導航技術研究進展與發展方向

劉新華，尚俊娜

（杭州電子科技大學 通信工程學院，杭州 310018）

0 引言

導航可以分為5 個階段，原始導航時期、指南針導航時期、無線電導航時期、衛星導航時期及組合導航時期[1]。

原始導航時期是指指南針發明前，最開始是依靠肢體語言指路，根據人的以往經驗和認識指出目標的大致方向，到后來根據山、樹、太陽和夜空星圖等參照物進行指路，根據所依據的不同參照物來確定前往的方向。導航一詞最先是源于為船指明方向，在海上航行的船只需要依靠太陽和星空來確定行駛的方向。

自宋代起，指南針的發明使導航技術進入了1 個新時期。作為4 大發明之一的指南針，古代叫司南，主要組成部分是1 根裝在軸上的磁針，磁針在天然地磁場的作用下可以自由轉動并保持在磁子午線的切線方向上，磁針的北極指向地理的南極，利用這一性能可以辨別方向[2]。隨著朝代的更替，指南針的外觀和精度不斷改進，但一直使用這個原理。至今指南針仍在使用。

19 世紀至20 世紀，在麥克斯韋、赫茲、特斯拉和馬可尼等人不斷改進下，無線電技術日漸成熟；20 世紀20 年代，無線電導航是航海和航空的主要導航手段，第二次世界大戰使得無線導航系統飛速發展。無線電導航系統是利用無線電波傳播的基本原理，即無線電信號在自由空間中以光速沿直線傳播，只要確定了無線電波從發射機到接收機之間的傳播時間，便可以確定收發機間的距離。距離值為光速與傳播時間之積。通常，導航系統包括裝在運載體上的導航設備以及與導航設備配合使用的導航臺[3]。

自1957 年蘇聯發射第1 顆人造衛星和美國研發子午儀系統后，無線電導航由陸基導航系統轉變為星基導航系統，正式拉開了衛星導航的序幕。隨后迎來 4 大導航系統，即美國的全球定位系統（global positioning system, GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system,GLONASS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system, Galileo）和中國的北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）[4]。隨著時代的發展，對導航性能的要求不斷提高，由于地勢、環境等因素，傳統的導航系統存在定位誤差大、覆蓋區域受限等問題。

1 導航定位原理

原始導航的原理主要是參照物，例如朝著太陽的方向，在那座大山的后面等，這種導航方式存在著很大的人為因素，并且誤差極大。指南針導航的原理是地磁場，磁針的北極指向地理的南極，利用這一性能可以辨別方向，這種導航方法誤差還是比較大，只能辨別大致方位，還不能滿足人們使用的要求。

無線電導航（陸基導航系統）的原理是利用電磁波傳播特性，載體接收和處理的電參量是無線電波的相位、頻率或脈沖傳播時間，進而獲取載體相對地面導航臺站之間的距離，并建立該測量量與導航參數（載體位置）間的對應關系，然后通過解方程或者其他等效方法求得所需的導航參量[5]。下面以相位測距法為例簡敘其原理，基本的計算公式為：

式中：λ為無線電波長；c為光速；f為無線電頻率；w為無線電波的角頻率；T為無線電傳播周期。

設A和B點間的距離為d，則往返于 2 點間的接收/發射電磁波的相位差滿足

根據式（1）～式（3）可得

根據式（4）可得2 點的距離為

相比于前期導航方法，無線電導航已經可實現比較精確的定位，擁有精度較高、測量方便及應用廣泛等優勢，但仍存在著很多問題，如就相位測距法來說存在多值性問題，須利用其他方法予以區別。

衛星導航系統的基本原理是根據多顆衛星到用戶接收機之間的距離，得到接收機的具體位置。衛星所在位置已知，再通過某種手段能準確測定出地面點A到衛星之間的距離；那么以衛星位置為中心，所測距離為半徑構造1 個圓球，則地面點A一定在此圓球上。若能同時測得地面點A到3 顆不同衛星之間的距離，則地面點A一定在這3 個圓球相交的點上。但很多時候3 個圓并不會交于1 點，而是會形成1 個區域，這種情況則會涉及到最優化的問題[6]。衛星導航系統的基本原理如圖1 所示。

圖1 衛星導航基本原理

衛星導航系統日趨完善，已經可以滿足人們的基本需求，但在復雜環境下，衛星信號容易受到遮擋，導致導航精度降低，難以滿足高動態實時導航的需求，所以組合導航應運而生。組合導航的基本思路就是對原衛星導航系統進行增強。如今對組合導航的研究很多，例如：慣性導航系統（inertial navigation system,INS）和 GPS 的組合導航系統，它能有效利用 INS 短時的精度保持特性，以及GPS 長時的精度保持特性，其組合后輸出信息的特性，均優于單一INS 或單一GPS 的導航特性，原理如圖2 所示；地磁/GPS 組合導航，利用地磁矢量校正衛星的位置和姿態測量，實現優勢互補；機器視覺/GPS 組合導航，GPS 獲取導航車的姿態信息和絕對位置信息，機器視覺獲取導航基準線和特征點，從而克服了復雜環境下使用單一傳感器進行定位時的局限性。

圖2 INS/GPS 組合導航原理[7]

2 導航定位現狀

4 大導航定位系統中，第1 個建全的全球系統的是美國的GPS，GLONASS 在俄羅斯快速復蘇后，也快速成為全球第 2 大衛星導航系統，這 2 個定位系統的建立目均是為了軍事，目前正處于現代化的不斷更新完善進程中；不同于前2 者建立的目的，Galileo 是第 1 個完全民用的衛星導航系統；BDS以區域服務為起點，逐步實現全球服務，已經具備了亞太區域的導航定位、授時服務和獨有的報文通信功能，目前處于全球化快速發展階段[8]。表1為4大導航系統部分參數對比。

表1 導航系統部分參數對比

現如今導航系統的特點主要如下：

1）提高應用效率，衛星使用壽命在不斷增加，從開始的2.5 a 到現在的15 a；

2）提高抗干擾能力，對于軍民兩用系統，抗干擾能力尤為重要，現在的抗干擾能力是最初的100～150 倍左右；

3）提高各系統的兼容性，4 大導航系統組合應用，擺脫對特定導航星座的依賴，且定位精度提高，大大增加可用性；

4）組合導航興起，衛星導航系統與其他傳感器相結合，優勢互補，增強導航定位性能。

3 導航系統優化

目前導航系統的優化主要從 3 個方面入手：①對單一衛星導航系統本身進行增強；②對多個衛星導航系統進行兼容互操作；③衛星導航系統與其他系統相結合，就組合導航和融合算法方面做優化，如圖3 所示。

圖3 導航系統的優化

方案①：衛星導航增強技術。評價1 個衛星導航系統性能的基本要素有可用性、連續性、精度，增強技術就是對這些基本要素進行優化改良，主要分為信號增強和信息增強[9]。

信號增強是從信號本身出發，對功率、頻點等進行增強。例如，采用頻率分裂調制方式，在 L1和 L2 載波基礎上產生了軍用 M 碼測距信號，可實現軍用和民用導航信號分離，使重點區域的衛星信號功率為普通區域的百倍，實現資源的合理利用，且為導航戰提供了技術保障，大幅度增強系統在戰時的抗干擾能力[10]。

信息增強主要對精度、完好性2 個方面進行優化，主要方式是通過地面參考基準站對導航信號進行連續跟蹤觀測，產生差分數據和完好性信息，并通過通信鏈路傳給用戶，對原始參數進行修正或者增加冗余觀察量，從而使精度和完好性大幅度提高[11]。

以GPS 為例，建立初期GPS 的定位精度只有150 m 左右，然后采用選擇可用性技術（selective availability, SA），人為地將誤差引入到衛星數據中，方法就是安裝GPS 監測站，計算實際位置數據與接收數據的差值，然后將這個改正數播發給用戶接收機進行誤差修正，從而提高了定位精度，使廣域定位精度達到15 m，區域定位精度優于5 m。20 世紀90 年代初中期，GPS 得以推廣，隨之發現由于誤差源的不同，會導致精度下降嚴重，為此采用差分GPS（differential GPS, DGPS），分為廣域差分增強和區域差分增強 2 種增強方式。在廣域上推出廣域差分 GPS（wide area differential GPS,WADGPS），它的原理就是對GPS 觀測量的誤差源分別加以區分和“模型化”，然后將計算出來的每1 個誤差源的誤差修正值，通過數據通信鏈路傳輸給不同用戶，從而達到提高終端廣域定位精度的目的。之后通過發射地球靜止軌道（geostationary Earth orbit, GEO）對WADGPS 進行增強，形成廣域增強系統（ wide area augmentation system,WAAS）。當時1 臺具有WAAS 的接收機，要比沒有該性能的接收機精度提高3 m，其主要原理還是提高修正數據的準確性。25 個地面參考站收集訊號并建立校正信息，誤差主要來源于衛星的軌道誤差、接收機和衛星的鐘差以及電離層和對流層的干擾。在區域上，主要通過設置偽衛星（布設于地面上發射某種定位信號的發射器，通常都是發射類似于 GPS 的信號），其中主要就是陸地機場專用的局域增強系統（local area augmentation system, LAAS）。至此 GPS 衛星導航系統的廣域、區域完好性得以實現，并能達到米級定位精度[12]。進入 21 世紀，對 GPS 系統的增強仍在繼續發展著，在 WAAS 的基礎上，采用了精密單點定位（precise point positioning, PPP）授時技術，其工作原理就是誤差修正，觀測量為載波相位和偽距觀測值，通過精密星歷和鐘差產品，對傳播過程中的誤差進行補償，實現廣域精密定位。在LAAS 基礎上進一步提高精確度，將實時動態差分技術（real time kinematic，RTK）與連續運行參考站（continuously operating reference stations, CORS）相結合，采用RTK/CORS 技術使精度可達厘米級，其中RTK 技術是在GPS 測量技術的基礎上，經過不斷提高和完善發展而來的，在測繪領域是 1 項矚目的技術突破成果。未來將會采用低軌衛星進行增強，并深入開拓PPP-RTK 技術的研究。上述衛星導航增強技術發展路線如圖4 所示。

BDS 也正在積極發展增強系統，主要規劃如表2 所示。

方案②：多系統的兼容互操作。目前，世界各國都在積極發展自己的衛星導航系統，BDS 也將在 2020 年實現全球組網，4 大全球衛星導航系統競爭格局正逐步形成，與此同時，系統間兼容與互操作問題也成必然趨勢。

在全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）兼容與互操作問題上，由于多個系統的存在，難以避免會有相互干擾的問題，這就使得系統間互操作甚至互交換變得極其重要；但 GNSS 兼容和互操作的前提是自身系統獨立且完善，因此實現兼容與互操作必須以系統獨立性為基礎。GNSS 首先必須保證獨立性和國家安全兼容性，使授權信號的安全得到保障，然后就要實現GNSS 的一般兼容性；前提是其他系統不會對自身有負面作用。當互操作達到一定程度時，用戶接收機可用相同或相似的衛星信號來進行解算。具體兼容與互操作的層次關系如圖 5所示。

圖4 衛星導航增強技術發展路線

表2 BDS 增強體系建設

圖5 GNSS 兼容與互操作層次關系

2017 年11 月，在北京簽署了《北斗與GPS 信號兼容與互操作聯合聲明》，核心內容為 BDS 與GPS 在國際電聯框架下實現射頻兼容，民用信號可進行互操作，之后也將持續開展2 個系統間的兼容與互操作合作。

總之，兼容性對各系統發展來說十分關鍵，是導航定位性能實現突破的重要方向；互操作性則對終端用戶十分重要，可以很大程度上提升操作性和體驗感。GNSS 服務提供商可以通過確保彼此系統間的兼容性，從而提升用戶終端的互操作性，最終達到雙贏。

方案③：與其他系統結合并進行優化。主要分為組合導航和融合算法，組合導航一般指硬件上的最佳組合，在同一平臺上多傳感器之間進行互補、互驗和互校的導航系統。融合算法一般是指將多傳感器數據進行處理的算法。

各種導航系統的優缺點如表3 所示。

針對各導航系統的優劣，對組合導航的研究還在不斷深入：文獻[13]研究了 INS/GPS 組合導航系統的卡爾曼濾波算法，基本觀測量有位置、速度和角度信息，并將該組合技術應用于某飛行器，最終結果表明，角度信息作為觀測量對參數的估計精度和速度計算有很大改善；文獻[14]改進了融合算法，利用預報殘差構造的最優自適應因子設計GPS/INS 組合導航自適應濾波器，并針對反向傳播（back propagation, BP）神經網絡存在的訓練速度慢、容易陷入局部極小等問題，給出網絡的改進算法，該算法明顯提高了網絡收斂速度，并在精度和可靠性方面有了明顯提高；文獻[15]對多源組合導航系統中存在的問題進行了探究，其中各個傳感器性能和可靠性都受到外界環境的影響，這將對多源組合導航系統的魯棒性和持續可用性造成很大程度的影響，因此在狀態估計的過程中，要考慮環境導致的建模不確定性，在建模存在不確定及可能存在時變的系統噪聲和觀察噪聲時，提出了1 種新的狀態估計方法；文獻[16]提出了在偏振光/地磁輔助 GPS 和慣導多系統組合時定位和姿態測量的基本原理，并推導了觀測方程，證明多傳感器的引入可以使系統達到改良精度的效果。

表3 導航系統優缺點對比表

由于導航系統的相對固定，對組合導航形式上的創新存在一定局限性，現如今多是對融合算法進行改進。融合算法是組合導航的核心，用于對多系統數據的處理，只有融合算法得到突破，導航系統才能得到質的改變。

4 導航發展展望

就導航系統本身來看，既要有自主運行能力，又要有組合兼容的功能。為了擺脫對美國、俄國導航系統的依賴，歐盟和中國才研究建設屬于自己的導航系統，這是自主能力的體現；但長久來看，組合兼容才是實現共贏的必經之路。另一方面，導航系統本身已經有了自主運行的能力，之后就是與其他系統的兼容問題，能否依靠其他傳感器或其他系統來增強衛星導航，彌補在復雜環境下衛星導航的不足，即是組合導航的課題。

就導航應用來看，目前自動駕駛和室內定位導航是導航應用的2 大課題。自動駕駛是由很多傳感器協調實現的，但傳感器的作用有局限性，比如激光傳感器檢測效果穩定，但在面對大范圍的塵土時，也會無能為力。如果前面1 輛渣土車飛馳而去，引得塵土滿天飛時，無人車發現“面前”全是障礙物等等。所以“高精度地圖+高精度定位”的組合就可以解決此類問題，就比如在地圖上規劃1 個不受外界影響的“綠色管道”，車只要在這里面行駛就是正常行駛。自動駕駛不僅在技術上還存在缺陷，倫理上也面臨著很大考驗，所以還沒有普及。對于室內定位，由于現代人有80 %的時間處于室內，因此室內定位研究很有意義，而且在室內火災等危險情況下，室內定位技術也可以起到極其重要的作用。但由于室內環境復雜、衛星信號微弱等問題，室內定位還未實現突破。目前主要的室內定位方法有慣性導航系統、無線保真（wireless fidelity, WiFi）、紫蜂（Zigbee）以及超寬帶（ultra wide band, UWB）等。文獻[17]提出了1 種INS 輔助線性調頻擴頻（chirp spread spectrum,CSS）的高精度室內定位方法，由MPU9250 自帶的磁力針規避航向角的累積誤差，在CSS 非視距問題上，提出三角形3 邊準則選星方法，這可以降低室內復雜環境下的影響，最后在地下車庫實驗，實驗結果與2 種單一的定位方式相比較，性能提高了50 %以上；文獻[18]就室內定位射頻識別（radio frequency identification, RFID）標簽發射器放置問題進行了分析，對標簽位置進行了統計研究，給出了標簽位置與定位系統精度之間的關系；并為了提高走廊內基于 3 元數的定位體系結構的準確性，給出了標簽放置的指南。

5 結束語

導航技術在當下有著極大的需求，對其精確度和完好性要求不斷提高，所以優化問題日益突出。就我國的 BDS 而言，自 2000 年發射2 顆北斗一號衛星、有了自己的導航力量起，從艱難起步到全球組網，現已實現關鍵器部件100 %國產化，有著極好的發展環境，正是不斷學習其他成熟導航技術的優點，并依據我國地理位置及其他具體情況不斷推進技術創新。同時也要注意導航技術并不僅僅指全球定位導航系統，需要從多點、多面、多系統出發，才能使導航技術快速得到突破。