国外导航系统发展现状与趋势

2021-11-20段国文何庆顺刘伟

电子技术与软件工程 2021年19期

段国文何庆顺刘伟

（1.海军装备部装备项目管理中心北京市 100071 2.天津航海仪器研究所天津市 300130）

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。

随着航空航天领域以及军事武器的发展，对导航系统的要求不断提高，如何获得更高精度、高可靠性、强自主性的导航系统成为各国的重点研究问题。导航系统作为国家战略前沿技术和国防关键技术，以美国为首，欧盟、俄罗斯、日本等国不断推动卫星导航、惯性导航、天文导航等技术的发展，并取得了一定成果。

1 卫星导航系统

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。

1.1 美国：巩固GPS的主导地位

2019年8月，美国国防部公开了《国防部定位、导航和授时(PNT）整体战略—确保美国军队PNT优势)报告，旨在利用现代化GPS等PNT能力，以模块化开放系统集成方法，为联合部队提供精确、可靠和弹性的应用服务。

GPS系统由卫星星座、地面监控系统及用户设备组成。GPS系统以其高精度、全天候、高效率、多功能等特点得到了广泛的应用，但是相比于目前多个世界大国正在积极建设的其他卫星导航系统（如北斗、伽利略等），GPS系统日益显现出很多方面的固有缺陷，如信号强度弱，难以穿透建筑物遮挡，信号公开、易受干扰以及导航电文必须每天更新一次，很难保证系统导航服务的可靠性等。为此，美国正逐步对GPS的空间段和地面控制端进行升级，使其适应现代化需求。

空间段：更新GPS卫星，优化星座布局。目前，GPS星座中共有31颗可运行卫星，包括8颗BLOCK IIR、7颗BLOCK IIR-M、12颗BLOCK IIF和4颗GPS III/IIIF。与之前的GPS卫星相比，最新部署的GPS-III卫星变化主要是：增加了L1频段的互操作信号L1C，设计寿命增至15年，定位精度是原来型号的3倍，抗干扰能力是原来的8倍。在此基础上，GPS-IIIF卫星还将增加如下能力：在轨升级与信号重构能力，点波束信号功率增强能力， V频段高速星间/星地链路，增加搜索救援功能，增加激光反射器整列，提高卫星轨道测量精度。GPS-III系列卫星按计划将于2034年左右完成部署，由10颗GPS-III卫星和22颗GPS-IIIF卫星构成GPS卫星星座。

地面控制段：当前的地面控制段(OCS)包括一个主控站，一个备用主控站，11个命令和控制天线和16个监测站。雷神公司将在2021年为美国提供下一代控制控制系统OCX，与GPS-III卫星一起，OCX可以提高当前卫星导航系统的精度，并且解除对GPS星座卫星数量的限制，这将增加其在建筑物、峡谷和山区等环境中信号的覆盖范围。

1.2 俄罗斯：打破美欧制裁，GLONASS星座全面更新启动

俄罗斯1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统GLONASS，于2007年开始在俄罗斯境内开放卫星定位及导航服务，至2009年其服务已扩展到全球。目前GLONASS星系由28颗卫星组成，其中23颗卫星正在服役，1颗卫星正在维修中，1颗卫星备用，2颗卫星处于飞行测试阶段。2019年4月24日，俄罗斯航天国家集团公司副总经理尤里·里其奇表示，预计2025年之前将在系统高轨段部署6颗卫星，其中首颗卫星将于2023年投入运行，而完成部署后将使GLONASS在半个地球范围的导航精度提高25%。2020年10月25日俄罗斯将最新一颗卫星-新一代15号GLONASS-K卫星送入轨道，与之前的GLONASS-M卫星不同，GLONASS-K卫星携带两种类型的导航信号-频率分离信号和代码分离信号。GLONASS系统最近的变化主要是在保留频分多址(FDMA)信号的同时引入了码分多址(CDMA)信号以及提高了星载时钟的稳定性。GLONASS系统计划在未来增加一个类似于北斗的IGSO部分(GLONASS-B)和更好的全球地理分布式控制网络。

1.3 欧洲：伽利略卫星导航系统

伽利略卫星导航系统于2016年12月15日开始提供早期运行能力，并于2019年达到全面运行能力。截止至2020年，计划的30颗卫星已全部部署完成，由24颗提供服务的卫星和6颗在轨备用卫星组成，位于地球上方23222公里高的三个圆形地球轨道平面上(MEO)。欧洲伽利略信号联合设计团队发明了“交替二进制偏移载波(AltBOC)信号”和“复合二进制偏移载波(CBOC)信号”技术，该技术不仅是卫星导航信号调制和复用技术的重大进展，也被公认是伽利略系统的核心技术之一，并对国际卫星导航信号的设计产生了深远的影响。

伽利略的地面部分由位于德国和意大利的两个伽利略控制中心(GCC)组成，全球伽利略监控站(GSS)网络提供的数据通过冗余通信网络发送至伽利略控制中心，伽利略控制中心使用该数据计算完整性信息，并使所有卫星的时间信号与地面站时钟同步。

作为功能的进一步提升，伽利略将基于可操作的Cospas-Sarsat系统提供全局搜索和救援(SAR)功能，卫星上配备的转发器能够将遇险信号从用户发射器传输到区域救援协调中心，然后启动救援工作。同时，系统将向用户发送响应信号，通知用户已检测到他的危险处境并正在提供救援。

2 惯性导航系统

惯性导航是指通过惯性测量获得载体的加速度矢量信息，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。

惯性导航系统通常由惯性测量部件、计算机和显示单元三部分组成，其中，核心部分是由陀螺仪和加速度计等组成的惯性测量部件。经过近百年的时间，惯性技术发展形成了基于经典牛顿力学的机械式、基于Sagnac效应的光学式、基于哥式振动效应的微机电式以及以原子干涉和原子自旋陀螺为代表的量子式等惯性技术。

以牛顿经典力学原理为基础的静电陀螺、三浮陀螺、动力调谐陀螺等为代表的第一代惯性仪表，具有精度高、技术成熟等特点，已被广泛应用于导弹、航母和核潜艇等战略级武器系统中，但是存在体积大、结构复杂和成本高等缺点。

近年来，半球谐振惯导技术取得了飞速发展，DARPA认为其是具有最佳SWAP-C（尺寸、质量、功耗和成本）的导航级陀螺。谐振陀螺仪的原理是：在给定频率下共振的物体，即使其支撑被旋转，也始终在同一平面上保持共振。

法国赛峰公司是第一家具有工业规模的谐振陀螺仪制造商，2012年赛峰公司投资了一个名为CORLOLIS的高科技制造设施，使其获得谐振陀螺的大规模生产能力，成功的降低了成本[1]。赛峰公司声称，他们的谐振陀螺仪可以取代光学陀螺仪，甚至可以取代冷原子陀螺仪，其高性能产品已经在战略级和战术级如武器制导系统、航母和空间飞行器等导航场景应用。谐振陀螺的高制造成本来自于传感器的高制造精度和装配要求，赛峰的电极支撑设计很好的解决了这一问题，该设计将电极放在平面上，确保谐振器驱动力在半球穹顶的赤道面产生，这样谐振器的装配只在二维平面上起到影响，降低了制造与装配难度[2]。 2018年，赛峰公司报道其半球谐振陀螺在2000h内的零偏稳定性优于0.0001°/h（1σ），接近量子陀螺的性能，标度因数非线性低至0.1ppm。美国诺格公司的半球谐振陀螺仪以具有极高的可靠性著称。近25年来，其谐振陀螺技术在200多艘航天器上为星际和深空任务做出了贡献，在长达5000万小时的总运行时间中，没有出现一次任务失败的情况。诺格公司的可扩展空间惯性参考装置采用石英构造，具有辐射硬化特性，并且不受老化的影响，非常适合15年以上的长期任务。诺格公司目前正在开发毫米半球谐振陀螺仪，该陀螺仪将在新型LR-450惯性测量装置中使用。

基于Sagnac效应的激光陀螺和光纤陀螺作为第二代惯性仪表的主要代表，具有无机械转子、动态适应范围宽等优点。

谐振式光纤陀螺仪结合了像环形激光陀螺仪的对光线进行再循环以增加灵敏度的信号噪声属性的特点，以及像干涉式光纤陀螺仪一样通过多匝线圈加长光纤路径长度的能力，在体积、成本等方面比环形激光陀螺仪和干涉式光纤陀螺仪更具理论潜力。霍尼韦尔公司提出利用相对较小的光纤谐振器和光学器件在一种硅光学试验台(silicon optical bench, SIOB)，通过继承硅光学平台技术来使谐振腔和光学输入设备小型化，推动下一代小型商用导航设备的发展。采用全光纤谐振器和组件，和两种锁相激光器探测环形谐振器顺时针和逆时针谐振的激光架构。通过连接线圈的两端，SIOB在闭合谐振腔回路中起着关键的作用，同时也提供了进入谐振腔和离开谐振腔的输入光路。通过将光纤放在V型槽的两端，中间夹有球形透镜，光纤就可以从环形光纤的一段对准并聚焦到另一端。最新的试验结果显示其零偏稳定性小于0.02～0.007°/h。

基于原子自旋和原子干涉原理的第四代量子惯性技术发展迅猛，在超高精度导航和小型低成本导航级领域具有巨大潜力。原子干涉陀螺仪的原理基于原子的萨尼亚克效应，原子干涉陀螺仪的理论零偏漂移比传统陀螺仪低很多，理论精度可达到光学陀螺仪的1010倍[3]。原子自旋陀螺仪是利用碱金属原子的拉莫尔进动的自旋来实现角速度传感。目前原子自旋陀螺的主流方案有两种：一种是采用双核方法的核磁共振原子自旋陀螺(NMRG)，另一种是工作在无自旋交换弛豫态(SERFG)下的原子自旋陀螺。

最近20年，虽然对于原子陀螺仪的研究依旧停留在样机实验阶段，但是欧美多国在原子自旋和干涉陀螺仪的研制与控制零度漂移方面均取得了各自的成果。1997年，美国斯坦福大学Kasevich研究组首先演示了基于Sagnac效应的原子干涉陀螺仪的工作原理，2000年和2009年，该小组对实验装置进行不断改进，且通过加强原子束流和噪声分离，提高了装置的测量稳定性；2011年，该小组展示了一个四脉冲的冷原子干涉陀螺仪，克服了以前原子干涉陀螺仪的精度和动态范围限制，短期灵敏度达到了4.8×10-16（°）·S-1·Hz-1/2。2012年，德国Rasel小组研制了对抛双环路型冷原子干涉陀螺仪，该装置中经过二维冷却的铷原子沿水平方向抛出，经过空间分离的三脉冲拉曼光，得到干涉条纹，进一步分析拉曼光平行度对干涉条纹的影响，并以此寻找拉曼光束的倾斜角度，在实验中得到3.5×10-5（°）·S-1·Hz-1/2的实验结果。2019年，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员升级了他们的紧凑型原子陀螺仪，该仪器利用点源原子干涉技术，首次使用单个原子源同时测量沿两个轴的旋转和沿一个轴的加速度，经试验所得NIST陀螺仪对旋转测量的幅度和方向的灵敏度分别为0.033°/s和0.27°[6]。美国诺格公司（NORTHROP GRUMMAN）为美国国防高级研究计划局（DARPA）开发的微核磁共振陀螺使用原子核的自旋来检测陀螺仪的旋转，并在小尺寸、低功率的封装中提供与导航级光纤陀螺仪相当的性能。

3 其他导航技术

3.1 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。20世纪80年代中期以前，重力导航研究主要集中在运动基座重力梯度仪、重力辅助导航原理和匹配理论上。美国海军在1998年和1999年分别在水面舰船和潜艇上对UGM进行了演示验证，实验数据表明，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%。20世纪90年代后期，洛克希德·马丁公司成功研制通用重力模块（UGM），提供无源重力导航和地形估计，可直接应用于现有导航系统。洛克希德·马丁公司最近开始广泛向勘探行业提供两种类型的重力梯度仪：全张量重力梯度仪系统(FTG)和部分张量系统，其下一代仪器增强型FTG(eFTG)是世界上最先进的动基座重力梯度仪，其本底噪声比FTG低三倍，意味着增强型FTG具有更高的准确性和空间分辨率。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。

3.2 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。

2006年，美国DARPA启动XNAV计划[4]，目的是根据对近地军事应用的某些极其稳定的毫秒X射线脉冲星的观察，开发独立于GPS的精确导航和计时系统。2018年，NASA已经证明自主X射线导航用于载人航天器的可能性[4]。NASA的SEXTANT实验展示了毫秒脉冲星可以用于准确确定在太空中以每小时数千英里速度移动的物体的位置，实验中，SEXTANT利用中子星探测器（NICER）上的52个X射线望远镜和硅漂移探测器来探测从四个毫秒脉冲星目标发出的X射线，脉冲星数据被输入机载算法，自动生成导航解决方案，用于确定NICER在地球轨道上的位置[5]。

X脉冲星导航技术在工程中的主要问题是设备研制难度大，以及高可模糊度求解方法和基于观测的时间转换模型的精确建立方法还有待进一步研究。

3.3 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。俄罗斯白杨-M地对地洲际导弹采用SAR景象匹配导航，打击精度优于60m（CEP），美国洛拉尔公司的SAR引导头，采用平板阵列天线，可向侧面旋转或向侧前方直视，既可用于中段匹配导航，也可在导弹临近目标时提供具有较好分辨率的目标SAR图像，提高打击精度。德国MBDA/LFK公司和瑞典的萨伯博福斯公司联合开发的KEPD-350导弹在制导过程中也使用了景象匹配导航技术，在2001年7月的首次挂飞试验中，其红外导头识别出了20个预定导航点中的19个，在2004年的一次试验，在100公里的行程中完全关闭GPS导航，仅依靠地形匹配和景象匹配导航，达到了较高的导航精度。

3.4 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。2017年，美国空军理工学院Aaron Canciani教授设计了一个机载无源导航系统，包括光泵标量磁强计、惯性导航系统、气压计和磁异常图，给出了完整的测量方程来描述实时磁场强度测量结果与磁异常图之间的重要关系。在试验中，飞机在1000英尺的高度上进行了一小时的飞行，导航系统的水平DRMS误差为13米[7]，试验结果较以前发表的地磁导航精度有了数量级的改进。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[8]。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。

4 导航系统发展趋势

4.1 发展自主导航技术，持续提高自主导航能力

从广义上将，所有不需要外部设备支持，可自己测得导航信息的方式均为自主导航，如惯性导航、地磁导航、重力导航、天文导航、景象匹配导航等，具有自主性、隐蔽性、不易受外界干扰等特点，在提高载体拒止环境下导航系统的生存能力和满足任务特殊阶段的导航需求等方面具有明显优势，成为未来导航领域技术发展的重要方向，在军用领域更是有着重要意义。2019年，美国国防部地《国防部PNT整体战略-确保美国军队PNT优势》报告中，强调GPS可能会在全球范围内收到干扰。多年来，美国军方围绕GPS构造了其武器系统，这也产生了巨大的依赖性，并且由于GPS信号强度弱、信号公开、易干扰等缺点，使其在军事行动中成为对方针对的目标。因此，发展不依赖外部信息的自主导航系统势在必行。

目前占主导地位的自主导航技术是惯性导航技术。惯性导航技术的进步主要依靠三方面科学技术的：新型惯性器件和测量原理、更先进的制造工艺和更先进的计算机技术。为满足军用领域对惯性导航系统高精度、长航时和恶劣工作条件的要求，促使其向着高精度、高可靠性、恶劣条件下的适应性以及小型化、低功耗等方向发展。

目前，静电惯导仍然是世界上最高精度的惯导系统，同时激光惯导、光纤惯导和半球谐振惯导正逐步接近和达到传统战略级应用精度。原子陀螺仪具有较高的理论精度，有望在高精度惯性导航领域发挥重要作用，但是目前的研究还只停留在实验样机阶段，从理论走向实践，实现工程化还需要较长时间。

4.2 多源信息融合，提高导航系统的集成一体化设计

外部环境复杂的条件下，单一源导航系统存在不连续、不可用或不可靠的风险。美国《2018年国家授时弹性与安全法案》要求交通部在2年内建设针对GPS信号收到干扰或衰减及不可靠、不可用的情况下，军民用户依然可以获得不受干扰和未被破坏的授时信号，美国《国防部PNT整体战略-确保美国军队PNT优势》报告中也提到，“GPS可能会在全球收到干扰，接收机需拥有多种不同PNT源和模块化开放系统”，发展目标是到2025年，融合所有可用的信息源，利用各种信息传输渠道，在各种地面环境和对抗条件下，为作战部队提供实时、有效、精确的定位、导航与授时信息。

多导航信息源融合绝不是多种不同原理的传感器的简单捆绑集成，简单捆绑集成会带来体积庞大、功耗高和互相干扰等问题。

合理的多源信息融合系统首先要进行合理的一体化设计，能共用的组件必须共用，如控制、数据处理单元等，不能共用的组件也应做到模块化，各类组件及接口应标准化，做到即插即用；其次，各信息源应做到智能化选择，在特定场景下，系统根据自身感知能力进行信息源的优选组合，确保导航信息的准确性和复杂场景下的连续性。

4.3 安全航行与无人系统需求牵引，智能技术发展支持，促使智能化导航快速发展

近年来，无人机、无人艇技术的快速发展，以及安全航行、智能驾驶等领域的需求，使得智能化导航也成为一种发展趋势。在2018年安全和船舶运输报告中评估的15000起海洋责任保险行业索赔中，有75%起是人为结果造成的。在大多数情况下，低能见度、船员操控失误以及水道中船舶拥挤是造成船舶碰撞的主要原因。针对任务需求的路径规划、自动驾驶、导航态势能力评估和场景化的人机智能交互等需求，人工智能、深度学习、虚拟现实、大数据计算与挖掘、模式识别等技术被不断地应用在导航系统中，形成海陆空三维一体的信息保障技术条件，并且无人机、无人艇、汽车等的自动导航、自动操控、自动避障等技术也同步取得进步，实现操纵控制的智能化、自动化，提高特殊工况下操纵控制的安全性、高效性。但是目前智能化导航所取得的成果只能为人工操控提供参考，或只能在简单的环境中起作用，而面对如船舶港口、拥挤路段等复杂环境下的可靠性、突发事件的处理技术以及实现完全的自动操控还有很长的路要走。