非衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展研究

摘 要：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為支持軍事作戰(zhàn)的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，由于自身固有的局限性，使其服務(wù)和應(yīng)用受到了限制。目前，國(guó)外展開(kāi)了多項(xiàng)新型導(dǎo)航技術(shù)的研究，以此彌補(bǔ)GPS系統(tǒng)受限，來(lái)確保軍隊(duì)在各種環(huán)境中的作戰(zhàn)能力。本文討論主要的幾種非衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：微型慣性導(dǎo)航；全源定位與導(dǎo)航；隨機(jī)信號(hào)導(dǎo)航

1 衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用廣泛，也存在一定局限性

在美軍目前裝備的近百萬(wàn)部GPS接收機(jī)里，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)幾乎是所有軍用系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺(tái)不可缺少的重要部分。包括GPS在內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航的出現(xiàn)極大地改變了戰(zhàn)爭(zhēng)的形式，精確導(dǎo)航定位能力在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中變得尤為重要。但是，由于導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度很低（相當(dāng)于20000km以外一只5W燈泡的照射），使其應(yīng)用受到了兩方面的限制：

一是信號(hào)功率低導(dǎo)致的易受干擾，使敵方很容易對(duì)衛(wèi)星信號(hào)干擾、壓制和欺騙。二是信號(hào)難以覆蓋特殊區(qū)域。在建筑物密度較大或水下、地下、室內(nèi)、峽谷、森林等特殊環(huán)境中，信號(hào)衰減或完全屏蔽現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

第二次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中出現(xiàn)的大量GPS信號(hào)干擾設(shè)備，向一直以來(lái)依賴(lài)GPS的美國(guó)和盟軍提出了挑戰(zhàn)。此外，特殊環(huán)境下GPS信號(hào)易屏蔽和衰減的特性，給美軍在水下、地下、室內(nèi)、峽谷、森林、洞穴或都市等環(huán)境的反恐戰(zhàn)爭(zhēng)帶來(lái)了困難。

2 發(fā)展新型導(dǎo)航定位技術(shù)，彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航的不足

為了彌補(bǔ)GPS現(xiàn)有的不足，外軍開(kāi)發(fā)了一系列新型導(dǎo)航定位技術(shù)。其中，最具代表性的是下面四種技術(shù)：

2.1 微型慣性導(dǎo)航技術(shù)

較為典型的是2012年4月DARPA宣布將開(kāi)展的C-SCAN項(xiàng)目，計(jì)劃研究將固態(tài)和原子慣性傳感器集成在單個(gè)微系統(tǒng)內(nèi)的小型慣性測(cè)量組件（IMU）。該系統(tǒng)尺寸小于20cm3，功率低于1W，具備尺寸小、功耗低、重量輕，運(yùn)動(dòng)探測(cè)精度高以及啟動(dòng)迅速等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于幾乎所有的作戰(zhàn)平臺(tái)。開(kāi)發(fā)完成后的慣性測(cè)量單元將集成陀螺儀和加速度計(jì)，性能見(jiàn)表1.

C-SCAN項(xiàng)目將依照DARPA的計(jì)劃，在3年內(nèi)完成以下三階段工作：

（1）原子慣性參考單元小型化；

（2）算法和體系結(jié)構(gòu)的集成工作；

（3）對(duì)C-SCAN微系統(tǒng)的集成與驗(yàn)證。

2.2 全源定位與導(dǎo)航技術(shù)

2010年，DARPA啟動(dòng)了全源定位與導(dǎo)航項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)先進(jìn)算法，將作戰(zhàn)平臺(tái)中的導(dǎo)航系統(tǒng)與紅外、雷達(dá)、聲學(xué)等近20種傳感器信息進(jìn)行無(wú)縫融合。該技術(shù)可以充分利用多種傳感器信息，即插即用，成本低、可信度高、可以在GPS可用或不可用的任意情況下使用。美國(guó)空軍認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)將成為未來(lái)作戰(zhàn)平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，可顯著降低作戰(zhàn)行動(dòng)中對(duì)GPS的依賴(lài)。

導(dǎo)航算法和導(dǎo)航軟件體系架構(gòu)，是ASPN研究第一階段的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)航算法的重點(diǎn)是定位和導(dǎo)航解決方案中的導(dǎo)航濾波算法，導(dǎo)航軟件體系架構(gòu)用于支持導(dǎo)航系統(tǒng)中傳感器之間的重新配置和即插即用。

ASPN研究第二階段目標(biāo)是演示和評(píng)估自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)，方案的優(yōu)化與實(shí)時(shí)運(yùn)行，以展示第一階段開(kāi)發(fā)的算法和架構(gòu)。

2.3 隨機(jī)信號(hào)導(dǎo)航技術(shù)

2012年，英國(guó)BAE系統(tǒng)公司推出了隨機(jī)信號(hào)導(dǎo)航技術(shù)。該技術(shù)利用空間傳播的多種無(wú)線(xiàn)電信號(hào)（如GPS信號(hào)、電視廣播信號(hào)、WiFi信號(hào)、手機(jī)信號(hào)甚至GPS干擾機(jī)發(fā)射的信號(hào)等）獲取位置信息，定位精度可達(dá)數(shù)米，包括GPS信號(hào)不可達(dá)的地方，該項(xiàng)技術(shù)依然可以發(fā)揮作用。此外，這項(xiàng)技術(shù)不需要專(zhuān)門(mén)建立費(fèi)用高昂的發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)。BAE系統(tǒng)公司認(rèn)為，“導(dǎo)航對(duì)抗領(lǐng)域”將被隨機(jī)信號(hào)導(dǎo)航技術(shù)改變。

2.4 Locate技術(shù)

2012年，澳大利亞公司開(kāi)發(fā)了Locata地面導(dǎo)航技術(shù)。該技術(shù)采用地面設(shè)備取代衛(wèi)星，向局部地區(qū)發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，強(qiáng)度比GPS高100萬(wàn)倍。2012年底，美軍已經(jīng)在白沙靶場(chǎng)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了測(cè)試，其定位精度達(dá)18cm，未來(lái)其精度還將進(jìn)一步提升。Locate技術(shù)可以獨(dú)立使用，并且在室內(nèi)和地下等特殊環(huán)境中，也可以提供精確的定位服務(wù)，解決GPS信號(hào)受阻的導(dǎo)航問(wèn)題。

上述技術(shù)都可以與GPS組合工作，提高導(dǎo)航定位的速度、精度和可靠性，同時(shí)也能獨(dú)立運(yùn)行，為作戰(zhàn)平臺(tái)提供精確的定位、導(dǎo)航和授時(shí)信息，確保部隊(duì)在GPS拒止環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。

3 結(jié)語(yǔ)

在衛(wèi)星信號(hào)可用的情況下，最可靠、有效的導(dǎo)航定位方法依然是衛(wèi)星導(dǎo)航。新型非衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)雖然也可以提供導(dǎo)航定位信息，但其適用范圍和易用性，與衛(wèi)星導(dǎo)航都存在有一定的差距，目前還只能做為衛(wèi)星信號(hào)不可用情況時(shí)的一個(gè)臨時(shí)替代方案。除了軍事目的，新型非衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在采礦、物流、應(yīng)急等民用行業(yè)上同樣可以贏得發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]李冀.國(guó)外提升衛(wèi)星信號(hào)在拒止環(huán)境下導(dǎo)航定位能力的新技術(shù)[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2013，01（02）：55-59.

[2]Board Agency Announcement.ALL Source Positioning and Navigation.

[3]劉春保.GPS受限條件下的PNT服務(wù)[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2013（04）：44-49.