论导航控制原理及技术要点分析

刘立红

摘要：导航的本意是引导运载体安全地航行，即将运载体从一个地方安全的引导到另一个地方的过程。但是随着科学技术的发展，它的概念逐渐丰富，各种标志着近代、现代科学技术的众多运载工具，诸如飞机、火箭、核潜艇、人造卫星、宇宙飞船等的相继出现，大大扩展了“导航”的概念，除了保证载体的航行安全外，还需要为载体及内部如测量、武器、监视等系统提供精确的定向、定位、速度等信息。导航技术已深入到人类生产生活的各个领域，其长期稳定地提供服务是国家正常运转的重要保障。

关键词：导航控制;原理;技术要点

引言

近年來，导航技术不断发展，各种导航系统之间融合逐渐加深，导航技术与其他新兴技术的结合也日益丰富。我国导航系统在高端技术领域与西方国家还存在差距，我们应正视差距，加大力度发展高端导航技术，为我国军事和民用导航需求提供保障。

1导航控制原理

1.1惯性导航

从本质上讲，惯性导航系统的原理是指运用惯性加速度计在三个彼此垂直的方向中测量出导弹质心运动的加速度分量，并在提供运动初始条件的基础上，运用制导计算机得到载体的速度、位置以及距离等信息，并明确导弹在不同时刻的坐标值和速度值。结合给定的初始条件（初始位置、速度矢量等）和已知数据（重力、时间等）解算及提供导航参数的导航方式。惯性导航系统在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，能够在全天候条件下，在全球范围内的陆地、空中和水下的任何环境中自主、隐蔽地获得运载体的三维运动方向和位置信息，其自主性、隐蔽性和输出参数全面的特点是卫星导航、无线电导航和天文导航等其他导航系统无法比拟的。同时，还要运用陀螺仪检测出载体的角运动，并在转换和处理下得到载体的姿态和航向。将上述数值和理论飞行轨迹的对应数值进行对比分析，就能在发现偏差数值的同时进行合理调整。

1.2 GPS导航定位

GPS是运用卫星进行测量和导航的卫星定位系统，其在导弹导航控制系统中应用的最早，且具有极强的稳定性。卫星导航利用导航卫星进行定位及导航，能在地球表面或近地空间为用户持续地提供全天候的三维位置、速度及时间信息。其导航误差不随时间积累，受气候天气影响较小。但是卫星导航存在着动态响应能力差、易受电磁干扰等缺点。卫星导航伴随着空间技术和电子技术的发展而不断地更新。一般来讲，GPS包含了用户接收系统、地面监控系统以及空间卫星系统这三部分。其中，空间卫星系统是指均衡分布在六个轨道平面上的二十四颗高轨道工作卫星，各个轨道平面相对于赤道平面而言有50°度倾角。从空间系统来看，所有卫星每12小时就会沿着圆形轨迹绕地球一周，并运用星载高精度原子钟来管控无线电发射机的工作，可以确保其进行持续且实时的导航定位。这一导航定位系统向用户提供的导航电文属于不归零的二进制数据码，码率为50赫兹。此时为了降低卫星消耗电能，提高GPS信号的严谨性和抗干扰性，GPS需要运用伪噪声码将不归零的二进制数据码转变为P码或C/A码两种类型。在实际控制操作时，GPS卫星定位技术最重要的就是对卫星所在位置和用户所在位置的计算。

1.3地形匹配导航

这一系统主要用于处理导弹巡航期间的辅助导航定位，实际精度可以达到几十米，且不会受光照条件、气候变化以及季节等因素的影响，最常用于丘陵地区，属于自主是导航系统。因为这一系统技术具有极强的隐蔽性，所以很难在实践操作中被发现或受干扰，同时这一系统有极强的稳定性，因此不会受地面建筑或四季变化所影响，且很难在导航匹配期间出现不必要的难题。另外，由于地球表层的地形和道路等跌宕起伏彼此交错，且相关数据信息很难被及时发现，所以在设计导航控制系统时，就运用了地形轮廓来明确飞行器所处区域的地理位置，这也是地形匹配导航系统所遵循的运行原理。

2导航技术要点分析

2.1重力导航技术

重力导航是指利用载体重力/重力梯度传感器实时测量载体所在重力场，并通过重力图匹配实现导航定位的技术手段。采用重力图匹配技术，可将导航系统误差降低至导航系统标称误差的10%。重力导航的发展趋势是重力传感器向高精度、小体积和轻质化方向发展，系统向通用化方向发展，应用领域从最初的弹道导弹核潜艇逐渐扩展到航空、陆地车辆和地质勘探等。

2.2天文导航技术

天文导航是指已知准确空间位置的、不可毁灭的自然天体为基准，并通过广电或射电方式被动探测天体位置，结算测量点经纬度、航向和姿态等信息的技术手段，具有被动式隐蔽测量、全自主导航、定位定向精度较高、误差不随时间积累的特点。天文导航的发展趋势是向以X射线脉冲星为代表的新型天文导航技术领域扩展。X射线脉冲星是中子星，与其他自然资源发射稳态辐射不同，脉冲星可以发送短暂、重复的能量脉冲。对于快速旋转的中子星，其旋转轴与磁极不对称，这种错位导致他们的信号强度随着脉冲星的旋转而变化，从而提供高度稳定的时间相关信号，可用于精确计时和导航。

2.3景象匹配导航技术

景象匹配导航技术是指利用载体高分辨率雷达或光电图像传感器实时获取地面景物图像，与预先存储的二维景象数字地图比较，确定载体位置的技术手段，尤其在景象特征明显的区域有着较高的定位精度。基于合成孔径雷达（SAR）的景象匹配导航技术日益成熟。SAR景象匹配导航利用实时SAR图像信息与事先准备好的数字地图或景象信息进行比较和辨识，从而确定载体的位置，具有图像分辨率高、穿透屏蔽成像、适应全天候和全天时导航应用等特点。

2.4地磁导航技术

地磁导航是指利用载体磁场传感器实时测量载体所在磁场，与地磁数据库进行比较，进而确定载体位置的技术手段。地磁导航具有无源、无辐射、全天候、全地域的特点，在航天器定轨、航空领域和水下自主导航等领域具有巨大的应用前景。由于磁强计收集的总磁场是地球磁场和载体磁场的叠加，地磁导航的一大难题是如何将地球磁场从总磁场中分离出来。麻省理工学院人工智能加速器研究小组通过机器学习的方法，使用训练好的神经网络从总磁场中去除飞机磁场，所得的地磁导航定位精度可精确到10m。并且美国空军正在与麻省理工学院合作，空军领导人在开放研究社区共享他们的数据集，以对人工智能改进地磁导航提供帮助。

结束语

在新时代背景下，加强对巡航导弹及其技术原理等内容的认识和理解，注重应用现代化技术理念进行优化创新，不仅能全面提高导弹导航控制系统的应用水平，而且可以进一步加强我国国防力量。因此，科研学者要在整合以往工作经验的基础上，多学习和借鉴国内外优秀的研发经验和技术理念，只有这样才能按照预期目标稳步发展。

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