匹配導航標準現狀與標準體系分析

徐 瑞，朱筱虹，趙金賢

（北京環球信息應用開發中心，北京100094）

匹配導航標準現狀與標準體系分析

徐 瑞，朱筱虹，趙金賢

（北京環球信息應用開發中心，北京100094）

匹配導航是一種運用匹配算法對載體預存的導航數據進行匹配來確定載體位置信息的自主導航技術。通過分析匹配導航技術的發展現狀和應用領域，梳理了國內外匹配導航技術的相關標準，給出了匹配導航技術的一種標準體系結構，并對匹配導航制定的標準給出了意見和建議。

匹配導航；標準現狀；標準體系

1 匹配導航的概念

匹配導航屬于自主導航，是一種輔助導航手段，它采取導航信息匹配技術與載體已經存在的導航數據進行匹配以估算出載體的位置信息，滿足不同載體的導航定位需求[1]。實現匹配導航的關鍵要素有 3點：首先要有存儲在載體上的、待匹配的導航數據，主要指的是匹配圖；其次要有實時測量匹配導航數據的傳感器；最后是要有一定的匹配算法實現匹配。根據目前匹配導航技術的發展，主要包括地形匹配、地磁匹配和重力匹配等3種匹配導航技術。地形匹配[2,3]是利用地形凹凸不平的特征與地理位置之間的對應關系,用運動載體實時測量得到的地形圖與已知的三維地形基準圖進行配準來確定載體自身的位置信息。需要說明的是，地形匹配可以分成地形高程匹配和地形景象匹配。由于景象匹配主要用于導彈等武器的末端制導，不在本文的研究范圍，所以本文的地形匹配導航指的是地形高程匹配導航 (下文簡稱地形匹配導航)。地磁匹配[4-6]是利用地磁傳感器實時測量某區域的地磁數據，從載體的地磁數據庫中查找相應的預先存儲好的地磁圖數據(包括該區域的經緯度信息和地磁場特征信息)，利用匹配算法進行匹配以估計出載體的位置信息。重力匹配[7,8]利用重力傳感器實時測量重力特征數據，并與載體中已經存在的重力數據及其相應的位置信息進行匹配，利用匹配解算軟件進行解算，求得最佳匹配位置的一種匹配導航技術。重力匹配導航通過輔助慣性導航來校正慣導的累積誤差。

本文對目前匹配導航已制定的各項標準進行歸納總結，根據匹配導航技術的發展趨勢，按照參考文獻[1]提出的導航標準體系從局部到整體的建立方法，給出了匹配導航的一種標準體系結構，并對我國匹配導航系統標準的制定給出意見和建議。

2 匹配導航技術及其標準

2.1 地形匹配導航技術及其標準

地形匹配導航技術是一種自主、隱蔽、全天候、低成本，且適用于丘陵、山地等地形，導航定位精度與航程無關的低空導航技術，也是近年來受到廣泛重視并已成功使用的輔助導航技術。地形匹配導航用地形傳感器測得高度，并把高度值作為待匹配的特征量，通過匹配算法將測得的高度值與匹配圖進行匹配，從而得到精確位置，因此，構成地形匹配導航系統的要素是數字地圖、地形傳感器和地形匹配算法。數字地圖就是存儲在計算機中數字化了的地圖，它是通過對地形高度的離散采樣并量化后得到的；其采樣距離叫做網格距離，數字地圖采用二維平面坐標，通常采用WGS-84大地坐標系。地形高度值用地形傳感器測量，就目前的地形匹配測高儀器而言，地形傳感器就是高度表，主要有氣壓高度表和無線電高度表 (雷達高度表)2種。氣壓高度表是通過測量環境大氣壓力間接測量飛行器高度的儀器；無線電高度表是根據無線電波反射原理測量航空器距地面真實高度的機載無線電設備，它實際上是一種以地面(海平面)為探測目標的測距雷達，所指示的高度即為真實高度。按工作方式不同，可分為調頻式和脈沖式2種。匹配算法是地形匹配導航系統的核心，目前存在2種基本算法：TERCOM (TerrainContourMatching)算法和SITAN(S and ia Inertial Terrain Aided Navigation)算法。TERCOM算法[9]以地形的標高剖面圖為基礎確定載體位置；SITAN算法[10]采用的是遞推的擴展卡爾曼濾波技術。這 2種地形匹配導航算法各有側重，TERCOM算法能快速、準確地搜索出配準位置，并直接以地形配準的結果作為最終估計，實現搜索；SITAN算法在位置誤差較小的情況下，能有效地估計并修正載體誤差，實現跟蹤。TERCOM系統和SITAN系統[11]是目前2種經典的地形匹配導航系統。TERCOM系統采用的匹配算法為斷續的批相關處理算法，是批相關處理技術的典型代表。美國麥道飛機公司研制的機動地形相關系統(MTCS)、英國布列顛宇航公司 (BAE)研制的地形剖面匹配系統 (TERPROM)、英國費倫蒂公司研制的PENETRATE系統以及法國薩吉姆公司 (SAGEM)研制的地形剖面匹配導航系統均是在TERCOM系統的基礎上加以改進而形成的新系統。SITAN系統采用了遞推的卡爾曼濾波技術，實時性更好，已在美國空軍得到廣泛應用。到目前為止，地形匹配技術的應用對象主要有飛機、潛艇和巡航導彈3類，巡航導彈是制導系統，超出了本文的研究范圍。在航空導航領域，地形匹配導航系統能滿足戰術導彈和飛機機動飛行，尤其是低空、超低空飛行的要求，對近空支援、低空強擊、突防、截擊等戰術飛行十分有用；在水下導航領域，潛艇可以利用海底地形匹配慣性導航來校正慣性導航的誤差進行隱蔽航行。由于海底數字地圖的制作方法還處在研究階段，因此地形匹配導航技術還沒有應用在潛艇等水下潛器上。可以預見，一旦地形匹配導航系統在潛艇上應用成功，必將大大提高潛艇的作戰威力。對于航空地形匹配和水下地形匹配來說，由于測量設備的能力有限，也就限制了地形匹配導航的應用范圍。航空地形匹配系統是一種低高度工作的系統，離地高度超過300 m時其精度就會明顯降低，而到了800～1500m的高度則無法使用。由于地形匹配導航主要利用數字高程信息進行修正，而在平坦地域高程變化不大，無法確定精確位置，會造成較大的定位誤差。因此，地形匹配導航系統只能在具有起伏特征的地區飛行，在平坦的地區或水平面上飛行使用效果差。對于水下航行器而言，由于聲納的測量深度所限，也必須在距離海底大約1 000 m以下。

對于地形高程匹配導航系統，用到的數字地圖就是數字高程模型，即DEM數據。到目前為止，我國只出臺了1項數字高程模型的標準，即《軍用數字地圖數字高程模型通用要求》(GJB 3455-1998)。目前，實際得到應用的地形傳感器只有高度表，可查到的國內外高度表標準共10項，其中國外標準4項，分別是美國海軍標準2項，即《AN/APQ-107型雷達高度表警告設備》(NAVY M IL-R-24011A-1965和 NAVY M ILR-24011A-1997)；美國航空無線電設備公司 1項，即《無線電高度表1978，含補充件1-7》(ARINC707-7-2009)和美國機動車工程師協會1項，即《氣壓高度表設備》(SAE AS 8009B-2005)。國內標準6項，分別是國家標準 2項，即《無線電高度表通用技術條件》(GB/T 11469-1989)和《氣壓高度表檢定規程》(JJG 683-1990)；國家軍用標準2項，即《無線電高度表通用規范》(GJB 2273-1995)和《無線電高度表檢驗驗收規程》(GJB 3959-2000)；行業標準2項，其中航天標準1項《無線電高度表通用技術條件》(QJ 1298-1987)，電子標準 1項《機載氣壓數字高度表通用規范》(SJ20406-1994)。

2.2 地磁匹配導航技術及其標準

地磁匹配技術的本質是利用信息處理方法,將實際測量的地磁場信息與存儲在航行體中的地磁圖數據信息進行比較,按照一定的準則判斷兩者間的相關性,以此確定最佳匹配點,從而得到位置信息。實現地磁匹配導航技術的關鍵點有3個：首先要建立精確的地磁場模型；其次，要利用地磁傳感器實時測量某區域的地磁數據；最后，要有適用于地磁導航的核心匹配算法。地磁場模型包括全球地磁場模型和局部地磁場模型，現有的全球地磁場模型僅是對主磁場部分的描述，精度有限且尚不能反映出復雜的地磁異常信息，因此在高精度導航要求的情況下需要采用局部地磁場模型或局部地磁圖。當前的地磁場模型和地磁圖水平仍滿足不了高精度導航的要求。另外,僅有地磁場模型和地磁圖還是不夠完善的,還需要研究影響地磁導航效果的一些重要地磁場因素,這些因素包括變化磁場對匹配的影響、地磁場隨高度和時間變化的規律和地磁場起伏規律等,而目前對于這些問題尚無太多的結論。其中地磁場隨高度變化規律有望通過分析衛星、航空地磁場測量數據獲得[12]。目前地磁場模型的空間分辨率國內不高于300 km，國外不高于400 km，按照地磁匹配慣導的精度要求，格網分辨率要達到4 km(2'×2')，目前的地磁場模型精度還遠遠達不到匹配要求，因此，必然需要研制符合導航要求的地磁基準圖。進行地磁導航的一個關鍵環節是實時圖的獲取。在實時圖的獲取過程中，對磁測量設備的響應速度、精度、分辨率、工作環境溫度、測量范圍、質量、體積及抗干擾性等均有很高的要求。常見的磁測量設備有磁力儀、磁強計、磁通門計等。地磁場屬于弱磁場，由于現有的弱磁場測量設備不能同時滿足地磁導航測量時對響應速度、精度和分辨率等性能指標的要求，因此，高性能磁傳感器成為制約地磁導航技術應用的關鍵因素。地磁匹配算法是制約地磁導航的又一關鍵因素。算法應具備較強的抗干擾能力,較高的匹配精度和較低的計算復雜度。地磁匹配算法屬于數字地圖匹配技術，目前主要分 2類[5]：一類強調它們之間的相似程度，如互相關算法 (COR)和相關系數法 (CC)；另一類強調它們之間的差別程度，如平均絕對差算法 (MAD)、均方差算法 (MSD)。目前，地磁匹配導航的典型應用領域是與慣性導航系統組合使用，作為潛艇的一種有效的水下自主導航方式。在這一領域國內外都已開展了大量的研究，是目前地磁匹配導航的研究熱點。在航空地磁匹配導航領域，國外已經成功應用在民用飛機上，在軍用飛機上還未見報道。此外，隨著地磁匹配導航技術的不斷發展和成熟，未來在商船、飛行器、自動駕駛車輛等民用載體上都可采用地磁匹配導航技術，該技術具有廣闊的應用前景。

目前，國內頒布了6項磁測和磁力儀相關標準，都是行業標準，其中地震行業 5項，分別是《地面高精度磁測技術規定》(DZ56-1987)、《地面高精度磁測技術規程》(DZ/T 0071-1993)、《便攜式質子磁力儀通用技術條件》(DZ/T0140-1994)、《地震觀測儀器進網技術要求地震觀測儀第1部分磁通門磁力儀》(DB/T 30.1-2008)和《地震觀測儀器進網技術要求地震觀測儀第2部分質子矢量磁力儀》(DB/T 30.2-2008)；石油行業的1項標準是《磁力儀使用與維護》（SY/T 6249-2005）。從目前出臺的磁測和地磁傳感器標準來看，都是在靜態環境下進行地磁測量和用于地磁靜態測量的器件標準，而地磁匹配導航的地磁數據要求是實時測量的，并且對磁測量設備的響應速度、精度、分辨率、工作環境溫度、測量范圍、質量、體積及抗干擾性等均有很高的要求。這些弱磁場測量設備不能同時滿足上述要求，因此，目前出臺的磁測設備標準均不能滿足地磁匹配導航的要求，到目前為止還沒有出臺地磁匹配導航的相關標準。

2.3 重力匹配導航技術及其標準

從目前公開發表的文獻可知，重力匹配導航的研究始于20世紀70年代美國海軍的一項絕密軍事計劃，其目的是提高三叉戟彈道導彈潛艇性能。地球重力場的變化是地球所固有的物理信息，由于測量傳感器不需要向外部輻射能量，并且特征明顯、狀態穩定，因此通過將重力場特征的測量信息與預測的參考重力信息相匹配，可以實現慣性導航系統的水下校正，達到長期高精度導航的目的。實現重力匹配導航技術的關鍵要素有重力圖、重力傳感器和重力匹配算法。重力圖是重力數據的一種可視化表示，一般用網格方式描述，其數據可以是隨空間變化的離散重力值；也可以是重力異常值；也可以是重力梯度分量值[13]。重力匹配導航適用于重力特征變化較大的區域。導航用重力圖是重力匹配導航的基礎，重力圖的精度及匹配區域的重力場特性直接影響匹配效果，要提高重力匹配導航的可靠性和準確性，必須仔細挑選有足夠地理特征的重力匹配區。理想情況下，匹配區域各重力場數據應具有以下性質：各網格數據比較離散，數據間相關性小，重力參考向量之間相似程度較低，這樣能夠得到較好的匹配性能和定位參數。理論上重力匹配慣性導航的精度不超過格網分辨率的一半，即1'×1'，目前海洋重力數據分辨率已經達到了2'×2'(格網分辨率4km)，基本能支撐海洋重力匹配導航的工程實現，能夠滿足潛艇的導航需求。由于測量手段和應用等因素的限制，目前陸地重力數據分辨率只能達到5'×5'，比海洋重力數據分辨率低，因此，海洋上更有條件實施重力匹配導航[14，15]。重力傳感器包括重力儀和重力梯度儀。重力儀是用來測定重力加速度的儀器，也叫重力加速度儀，用于測量重力異常或重力矢量的大小相對標準地球模型的偏差。重力梯度儀是測定重力場垂直梯度的儀器，它是用于測量重力梯度即重力在三維上的變化率。目前，能夠用于重力匹配導航的重力場數據主要有重力異常、重力梯度、垂線偏差、重力異常與重力梯度聯合數據4種，其中后3種必需采用重力梯度儀。文獻[16]、[17]介紹了國內外重力梯度儀的研究現狀。文獻[17]指出，目前國內在重力梯度儀硬件方面的研制較之國外還比較落后，還沒有適合重力匹配導航的高精度重力梯度儀。匹配算法是重力匹配導航的核心技術，航行體最終的匹配航跡都要由特定的匹配算法來計算，重力匹配算法也叫重力圖形匹配算法，它在原理上借鑒了比較成熟的地形匹配算法，如相關匹配算法和卡爾曼濾波匹配算法。目前，重力匹配導航的典型應用方向是水下潛器的隱蔽導航，利用海洋重力場的時空特征提高慣性導航精度，并在水下完成慣性導航系統綜合校正，實現水下精確定位。重力匹配導航已成為艦船導航領域的研究熱點。

由于國外對重力匹配導航相關技術的封鎖，找不到國外該領域的標準，國內目前出臺了一些重力測量和重力儀的標準。重力測量相關標準10項，其中國家標準 3項，《加密重力測量規范》(GB 18458.3-2005)、《國家重力控制測量規范》(GB/T 20256-2006)、《國家大地測量基本技術規定》(GB 22021-2008)。行業標準 7項，其中地震行業5項：《重力調查技術規定(1∶50000)》(DZ 0004-1991)、《區域重力調查規范》(DZ/T 0082-1993)、《大比例尺重力勘查規范》(DZ/T 0171-1997)、《地震臺站建立規范.重力臺站》(DB/T 7-2003)和《地震臺網設計技術要求重力觀測網》(DB/T 39-2010)；測繪1項，即《國家一等重力測量規范》(CH/T 2003-1999)；石油1項，即《地面重力勘測技術規程》(DB/T 7-2003)。重力儀標準4項，其中地震行業標準3項：《ZSM-3型石英彈簧重力儀》(DZ 0035-1992)、《重力儀環境試驗條件及方法》(DZ/T0082-1993)和《地震觀測儀器進網技術要求重力儀》(DB/T 23-2007)；石油1項，即《重力儀使用與維護》(SY/T 5939-2009)。目前國內地震和石油等行業的重力測量標準都是在靜態環境下的重力測量標準，主要用于國土資源調查和資料積累等，并非用作導航目的。從目前國內出臺的重力儀標準來看，國內研制的重力儀也不能滿足導航要求，導航用重力數據是實時動態測量的，對覆蓋范圍、測量精度、分辨率和變化頻率都有特殊要求，而且對重力傳感器的要求較高，主要使用重力梯度儀，由于我國在重力匹配導航領域的研究起步較晚，目前大部分的研究集中在匹配算法的仿真論證階段，離重力匹配導航的工程實現還有一定差距，因此，迄今為止并未出臺與重力匹配導航相關的任何標準。

3 匹配導航標準體系

相對于其他導航技術，匹配導航技術是起步較晚且發展較新的導航技術，國內在匹配導航領域的研究還處在起步階段，大量研究還集中在匹配算法上，而對于匹配圖和測量傳感器的研究相對較少，特別是對導航用高精度磁力儀和重力梯度儀的研制還處在初級階段，目前，國內還沒有可用于地磁和重力匹配的測量傳感器。通過對當前匹配導航技術的發展現狀、趨勢和應用的研究，本文給出了一種匹配導航標準的體系框架結構，如圖1所示。隨著匹配導航技術和應用的日趨完善，關于其標準的體系結構也將逐漸豐富和完善。

圖1 匹配導航標準體系結構圖

匹配導航標準體系由通用基礎標準和應用標準兩部分組成。其中，通用基礎標準指的是在匹配導航技術領域內必須遵循的通用性標準，可被各種匹配導航系統直接應用的標準，也可作為編制其他標準的基礎，目前匹配導航通用基礎標準主要是用作匹配的各種數字圖的標準，即數字地圖、地磁圖和重力圖。匹配圖是實現匹配導航的前提條件和基礎。目前只有用作導航的數字地圖頒布了 1項標準，即數字高程模型，而用于導航的地磁圖和重力圖都還在研究階段，因而尚未出臺標準。需要說明的是，數字地圖屬于地理信息產品范疇，已被納入測繪領域的標準體系，當地形匹配需要使用數字地圖時，建議根據實際應用需求，參考測繪領域的地理空間信息產品相關標準。

匹配導航應用標準包括設備類標準和服務類標準。設備類標準就是匹配導航測量傳感器標準，根據匹配導航傳感器現有技術發展水平，對于地形匹配導航，主要有氣壓高度表和無線電高度表 (雷達高度表)，目前國內只出臺了6項標準，標準數量不多，隨著地形匹配技術在水下導航等新領域的應用，還會出現相應的新的地形匹配傳感器，可能還要出臺相關器件的技術要求、試驗測試和維修等方面的標準。對于地磁匹配導航，采用的磁測傳感器是磁力儀，而導航對磁測量設備的響應速度、精度、分辨率、工作環境溫度、測量范圍、質量、體積及抗干擾性等均有很高的要求，目前的磁力儀還達不到導航要求。對于重力匹配導航，需要用重力梯度儀獲得重力場數據，我國導航用重力梯度儀還處在研制階段，目前，地磁匹配和重力匹配的測量傳感器還沒有頒布相關標準。就匹配導航系統應用而言，地形、地磁可用于航空領域，主要用作各類飛機的自主精確導航，其中地形匹配是一種低空導航技術，用于地理特征明顯區域。地形、地磁和重力匹配導航都可用于水下潛器的自主導航，隨著匹配導航技術的不斷發展以及在相關領域走向實用，也會出臺一系列與之相關的應用技術標準。

4 結語

相對于其他導航技術，匹配導航是發展較晚且較新的導航技術，地形高程匹配是一種新型的導航技術，它實質是由慣性導航系統與無線電高度表和數字地圖構成的組合導航系統。目前，我國已經出臺了用于地形高程匹配的數字高程模型標準；地磁匹配和重力匹配是近年來國內外研究的熱點，通過分析可知，目前雖然地磁和重力匹配都出臺了一些器件和測量標準，但這些標準都達不到匹配導航技術對測量和器件的要求，因而目前在地磁和重力匹配還沒有相關標準出臺。可以預見，由于匹配導航技術各自的優勢以及應用的良好前景，隨著這類技術在理論和應用的不斷發展，該領域的各種技術標準必逐漸頒布并將不斷完善。

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Analysisof the StandardStatus and Structureof MatchingNavigation System

by XU Rui

Matching Navigation System is an autonomous navigation system,in which the real-time data pre-stored are matched to determinate the location of vehicle by using matching algorithm.According to the analysis on the status and application of MNS,the overseas and domestic standards and specifications of MNS were all described and compared by using classification and induction methods in this paper. The status of these specifications and standards were analyzed in detail.At last,the standard structure of MNS was proposed;meanwhile, some suggestions and opinions were given for MNS standards and specifications.

matching navigation,standard status,standard structure

2011-10-11

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41020144004）。

P228

B

1672-4623(2012)03-0001-05

徐瑞，博士，從事衛星導航技術研究。