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杨元喜:导航与定位若干注记
发布时间:2020-06-11     来源:杨元喜     浏览:2537

摘要:尽管导航与定位已经深入到人们的曰常生活,但是导航与定位的含义经常被混淆,而且绝大多数教科书和文献 也没有刻意区分这两个既有联系又有区别的概念。本文试图分别给出导航与定位的定义与内涵,讨论导航与定位的联系与 区别,描述导航定位分类,简述导航与定位的交叉发展史。试图从学科发展、应用领域的发展讨论导航定位涉及的研究内 容,侧重讨论导航与定位未来的重要研究方向。需要强调的是,本文只讨论一般意义的导航与定位,尽管卫星导航定位是 重点描述内容,但不特指目前快速发展的卫星导航定位。

引言

定位是人类社会活动、经济活动、军事活动 的重要支撑。高精度定位是地球科学研究的基 础,内部地球物理、地壳运动、海洋活动、地震 等都需要毫米级精度的定位;边界划分、土地测 量、工程建设等需要厘米甚至毫米级精度的定位。日常生活中人们更需要连续实时导航定位。行人在陌生的城市、森林和无垠的沙漠戈壁需要导航、 定位和定向,车辆行进在陌生的道路和城市需要参照、需要导航,舰船航行在浩瀚的海洋需要标志和定向指引,飞行器遨游太空也需要导航定位。

国防建设更离不开导航定位。军事行动、指 挥平台、武器平台等都需要导航定位的支持。

导航定位是信息技术(information technology,IT)和数据技术(data technology,DT)开发与应用 的基础。信息化社会中(无论是数字地球还是智慧 城市),约80%的信息都与空间和时间有关。于是,导航定位所提供的三维位置、三维速度和时 间信息是信息化建设的重要内容,也是数字地球、智慧城市建设十分重要的基础。

涉及导航与定位的著作、文献十分丰富,但是专门讨论定位与导航的区别、联系、发展历程 的文献并不多。而且导航与定位概念经常混淆。 此外,在全球卫星导航定位系统发展之前,导航 与定位分别附属于不同学科。“定位”属于大地测 量学科;“导航”尽管在航海、航空得到广泛研究和应用,但是它一般属于自动控制学科。卫星导航定位系统出现后,导航与定位的界限越来越模 糊。从学科发展角度,严格的导航与定位的定义 也需要加以规范化论述,尤其需要理清导航与定 位的区别与联系,讨论其发展的关联性。

1 导航定位定义及其分类

“定位”指的是测定地面、海洋或空中一点相对于指定坐标系统的坐标。简言之,测定点的位置就 叫定位。定位分为绝对定位(相对于指定坐标系统的 位置)和相对定位(相对于其他点的位置);定位可按 单点进行位置测定,也可按整网的一部分进行测定。定位也分静态定位和动态定位,静态定位指 的是载体在静止状态进行的定位,动态定位指的是 载体在运动状态下进行的连续、实时定位。

“导航”指的是采用定位手段和控制方法确定 运动载体当前位置和目标位置,并参照地理和环境信息引导运动载体沿着合理的航线,抵达目的 地的过程。简言之,导航就是引导航行。

导航一定需要定位,且需要动态、实时、连 续定位,但定位不等于导航。导航含有控制、引 导、参照等概念。

定位种类繁多,有静态定位、动态定位、动 静态定向、匹配定位等。静态定位方法有:三角 测量、导线测量、天文测量、水准测量、静态卫 星定位等;动态导航定位的方法有:惯性测量、 无线电导航定位、动态卫星导航定位等。定向方 法有:天文定向、罗盘定向、指南针定向、卫星 定位定向;匹配导航定位方法有:重力匹配、磁 力匹配、影像匹配、景象匹配定位等。

导航定位设备有观测设备、航标信息和控制 系统等。观测设备包括光学天文观测设备、指南针、罗盘、惯性系统、地磁传感器、重力传感器、 光学传感器及无线电接收或发射设备等;航标信 息包括无线电信标、环境信息、影像信息、地理 信息及地磁和重力场先验信息等与地理坐标关联 的信息。控制系统包括控制硬件、软件和算法等。

2 导航定位发展简史

中国古代人早已采用目视法观测北斗星进行 定向,大约在公元前2697年,黄帝和炎帝联军与蚩尤战争时期,已经发明了指南车。公元27-97年间,发明了地磁指南针,也称为“司南”,即利 用地磁场南北极属性,将两极磁体做成罗盘,罗 盘的指针能给出任一方向的方位或角度值(南北极除外)。我国古代指南针为我国与世界交流作出了重要贡献,无论是秦汉时期中国与朝鲜和日本的海上往来,隋唐五代中国与阿拉伯各国之间的贸 易往来,宋代航行在南太平洋和印度洋航线上的 大量中国商船队,还是明代初期航海家郑和“七下西洋”,指南针都发挥了重要作用。

具有科学意义的几何定位大约始于公元前三世纪,埃及学者埃拉托色尼(Erotosthenes)发现亚 历山大城和赛尼城位于同一子午线上,而且发现 夏至日正午日光在赛尼城直射井底,即太阳的天 顶角为零,而此刻亚历山大城太阳光则存在倾角, 他通过观测日晷或垂直杆上的阴影长度得出日光 与垂线方向形成的角度是一圆周的1/50(即日光南 偏7°12'),由此他推算出地球半径6 267 km,误差 约2%™。公元723年,我国唐朝高僧一行和尚 (张遂)带队在林邑(越南顺化)、安南都护府(越 南)、朗州武陵(湖南常德)、襄州(襄阳)、阳城 (河南登封告城)、洛阳、滑县白马、汴州浚仪、 许州扶沟、豫州上蔡、蔚州横野军(河北蔚县)、 太原府、铁勒(蒙古乌兰巴托西南)共十三个地方 用“复距”仪测量北极高度,并分别测量冬至、 夏至、春分、秋分的日影长度,测得各台站的纬 度和台站之间的距离,测得极高差1°,南北距离 差130. 3 km,误差21 kmm。1615年荷兰学者斯 涅尔(W. Snell)创建了三角测量定位法。17世纪末,我国清朝康熙皇帝委托法兰西传教士在中国 进行以绘制地图为目的的大规模天文和三角测量 定位。建国之初,我国便开始大规模三角测量定位,构建了全国天文大地网。

具有科学意义的物理定位始于牛顿建立的力学原理。1852年,傅科根据牛顿力学原理制成供 姿态测量用的陀螺仪,1906年安休兹制成陀螺方向仪,1907年又制成陀螺罗盘。1923年舒拉摆原理的建立为惯导系统的设计奠定了理论基础, 1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功。之后, 液浮陀螺、挠性陀螺、激光陀螺、光纤陀螺以及捷联式惯导系统得到了迅速发展。

无线电定位是导航定位的一次革命,它使得 后来的卫星导航定位成为可能。19世纪末20世纪初,无线电技术开始用于导航,导航技术开始飞 跃发展。1902年发明了无线电测向技术;1912年研制出了世界上首台无线电导航设备,即振幅式 测向仪,也称无线电罗盘(radio compass); 20世纪40年代,基于双曲线定位原理研制成功了近程 导航系统台卡(DECCA)[]°];上世纪30年代末研制 成功了无线电仪表着陆系统(instrument landing system, ILS); 上世纪 TO 年代研发了微波着陆系统; 1982年建成了奥米伽甚低频导航系统;1945年建成 罗兰(LORAN)A,1958年罗兰C开始投人使用; 1945年多普勒导航雷达(Dopple Navigation Radar)系 统开始发展;1946年左右,用于航空导航的甚高频 全向信标——伏尔(VHF Omni-range,VOR)得到发 展;1947年,一种称为甚低频的导航系统——欧米 伽(Omega)系统在美国问世,与欧米伽导航原理相类似,俄罗斯研制成功了阿尔法(Alpha)导航系统; 1955年,美国研发了近程无线电导航系统,称为战术空中导航系统(tactical air navigation system, TACAN),简称塔康(TACAN)系统。

卫星导航系统的研制成功,开启了全球整体 化导航定位时代。1958年,美国开始研制子午仪 卫星导航系统,也称海军导航卫星系统(navy navigation satellite system, NNSS); 1973 年,美 国开始研制全球定位卫星系统(global positioning system, GPS), 1994 年正式投人运营; 20 世纪70年代,前苏联开始研发格洛纳斯卫星导航系 统(global navigation satellite system, GLONASS), 1996年宣布建成;1983年,中国开始研 究利用地球静止轨道卫星进行导航定位,1994年正式开始建设,取名为北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS),2000 年建成由 两颗卫星组成的验证系统,2003年发射第三颗静 止轨道卫星,第一代北斗卫星导航系统投人运行; 2012年,中国建成了包括14颗工作卫星的区域卫星导航系统(也称北斗二号系统); 2001年,欧盟开始建设伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system, Galileo), 之后日本宣布建 设区域准天顶卫星系统(quasi-zenith satellite system, QZSS), 印度也开启了 印度区域卫星导航系 统(Indian regional navigational satellite system, IRNSS)的建设。

卫星导航系统的发展,极大促进了导航定位 理论与应用的变革,彻底改变了导航定位手段, 也促进了相关产业的长足发展,提高了定位的精 度和可靠性,显著降低了导航定位成本,促进了 基于位置服务的智慧城市、数字地球、甚至大数 据开发等电子服务业的极大发展。

3 导航定位研究内容

导航定位领域研究内容十分丰富,包括导航 定位平台、导航定位终端设备、各类导航定位模 型和计算方法及其应用研究。

导航定位平台研究包括:卫星平台、航空平台、 水面和水下导航定位平台、惯性导航平台等研究。

导航定位终端设备研制包括:光学经纬仪、 电子经纬仪、陀螺、各类导航芯片、天线、接收机等。设备研制一方面需要原理创新,更需要制 造业的工艺水平。

导航定位模型和算法研究包括:各类导航传 感器观测模型、运动学模型或力学模型、各类误差改正函数模型、观测随机模型以及动力学信息随机模型;导航计算方法包括:动态载体定姿定 轨方法,信号处理、参数估计理论与方法、运动 控制理论与方法、多系统组合定位理论与算法等。

应用研究包括:高精度静态定位及其在坐标基准确定、地壳形变分析、地球动力学中的应用、高动态定位及其在车载、舰载和星载定位或 定轨中的应用等。

纯导航研究还包括:定位与地图匹配算法研 究、地图辅助导航、室内外无缝导航、重力匹配导航、磁力匹配导航、多系统组合导航(包括多 全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS) 融合导航、 GNSS 与惯性导航系统 (inertial navigation system, INS)的松组合、紧组 合、深耦合导航等)、完好性研究(不仅包括常用 的安全告警,还包括自动抵制非完好性对导航定位的影响)等。

4 未来主要发展方向

中国导航定位未来主要发展方向:卫星导航 定位方面,应侧重多模多频、多GNSS融合导航 定位理论与算法研究,侧重多频频间偏差探测与 估计、抗干扰和防欺骗硬件与软件设计、兼容与 互操作理论与算法(尤其是多系统互操作参数探测 与估计)、时空基准统一(侧重多系统联合坐标框架、联合守时理论与方法)、各类系统误差和有色 噪声探测与补偿等研究。

卫星与非卫星组合导航主要发展方向:卫星与伪卫星信号组合导航、GNSS/INS紧组合和深组合 硬件与软件设计及其算法、卫星信号与无线保真 (wireless fidelity, WiFi)信号组合导航、卫星导航与重力、磁力、影像匹配导航的组合理论与算法、多系统组合导航的完好性与抗干扰、多系统自适应组 合导航的硬件设计及计算理论与方法研究等。

针对BDS特色的导航定位研究方面:基于用 户与运控中心、用户与卫星之间的链路,构建位 置服务(location based services, LBS)体系和星基 增强系统(satellite based augmentation systems, SBAS)体系;针对BDS三频信号的定位与导航算 法;BDS三类星座的综合定轨;新的导航频率设 计与利用的可行性与实践;BDS三频(甚至四频) 信号组合模型与解算准则;基于多模多频信 号组合的周跳探测与修复、模糊参数固定;多模 多频异常误差探测、诊断与异常影响控制?多模 多频系统误差建模与补偿;多模多频随机模型建 立与自适应调整;函数模型与随机模型误差交叉 感染的控制与补偿;动态数据融合准则与方法, 如顾及动力学模型误差的数据融合,顾及有色噪 声的动态多模数据融合,顾及互操作参数的多 GNSS融合,实时动态数据融合计算方法等;基于 BDS的各种定位技术,如多频差分定位技术、网络实时动态差分(real-time kinematic, RTK)技术、 精密单点定位(precise point positioning, PPP)、 实时动态差分与融合技术等。

5 结束语

导航与定位既有联系又有区别。导航源于定位,导航需要定位,但定位又不等于导航。导航 是在定位基础上发展起来的引导和控制载体航行 的技术。随着定位技术的迅速发展,导航技术也 得到飞速发展。定位有绝对定位、相对定位,但 导航一般只是相对导航,相对起点、终点和过程 参考点的导航;定位有静态定位、动态定位,但 导航一般只是动态导航。导航定位的研究内容极 其丰富,所有定位研究内容都是导航的研究内容, 但是导航研究还包括各种匹配导航与控制理论与 方法。我国今后导航定位的研究热点应该放在基 于BDS及其相关的组合(或融合)导航定位、室内 外无缝导航、空中、水下无缝导航、自适应导航、 自主导航及其位置服务等。

参考文献(略)

引文格式:杨元喜.导航与定位若干注记[J].导航定位学报,2015,3(3):l-4. (YANG Yuan-xi. Notes of Navigation and Positioning[J]. Journal of Navigation and Positioning,2015,3(3) :l-4. )


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