舰机融合导航技术发展趋势分析与展望

汲万峰 张瑞恒 何鑫

摘要：在本研究中主要阐述GPS导航技术的发展历程以及导航原理，分析在舰机自动着舰中GPS导航技术的具体应用，同时阐述当前舰机平台导航手段优缺点，以及国内外舰机综合导航系统发展现状，提出误差修正、异常检测以及数据融合等导航精度提升的关键技术，最后深入探讨舰船综合导航系统的未来发展趋势。

关键词：舰机融合导航技术;发展趋势;展望

1 GPS发展历程及原理分析

1958年由美国海军进行第1代卫星导航系统的研究，即NNSS系统，该系统卫星轨道能够通过地球南北极。通过多年实践研究发现，该卫星系统不会受天气、时间因素影响，具有经度均匀，舰区系统卫星在視界内，则可在地球任意位置实现单点定位，以获得观测点三维坐标。该系统也存在很多缺陷，主要由于该系统具有6颗卫星构成的导航网，运行高度小，平均1.5小时才能够进行一次卫星的观测，因此，无法实现持续性三维信息的提供，无法满足某些军事或临时用户连续定位的实时性要求尤其无法实现高动态目标定位。整体来看，GPS导航技术经历三个阶段：第一，方案验证阶段。是指由1978年至1979年共发射4颗卫星，构建地面跟踪网，研究学者研制地面GPS接收机。第二，为研制和试验阶段。是指从1979年至1984年共发射7颗卫星，根据实验研究能够提高GPS的定位精度，其中粗码定位精度高于设计标准20米。第三，为实用组网阶段。是指由1989年至1994年完成所有卫星发射。截至1994年已经建成分布于6个轨道面的 GPS空间星座，之后将陆续更换卫星。历时20多年，GPS系统具有广泛应用前景。GPS系统定位为完全几何定位，是通过观测站与GPS卫星的距离，将其作为伪距观测量，通过4颗卫星伪距测量，即可获得测量点三维坐标值。一般采取两种方法来获得伪距观测量。第一，测量由GPS卫星发射测控时间。第二，测量具备载波多普勒平移GPS卫星载波信号和接收机参考载波信号的相位差。利用伪距测量进行定位，具有较快速度，采取载波相位观测量进行定位，其精确度较高。

2舰机自动着舰及GPS导航技术

航空母舰为当前世界上最强大综合战斗力，而在航母战斗力中舰载机是重要体现。舰载机可执行作战、侦察、训练等任务，如何控制舰载机准确着舰，将直接影响飞行任务的成功，同时，也是当前航母相关技术研究重点问题。当舰机完成飞行任务着舰时，其由航母舰尾进入，起先以600千米每小时的速度从航母的右舷通过。在速度为250千米每小时放下起落架，经180度转弯后，从航母左旋位置通过，在距离舰尾1850米位置，以180度转弯对准跑道，之后可进入着舰过程，这种情况下，舰载机距离舰尾900米位置，在GPS导航系统下可沿着标定下滑通道，逐渐着舰，舰机下滑与飞机不同，其能够根据GPS给出参考航迹作为基准完成着舰。当飞机匀速下滑和航母匀速直线运动时，此时二者连线为铅垂面平行直线，跟踪角为常数。虽然在整个舰机飞行中总共耗费时间不多，仅为飞行中的3%，但在飞行过程中发生事故概率为30%，同时，随舰机起降频率升高，在着舰进场时事故发生率将逐渐上升。飞机着航过程相对复杂，在这一过程中，飞机飞行速度、距离海平面高度将会发生较大变化。主要由于飞机面临复杂气动力环境，由于着舰是在气流纵向运动相对显著的对流层完成的，同时，在接近航空母舰时会遇到可使飞机下沉的风场作用，其对于飞机准确着舰是不利的。在着舰过程中，飞行员需结合仪表数据，对接地面信号指令。在着舰时，飞行员要处理大量数据，根据数据做出准确判断，这对于飞行来说难度是比较大的。上述操作均需要由飞行员进行长时间飞行后完成，同时在着舰时，外界复杂气候和接近舰体时形成的地面效应，对于飞行员操作和着舰会产生较大影响，这些均不是人为能够控制的，这种情况下，研究学者高度重视飞机自动着舰系统，分析多种自动控制着舰方案，以提升飞机着舰安全性。飞机自动着舰系统是与GPS导航定位系统息息相关的，作为导航定位系统，仪表着陆系统具有良好性能，能够满足精密着舰需求，但随之也会出现很多问题，无论仪表着陆系统或微波着陆系统，均需要舰上设备来支持。采用全球定位系统，能够简化舰上设备，同时提升导航定位技术的精度。全球定位系统，是基于卫星无线电导航系统，其能够在任意时间，为舰机设备提供准确导航信息。

3舰机综合导航系统

当前舰机综合导航系统主要涉及信息融合技术，导航技术，计算机技术，海洋地理信息技术等，其充分利用信息融合技术与网络技术，将多种导航系统和其他系统实现物理化连接，能够将海上信息、导航信息、舰机航行状态信息、雷达图像信息，多目标船动态信息实现综合处理，进而获得舰机实时导航信息和其他重要的航行信息。通过电子海图实时显示舰机的航行动态，能够便于驾驶人员观察和操作，以保证舰机实现安全运行。针对当前舰机综合导航系统，能够提供准确定位和导航，不仅保障舰机航行安全，同时也是舰机平台与武器装备的重要构成。舰机导航系统主要包括惯性导航系统、天文导航系统，卫星导航定位系统，罗兰C导航系统等，其中卫星导航定位系统能够准确定位，然而对于强对抗环境下，由于卫星信号相对脆弱，同时会受电磁因素影响，无法提供连续性导航服务。惯性导航系统具有较强自主性，能够实现全状态导航信息提供，但存在精度随时间发散等相关问题。天文导航系统作为一种自主式导航系统，其仅能够提供舰机航行速度里程，无法对其进行准确定位。除此之外，采用数字导航雷达，能够提供目标距离和目标方位等相关数据，电子海图系统，能够显示岛屿，港口，航标等参考信息，但均无法实现舰机位置的提供。当前对于单一导航系统或者由简单组合导航系统进行准确定位，其存在很多不足，无法实现复杂环境下远洋航行，以及对高、可信导航系统的运行需求，基于此，应当发展具较大范围和多导航传感器，以及充分发挥信息级优势互补能力为一体的综合导航系统。

在美军舰机综合导航系统中，导航传感器接口作为重要设备，能够实现多传感器综合导航定位。而在实现舰机安全，航行武器准确打击的过程中，精确导航定位信息是十分重要的。当前，舰机综合导航系统，已建立5个发展阶段，采用开放式的架构设计方式以及集成化理念，逐渐向舰机平台、导航资源一体化方向发展，其目前已经成为多种舰机导航系统的重要构成。

整体来看，舰机综合导航系统通过采集多种导航传感器的信息，包括惯性导航系统，卫星导航系统，回声探测仪，多普勒计程仪，实现数据监测处理，能够为其提供高精度，可靠性位置，速度等信息。基于探测系统，作战指挥，通信系统，武器系统等系统需求，以实现不同精度、频率导航数据需求。目前，在航母和多型驱护舰中，舰机综合导航系统已获得广泛应用。俄罗斯海军目前将数据融合技术用于综合导航系统中，能够有机结合卫星导航，惯性导航、无线电导航系统，进而显著提升综合导航系统的运行可靠性以及定位精度。德国综合导航能够将多种传感器与导航设备进行融合，此外具备航行计划、自动航速控制、中央报警管理等多个功能。荷兰综合导航系统，目前通过高度一致用户接口，实现整个综合系统的连接，除常规导航外，还具备压舵控制，推进器控制等多种功能。我国现阶段综合导航系统，采用分布式的设计方法，采取模块化结构设计，利用多种传感器能够测量舰机运动状态，通过信息集成系统处理传感器测量的实时信息，显著提升导航定位精确度。

4 导航信息融合架构的设计及关键技术分析

舰机综合系统作为复杂系统，需借助多种传感器实现信息综合自动化处理。如下图所示，为导航信息融合处理架构的示意图。导航信息融合处理架构是由导航参数输出管理模块、导航信息融合模块、传感器信息预处理模块和智能管理模块等共同构成的，其主要功能如下：利用传感器信息处理模块，能够实时检测多种传感器数据，实时异常检测和容错处理，针对传感器测量数据进行在线误差估计和数据修正。利用智能决策模块，能够结合传感器运行情况信息异常检测结果，人为指令实现智能化处理，自主决策最优化导航传感器融合模式结果。利用导航信息融合模块，能够针对决策结果如何处理多种导航传感器信息，以获得最优化的速度、位置等导航参数。利用导航参数输出管理模块，能够结合用户需求，制定所需导航参数，具体包括融合处理的组合导航参数以及传感器原始数据等。

数据预处理，主要是针对异常数据进行及时检测以及系统误差修正，系统误差会从一定程度上降低导航精度，要想获得高精度导航结果，需通过数据预处理。能够针对完成预处理的数据，实现导航数据融合，数据融合算法从一定程度上会影响导航精度，因此，在舰基综合导航系统数据处理中，系统误差在线修正、数据异常检测和导航数据融合处理是关键技术。第一，数据异常检测。为能够提升导航系统可靠性，需进行导航传感器测量、数据异常检测，由于受内、外部空间环境以及电磁环境因素干扰，在实际运行中，传感器会出现多种数据误差异常，将直接影响舰机航向安全以及武器装备使用。当前，常采用的数据异常检测技术包括，基于聚类、基于预测模型、基于概率统计。其中基于概率统计数据异常，是结合统计概率模型，在处于低概率密度区，该数据为异常数据，采用这种方法计算较为简单，但该方法无法用于数据流异常检测，一般采取隐马尔科夫模型概率统计。对于聚类数据异常检测，是指将具有高相似度数据聚类为簇，如果偏离簇该数据为异常数据，利用该方法无须先验知识，能够实现增量模型，但整体算法相对复杂，可采取k-means 聚类法。对于分类数据异常检测，是指利用异常数据生成分类器，借助训练好的分类器将新数据进行分类，以检测异常数据，利用该方法能够提高数据检测准确性，但对数据要求较高，需具备标签。常采用贝叶斯网络等方法。对于预测模型数据异常检测，是指通过模型输出数据的均值、方差进行获取数据置信区间，以判断该数据是否为正常值，该方法具有自适应性，能够实现在线监测，但无法保证数据的准确度。一般采取最小二乘支持向量机、相关向量机等方法。第二，系统误差在线修正。长时间使用导航器件，会出现重复性能降低，进而在标称性能和实际性能间，会使导航系统器件误差出现不一致，因此，针对导航传感器系统误差在线分离、标校时，能够提升导航精度。一般可采取神经网络法，能够针对测量误差与实际测量值关系建模，利用神经网络学习，对非线性函数逼近，构建系统误差模型。利用该模型在线修正实时采集的数据，以进一步提升传感器的数据精度。第三，导航数据的融合处理。当前在舰机综合导航系统中还有多种类型的导航传感器，如何实现导航传感器信息处理，数据融合，进而获得高精度导航结果，是当前导航数据融合主要解决的问题，在导航数据融合算法设计过程中，需考虑不同导航系统的性能，使其具备一定灵活性，可在不同状态下融合算法实现动态重构，保证导航数据的精度以及可靠性。当前舰机综合导航系统进行导航数据处理的方法，包括平滑滤波，卡尔曼滤波以及加权平均法等。

5发展趋势

未来随科学技术发展，舰机综合导航系统，主要向基于自适应信息融合技术高精度导航系统或智能综合导航系统，高效实时网络传输技术方向发展。比如舰机综合导航系统，应能够兼容较多导航传感器，可研发自适应数据融合技术，进而能够发挥传感器信息优势。随遗传算法、神经网络算法的发展，能够为现有综合导航系统提供系统误差修正、数据异常检测等理论工具，以提升数据精度，进一步提升导航精度。此外，舰船中含有多种功能系统，能够综合导航系统自身以及基于其他系统的信息传输。研发高校实时网络传输技术，进一步实现不同系统信息互联互通，以提升舰船系统集成化，能够为工作人员提供实时性有用信息。随着人工智能技术发展，基于知识航行专家系统，其成为了综合导航系统的重要应用。通过研发智能综合导航系统，能够实现导航系统接口运行环境进行自适应组合，进而获得较高精度导航结果，能够为舰船管理提供决策依据。

小结

总之，当前舰机综合导航系统能够融合多种传感器，利用智能化融合算法，帮助舰机提升导航可靠性以及导航精度，实现全球覆盖、自动化、全天候导航定位，未來随科学技术发展，舰机综合智能系统将能够为舰船自动驾驶、决策分析，风险评估、智能导航提供丰富的导航信息服务。

参考文献

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[2]赵小明，陈刚. 舰船导航发展现状与趋势[J]. 导航与控制，2020（4）：6.