探秘组合导航系统

孙欣欣

在组合导航系统中，将惯性导航系统的输出信号与其他外部测量信号进行比较，根据这些测量值的差异可以估计出对惯性导航系统的修正量，从而便有可能获得比独立使用惯性导航系统更高的导航精度。清华大学精密仪器与机械学系副教授郭美凤的研究方向便是组合导航系统算法.作为一名女性科研工作者，她不仅在学术上精益求精，更在科研上始终秉持着乐观豁达的人生态度。会学习，但更专注科研

“少年不知勤学苦，老来方悔读书迟。”读书对于郭美凤来说，从来都是一种享受，1988年，刚刚高中毕业的郭美凤只身一人，从内蒙古来到清华大学精密仪器与机械学系求学，要知道，在教学条件及招生指标相对落后的内蒙古，想要考入清华大学可谓是难上加难，而这一切对于郭美凤来说都源于她的“会学习”。

还在学生时期，学习与探索就成为了郭美凤的习惯，她更在后来的科研工作中将其贯彻到底。“那时，我在学习上花的时间并不多，但很喜欢学习，只要一进入学习状态就会特别专注，总能找到不同的学习方法与窍门；而且我也特别愿意在学习上付出，能让我感到收获的快乐。”

郭美凤也充分将这种“会学习”的特长延续到科研上，其中，选择专业、确立方向就是郭美凤“会学习”的第一次实践。清华大学精密仪器与机械学系的专业分支很多，郭美凤的兴趣所在与控制相关。“当时还有像光学等更加偏重于理论研究的专业，但我认为进行科研就是要使成果得以应用，而惯性技术方面的研究更加与实际相结合，离我心中科研应用的目标就更近。”郭美凤说。

从本科到博士毕业，郭美凤一直在清华大学探究惯性技术方向上的奥秘。博士阶段，通过对激光陀螺对准技术的研究使郭美凤对自己的研究方向有了更深入的理解，她不再拘泥于其中一方天地，而是广泛尝试不同的研究，博士毕业后郭美凤留任清华大学，转向了MEMS惯性导航系统的研制工作，将科研探索开拓到一片新天地。組合导航系统：终身的追求

“工作以后，我主要是进行基于MEMS惯性/卫星组合导航系统的初始对准技术以及组合导航系统方向的研究。由于目前的MEMS惯性器件的精度还不够高，所以很难完成初始自对准，需要外部信息辅助才能确定系统的初始姿态，其中卫星辅助是目前应用最多的。”郭美凤介绍道。

早在上世纪80年代末，我国就已经在MEMS惯性技术领域的研究上有所推进，并基于国外先进技术，在理论研究、原理样机开发等方面取得了一定成果，已经初步具备工业生产能力，但在仪表精度、稳定性等指标方面仍然存在较大差距，工程化研制、生产与应用方面更是尚处于起步阶段。

但随着研究的不断深入，一部分成果已经逐步凸显出来，尤其是郭美凤所在的清华大学对低成本MEMS惯性器件/卫星的组合导航算法进行了深入的研究，采用MIMU/GPS深组合导航方案，最终实现了原理样机的研制。

这种采用多传感器信息融合技术的组合导航系统与单一导航系统相比，具有许多优点：除了可以增加系统冗余度，提高系统整体的容错能力与可靠性之外，还可以实现导航设备间的优势互补，增强系统在各种工作环境下的适应能力，从而实现真正意义上的低成本、高精度连续导航。

在组合导航系统钻研多年的郭美凤，已经连续承担“十一五”“十二五”以及“十三五”的总装惯性技术预研项目。其中前两项预研项目主要以基础性研究为主，已经结题。据郭美凤介绍，在组合导航系统中，根据不同的应用要求可以有不同水平的组合，即组合的深度不同。而按照组合深度，可以把组合系统大体分为两类：紧组合和深组合。“我在‘十一五研究的项目就属于紧组合，其实就是一种组合方式，但两种方式也是各有千秋。”郭美凤补充道。

紧组合一般要求卫星信号良好，只有信号好才能够对信息有辅助作用；而在深组合系统中，惯性信息反过来还会辅助卫星信号的捕获和跟踪，所以对卫星信号抗干扰性有所提高。就在2016年，郭美凤刚刚申请了“十三五”总装惯性技术预研项目。“我将对深组合进行更深入的探索，而且还会研究载波相位姿态测量技术。”在郭美凤看来，继续组合导航系统的研究是理所应当的事情，也是她一直以来的追求。

除此之外，郭美凤还和团队成员获得多项发明专利，她研发的组合导航装置已经于2016年获得国家发明专利。在研发过程中，郭美凤提出了一种不同于以往的新的组合导航装置，将其设置在载体上，特征主要包括：导航模块、测量模块、计算模块以及电源模块。其中，导航模块包括GPS芯片，用于获得GPS观测信息；测量模块可用于测量载体的惯性导航信息；计算模块则能够对GPS观测信息和惯性导航信息进行处理，从而得到载体的状态信息；而电源模块，顾名思义，可以为上述三种模块供电。郭美凤及团队研发的组合导航装置获得载体状态信息的同时，还减小了体积、重量和功耗，大大降低了成本。虽然专利申请已经通过，却还只是深待闺中人不识，希望早日能有“如意郎君”踏着七彩祥云来提亲。研有所用，是郭美凤最大的追求。

育人，始终在路上

科研上的郭美凤总是事无巨细，力求做到最好。如今，身为博士生导师的她，身上的担子更重了。郭美凤经常参加各种国内外学术会议，也深刻感受到外语对于学术交流的重要性。她主张学生一定要重视对外语的学习，而不是将其当做可有可无的学习工具。

郭美凤曾被学校公派到美国教学研修半年，对国内外上课方式的差异也有独到的见解。她主张提高学生的主动性和积极性，改变学生不愿思考的现状。为此，郭美凤对教学进行了实质性的改革，采取新的教学模式：翻转课堂，即将老师与学生的身份互调。“我将学生进行分组，由学生进行组内授课，除此之外，还开通评价体系。”这样一来，不仅学生能够达到自学的效果，还能使其他学生主动参与进来，一举两得。“学习主动性一直是我强调的，而且这样的讲课方式也能使学生思考得更深入、细致。”

“科研这条路，一定要走到底。”学生时代的郭美凤曾被导师这样叮嘱。直到现在，已经快90岁的老先生还一直在写写算算，这种持之以恒的精神，郭美凤也在传递给学生们。至于她自己，更是对此奉为圭皋。

谈到未来，除了对教学方法的探索，她也在坚持寻求新的研究方向。“在室外，由于能够接收到卫星信号，可以清楚地知道具体位置，但卫星导航系统在室内往往无计可施。”针对这一问题，郭美凤基于手机里的惯性传感器，利用蓝牙、WIFI等信号，实现了室内定位，目前定位精度已经可以达到两到三米。

不管未来的研究任务有多艰巨，有多繁琐，郭美凤始终都不曾将其搁置，她用自己的方法在科研的漫漫长河中，完成对每一次研究的承接与发展；更站在不同的高度上，继续在组合导航系统领域里勇往直前。