1994)。

2.2 地磁匹配导航技术及其标准

地磁匹配技术的本质是利用信息处理方法,将实际测量的地磁场信息与存储在航行体中的地磁图数据信息进行比较,按照一定的准则判断两者间的相关性,以此确定最佳匹配点,从而得到位置信息。实现地磁匹配导航技术的关键点有3个：首先要建立精确的地磁场模型；其次，要利用地磁传感器实时测量某区域的地磁数据；最后，要有适用于地磁导航的核心匹配算法。地磁场模型包括全球地磁场模型和局部地磁场模型，现有的全球地磁场模型仅是对主磁场部分的描述，精度有限且尚不能反映出复杂的地磁异常信息，因此在高精度导航要求的情况下需要采用局部地磁场模型或局部地磁图。当前的地磁场模型和地磁图水平仍满足不了高精度导航的要求。另外,仅有地磁场模型和地磁图还是不够完善的,还需要研究影响地磁导航效果的一些重要地磁场因素,这些因素包括变化磁场对匹配的影响、地磁场随高度和时间变化的规律和地磁场起伏规律等,而目前对于这些问题尚无太多的结论。其中地磁场随高度变化规律有望通过分析卫星、航空地磁场测量数据获得[12]。目前地磁场模型的空间分辨率国内不高于300 km，国外不高于400 km，按照地磁匹配惯导的精度要求，格网分辨率要达到4 km(2'×2')，目前的地磁场模型精度还远远达不到匹配要求，因此，必然需要研制符合导航要求的地磁基准图。进行地磁导航的一个关键环节是实时图的获取。在实时图的获取过程中，对磁测量设备的响应速度、精度、分辨率、工作环境温度、测量范围、质量、体积及抗干扰性等均有很高的要求。常见的磁测量设备有磁力仪、磁强计、磁通门计等。地磁场属于弱磁场，由于现有的弱磁场测量设备不能同时满足地磁导航测量时对响应速度、精度和分辨率等性能指标的要求，因此，高性能磁传感器成为制约地磁导航技术应用的关键因素。地磁匹配算法是制约地磁导航的又一关键因素。算法应具备较强的抗干扰能力,较高的匹配精度和较低的计算复杂度。地磁匹配算法属于数字地图匹配技术，目前主要分 2类[5]：一类强调它们之间的相似程度，如互相关算法 (COR)和相关系数法 (CC)；另一类强调它们之间的差别程度，如平均绝对差算法 (MAD)、均方差算法 (MSD)。目前，地磁匹配导航的典型应用领域是与惯性导航系统组合使用，作为潜艇的一种有效的水下自主导航方式。在这一领域国内外都已开展了大量的研究，是目前地磁匹配导航的研究热点。在航空地磁匹配导航领域，国外已经成功应用在民用飞机上，在军用飞机上还未见报道。此外，随着地磁匹配导航技术的不断发展和成熟，未来在商船、飞行器、自动驾驶车辆等民用载体上都可采用地磁匹配导航技术，该技术具有广阔的应用前景。

目前，国内颁布了6项磁测和磁力仪相关标准，都是行业标准，其中地震行业 5项，分别是《地面高精度磁测技术规定》(DZ56-1987)、《地面高精度磁测技术规程》(DZ/T 0071-1993)、《便携式质子磁力仪通用技术条件》(DZ/T0140-1994)、《地震观测仪器进网技术要求地震观测仪第1部分磁通门磁力仪》(DB/T 30.1-2008)和《地震观测仪器进网技术要求地震观测仪第2部分质子矢量磁力仪》(DB/T 30.2-2008)；石油行业的1项标准是《磁力仪使用与维护》（SY/T 6249-2005）。从目前出台的磁测和地磁传感器标准来看，都是在静态环境下进行地磁测量和用于地磁静态测量的器件标准，而地磁匹配导航的地磁数据要求是实时测量的，并且对磁测量设备的响应速度、精度、分辨率、工作环境温度、测量范围、质量、体积及抗干扰性等均有很高的要求。这些弱磁场测量设备不能同时满足上述要求，因此，目前出台的磁测设备标准均不能满足地磁匹配导航的要求，到目前为止还没有出台地磁匹配导航的相关标准。

2.3 重力匹配导航技术及其标准

从目前公开发表的文献可知，重力匹配导航的研究始于20世纪70年代美国海军的一项绝密军事计划，其目的是提高三叉戟弹道导弹潜艇性能。地球重力场的变化是地球所固有的物理信息，由于测量传感器不需要向外部辐射能量，并且特征明显、状态稳定，因此通过将重力场特征的测量信息与预测的参考重力信息相匹配，可以实现惯性导航系统的水下校正，达到长期高精度导航的目的。实现重力匹配导航技术的关键要素有重力图、重力传感器和重力匹配算法。重力图是重力数据的一种可视化表示，一般用网格方式描述，其数据可以是随空间变化的离散重力值；也可以是重力异常值；也可以是重力梯度分量值[13]。重力匹配导航适用于重力特征变化较大的区域。导航用重力图是重力匹配导航的基础，重力图的精度及匹配区域的重力场特性直接影响匹配效果，要提高重力匹配导航的可靠性和准确性，必须仔细挑选有足够地理特征的重力匹配区。理想情况下，匹配区域各重力场数据应具有以下性质：各网格数据比较离散，数据间相关性小，重力参考向量之间相似程度较低，这样能够得到较好的匹配性能和定位参数。理论上重力匹配惯性导航的精度不超过格网分辨率的一半，即1'×1'，目前海洋重力数据分辨率已经达到了2'×2'(格网分辨率4km)，基本能支撑海洋重力匹配导航的工程实现，能够满足潜艇的导航需求。由于测量手段和应用等因素的限制，目前陆地重力数据分辨率只能达到5'×5'，比海洋重力数据分辨率低，因此，海洋上更有条件实施重力匹配导航[14，15]。重力传感器包括重力仪和重力梯度仪。重力仪是用来测定重力加速度的仪器，也叫重力加速度仪，用于测量重力异常或重力矢量的大小相对标准地球模型的偏差。重力梯度仪是测定重力场垂直梯度的仪器，它是用于测量重力梯度即重力在三维上的变化率。目前，能够用于重力匹配导航的重力场数据主要有重力异常、重力梯度、垂线偏差、重力异常与重力梯度联合数据4种，其中后3种必需采用重力梯度仪。文献[16]、[17]介绍了国内外重力梯度仪的研究现状。文献[17]指出，目前国内在重力梯度仪硬件方面的研制较之国外还比较落后，还没有适合重力匹配导航的高精度重力梯度仪。匹配算法是重力匹配导航的核心技术，航行体最终的匹配航迹都要由特定的匹配算法来计算，重力匹配算法也叫重力图形匹配算法，它在原理上借鉴了比较成熟的地形匹配算法，如相关匹配算法和卡尔曼滤波匹配算法。目前，重力匹配导航的典型应用方向是水下潜器的隐蔽导航，利用海洋重力场的时空特征提高惯性导航精度，并在水下完成惯性导航系统综合校正，实现水下精确定位。重力匹配导航已成为舰船导航领域的研究热点。

由于国外对重力匹配导航相关技术的封锁，找不到国外该领域的标准，国内目前出台了一些重力测量和重力仪的标准。重力测量相关标准10项，其中国家标准 3项，《加密重力测量规范》(GB 18458.3-2005)、《国家重力控制测量规范》(GB/T 20256-2006)、《国家大地测量基本技术规定》(GB 22021-2008)。行业标准 7项，其中地震行业5项：《重力调查技术规定(1∶50000)》(DZ 0004-1991)、《区域重力调查规范》(DZ/T 0082-1993)、《大比例尺重力勘查规范》(DZ/T 0171-1997)、《地震台站建立规范.重力台站》(DB/T 7-2003)和《地震台网设计技术要求重力观测网》(DB/T 39-2010)；测绘1项，即《国家一等重力测量规范》(CH/T 2003-1999)；石油1项，即《地面重力勘测技术规程》(DB/T 7-2003)。重力仪标准4项，其中地震行业标准3项：《ZSM-3型石英弹簧重力仪》(DZ 0035-1992)、《重力仪环境试验条件及方法》(DZ/T0082-1993)和《地震观测仪器进网技术要求重力仪》(DB/T 23-2007)；石油1项，即《重力仪使用与维护》(SY/T 5939-2009)。目前国内地震和石油等行业的重力测量标准都是在静态环境下的重力测量标准，主要用于国土资源调查和资料积累等，并非用作导航目的。从目前国内出台的重力仪标准来看，国内研制的重力仪也不能满足导航要求，导航用重力数据是实时动态测量的，对覆盖范围、测量精度、分辨率和变化频率都有特殊要求，而且对重力传感器的要求较高，主要使用重力梯度仪，由于我国在重力匹配导航领域的研究起步较晚，目前大部分的研究集中在匹配算法的仿真论证阶段，离重力匹配导航的工程实现还有一定差距，因此，迄今为止并未出台与重力匹配导航相关的任何标准。

3 匹配导航标准体系

相对于其他导航技术，匹配导航技术是起步较晚且发展较新的导航技术，国内在匹配导航领域的研究还处在起步阶段，大量研究还集中在匹配算法上，而对于匹配图和测量传感器的研究相对较少，特别是对导航用高精度磁力仪和重力梯度仪的研制还处在初级阶段，目前，国内还没有可用于地磁和重力匹配的测量传感器。通过对当前匹配导航技术的发展现状、趋势和应用的研究，本文给出了一种匹配导航标准的体系框架结构，如图1所示。随着匹配导航技术和应用的日趋完善，关于其标准的体系结构也将逐渐丰富和完善。

图1 匹配导航标准体系结构图

匹配导航标准体系由通用基础标准和应用标准两部分组成。其中，通用基础标准指的是在匹配导航技术领域内必须遵循的通用性标准，可被各种匹配导航系统直接应用的标准，也可作为编制其他标准的基础，目前匹配导航通用基础标准主要是用作匹配的各种数字图的标准，即数字地图、地磁图和重力图。匹配图是实现匹配导航的前提条件和基础。目前只有用作导航的数字地图颁布了 1项标准，即数字高程模型，而用于导航的地磁图和重力图都还在研究阶段，因而尚未出台标准。需要说明的是，数字地图属于地理信息产品范畴，已被纳入测绘领域的标准体系，当地形匹配需要使用数字地图时，建议根据实际应用需求，参考测绘领域的地理空间信息产品相关标准。

匹配导航应用标准包括设备类标准和服务类标准。设备类标准就是匹配导航测量传感器标准，根据匹配导航传感器现有技术发展水平，对于地形匹配导航，主要有气压高度表和无线电高度表 (雷达高度表)，目前国内只出台了6项标准，标准数量不多，随着地形匹配技术在水下导航等新领域的应用，还会出现相应的新的地形匹配传感器，可能还要出台相关器件的技术要求、试验测试和维修等方面的标准。对于地磁匹配导航，采用的磁测传感器是磁力仪，而导航对磁测量设备的响应速度、精度、分辨率、工作环境温度、测量范围、质量、体积及抗干扰性等均有很高的要求，目前的磁力仪还达不到导航要求。对于重力匹配导航，需要用重力梯度仪获得重力场数据，我国导航用重力梯度仪还处在研制阶段，目前，地磁匹配和重力匹配的测量传感器还没有颁布相关标准。就匹配导航系统应用而言，地形、地磁可用于航空领域，主要用作各类飞机的自主精确导航，其中地形匹配是一种低空导航技术，用于地理特征明显区域。地形、地磁和重力匹配导航都可用于水下潜器的自主导航，随着匹配导航技术的不断发展以及在相关领域走向实用，也会出台一系列与之相关的应用技术标准。

4 结语

相对于其他导航技术，匹配导航是发展较晚且较新的导航技术，地形高程匹配是一种新型的导航技术，它实质是由惯性导航系统与无线电高度表和数字地图构成的组合导航系统。目前，我国已经出台了用于地形高程匹配的数字高程模型标准；地磁匹配和重力匹配是近年来国内外研究的热点，通过分析可知，目前虽然地磁和重力匹配都出台了一些器件和测量标准，但这些标准都达不到匹配导航技术对测量和器件的要求，因而目前在地磁和重力匹配还没有相关标准出台。可以预见，由于匹配导航技术各自的优势以及应用的良好前景，随着这类技术在理论和应用的不断发展，该领域的各种技术标准必逐渐颁布并将不断完善。

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Analysisof the StandardStatus and Structureof MatchingNavigation System

by XU Rui

Matching Navigation System is an autonomous navigation system,in which the real-time data pre-stored are matched to determinate the location of vehicle by using matching algorithm.According to the analysis on the status and application of MNS,the overseas and domestic standards and specifications of MNS were all described and compared by using classification and induction methods in this paper. The status of these specifications and standards were analyzed in detail.At last,the standard structure of MNS was proposed;meanwhile, some suggestions and opinions were given for MNS standards and specifications.

matching navigation,standard status,standard structure

2011-10-11

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41020144004）。

P228

B

1672-4623(2012)03-0001-05

徐瑞，博士，从事卫星导航技术研究。