探秘組合導航系統

孫欣欣

在組合導航系統中，將慣性導航系統的輸出信號與其他外部測量信號進行比較，根據這些測量值的差異可以估計出對慣性導航系統的修正量，從而便有可能獲得比獨立使用慣性導航系統更高的導航精度。清華大學精密儀器與機械學系副教授郭美鳳的研究方向便是組合導航系統算法.作為一名女性科研工作者，她不僅在學術上精益求精，更在科研上始終秉持著樂觀豁達的人生態度。會學習，但更專注科研

“少年不知勤學苦，老來方悔讀書遲。”讀書對于郭美鳳來說，從來都是一種享受，1988年，剛剛高中畢業的郭美鳳只身一人，從內蒙古來到清華大學精密儀器與機械學系求學，要知道，在教學條件及招生指標相對落后的內蒙古，想要考入清華大學可謂是難上加難，而這一切對于郭美鳳來說都源于她的“會學習”。

還在學生時期，學習與探索就成為了郭美鳳的習慣，她更在后來的科研工作中將其貫徹到底。“那時，我在學習上花的時間并不多，但很喜歡學習，只要一進入學習狀態就會特別專注，總能找到不同的學習方法與竅門；而且我也特別愿意在學習上付出，能讓我感到收獲的快樂。”

郭美鳳也充分將這種“會學習”的特長延續到科研上，其中，選擇專業、確立方向就是郭美鳳“會學習”的第一次實踐。清華大學精密儀器與機械學系的專業分支很多，郭美鳳的興趣所在與控制相關。“當時還有像光學等更加偏重于理論研究的專業，但我認為進行科研就是要使成果得以應用，而慣性技術方面的研究更加與實際相結合，離我心中科研應用的目標就更近。”郭美鳳說。

從本科到博士畢業，郭美鳳一直在清華大學探究慣性技術方向上的奧秘。博士階段，通過對激光陀螺對準技術的研究使郭美鳳對自己的研究方向有了更深入的理解，她不再拘泥于其中一方天地，而是廣泛嘗試不同的研究，博士畢業后郭美鳳留任清華大學，轉向了MEMS慣性導航系統的研制工作，將科研探索開拓到一片新天地。組合導航系統：終身的追求

“工作以后，我主要是進行基于MEMS慣性/衛星組合導航系統的初始對準技術以及組合導航系統方向的研究。由于目前的MEMS慣性器件的精度還不夠高，所以很難完成初始自對準，需要外部信息輔助才能確定系統的初始姿態，其中衛星輔助是目前應用最多的。”郭美鳳介紹道。

早在上世紀80年代末，我國就已經在MEMS慣性技術領域的研究上有所推進，并基于國外先進技術，在理論研究、原理樣機開發等方面取得了一定成果，已經初步具備工業生產能力，但在儀表精度、穩定性等指標方面仍然存在較大差距，工程化研制、生產與應用方面更是尚處于起步階段。

但隨著研究的不斷深入，一部分成果已經逐步凸顯出來，尤其是郭美鳳所在的清華大學對低成本MEMS慣性器件/衛星的組合導航算法進行了深入的研究，采用MIMU/GPS深組合導航方案，最終實現了原理樣機的研制。

這種采用多傳感器信息融合技術的組合導航系統與單一導航系統相比，具有許多優點：除了可以增加系統冗余度，提高系統整體的容錯能力與可靠性之外，還可以實現導航設備間的優勢互補，增強系統在各種工作環境下的適應能力，從而實現真正意義上的低成本、高精度連續導航。

在組合導航系統鉆研多年的郭美鳳，已經連續承擔“十一五”“十二五”以及“十三五”的總裝慣性技術預研項目。其中前兩項預研項目主要以基礎性研究為主，已經結題。據郭美鳳介紹，在組合導航系統中，根據不同的應用要求可以有不同水平的組合，即組合的深度不同。而按照組合深度，可以把組合系統大體分為兩類：緊組合和深組合。“我在‘十一五研究的項目就屬于緊組合，其實就是一種組合方式，但兩種方式也是各有千秋。”郭美鳳補充道。

緊組合一般要求衛星信號良好，只有信號好才能夠對信息有輔助作用；而在深組合系統中，慣性信息反過來還會輔助衛星信號的捕獲和跟蹤，所以對衛星信號抗干擾性有所提高。就在2016年，郭美鳳剛剛申請了“十三五”總裝慣性技術預研項目。“我將對深組合進行更深入的探索，而且還會研究載波相位姿態測量技術。”在郭美鳳看來，繼續組合導航系統的研究是理所應當的事情，也是她一直以來的追求。

除此之外，郭美鳳還和團隊成員獲得多項發明專利，她研發的組合導航裝置已經于2016年獲得國家發明專利。在研發過程中，郭美鳳提出了一種不同于以往的新的組合導航裝置，將其設置在載體上，特征主要包括：導航模塊、測量模塊、計算模塊以及電源模塊。其中，導航模塊包括GPS芯片，用于獲得GPS觀測信息；測量模塊可用于測量載體的慣性導航信息；計算模塊則能夠對GPS觀測信息和慣性導航信息進行處理，從而得到載體的狀態信息；而電源模塊，顧名思義，可以為上述三種模塊供電。郭美鳳及團隊研發的組合導航裝置獲得載體狀態信息的同時，還減小了體積、重量和功耗，大大降低了成本。雖然專利申請已經通過，卻還只是深待閨中人不識，希望早日能有“如意郎君”踏著七彩祥云來提親。研有所用，是郭美鳳最大的追求。

育人，始終在路上

科研上的郭美鳳總是事無巨細，力求做到最好。如今，身為博士生導師的她，身上的擔子更重了。郭美鳳經常參加各種國內外學術會議，也深刻感受到外語對于學術交流的重要性。她主張學生一定要重視對外語的學習，而不是將其當做可有可無的學習工具。

郭美鳳曾被學校公派到美國教學研修半年，對國內外上課方式的差異也有獨到的見解。她主張提高學生的主動性和積極性，改變學生不愿思考的現狀。為此，郭美鳳對教學進行了實質性的改革，采取新的教學模式：翻轉課堂，即將老師與學生的身份互調。“我將學生進行分組，由學生進行組內授課，除此之外，還開通評價體系。”這樣一來，不僅學生能夠達到自學的效果，還能使其他學生主動參與進來，一舉兩得。“學習主動性一直是我強調的，而且這樣的講課方式也能使學生思考得更深入、細致。”

“科研這條路，一定要走到底。”學生時代的郭美鳳曾被導師這樣叮囑。直到現在，已經快90歲的老先生還一直在寫寫算算，這種持之以恒的精神，郭美鳳也在傳遞給學生們。至于她自己，更是對此奉為圭皋。

談到未來，除了對教學方法的探索，她也在堅持尋求新的研究方向。“在室外，由于能夠接收到衛星信號，可以清楚地知道具體位置，但衛星導航系統在室內往往無計可施。”針對這一問題，郭美鳳基于手機里的慣性傳感器，利用藍牙、WIFI等信號，實現了室內定位，目前定位精度已經可以達到兩到三米。

不管未來的研究任務有多艱巨，有多繁瑣，郭美鳳始終都不曾將其擱置，她用自己的方法在科研的漫漫長河中，完成對每一次研究的承接與發展；更站在不同的高度上，繼續在組合導航系統領域里勇往直前。