用導航技術指引現代化強國之路
——記北京理工大學自動化學院副研究員韓勇強

祝傳海

韓勇強

現代人出行，特別是選擇自駕或步行等方式時，通常都離不開導航。隨著城市建設的加快，道路越修越多，出行路線更加多元和復雜，如果沒有導航，估計很多人都會迷路。事實上，導航不僅在日常生活中發揮著重要的作用，在軍事領域更是不可或缺。導彈定位、士兵偵查等都離不開導航技術。近年來，世界各國的科學家們都特別重視對導航控制技術的研究和開發，致力于利用現代通信、自動化以及計算機等高新技術來提高導航的精度和性能。而這，也正是北京理工大學自動化學院副研究員韓勇強的目標所在……

“興趣是最好的老師”

2002年，19歲的韓勇強考入燕山大學自動化專業。本科畢業后，他選擇了北京理工大學導航、制導與控制專業進行深造。“讀碩士前，我對這個專業一無所知。報專業時，我一看到‘導航’‘制導’這幾個字，就非常感興趣。”韓勇強說，“我一直都很喜歡軍事，從小就喜歡閱讀這方面的雜志。上大學時，有位老師談及美國在某場戰爭中要用導彈去炸毀一座電站。他們發射了第一枚導彈將墻壁炸出了一個洞，第二枚導彈順著這個洞鉆進去把電站炸毀了。這個畫面一直留在了我的腦海里，讓我明白精準的導航技術可以有效助力軍事戰斗。于是我毫不猶豫地選擇了這個專業。”

讀碩士期間，韓勇強所在的課題組承擔了很多國家重要型號裝備的研制工作。而在眾多高校中，能承擔這類工作的屈指可數。韓勇強深感幸運的同時，也明白機會的難能可貴，即使是從又苦又累的基礎性工作做起，他也毫無怨言。“在剛開始參與科研項目時，我就負責看桿。”韓勇強說，“一般在測試車輛導航系統的性能時，會在路邊擺上一個標志桿。車子開走后，為了避免這個桿被移動或者被偷走，就得有人在那看著，而我就負責這個工作。雖然很簡單，但是一想到測試的設備很有可能會用到我國某個武器平臺中，我就有一種強烈的自豪感。”

“合抱之木，生于毫末；九層之臺，起于累土。”成功從來都不是一蹴而就的。通過一點一滴的累積，韓勇強的科研能力逐漸增強，他負責的工作也由一些基礎性任務發展到關鍵性功能的研發。到博士階段，他在做導航系統的測試實驗時，由于科研進度已經上升到保密階段，相關單位不得不派警車進行保護。韓勇強笑著說：“當時內心里還是覺得挺威風的，但也深深感覺到肩上的責任巨大。”

在讀博的最后一年，韓勇強遠赴美國南加州大學進行交流學習。盡管當時的導師并不專攻導航，而是研究控制領域，但也讓他受益匪淺。“學習知識，不僅要知其然更要知其所以然。在邁克教授的指導下，我學到了很多關于控制理論方面的知識，讓我知道了現在所從事的專業的全貌，對其脈絡有了一個清晰的認知。”韓勇強說，“就像是站在山頂俯瞰世間萬物，有種豁然開朗的感覺。”

2013年，韓勇強以一名老師的身份回到了北京理工大學，主要從事慣性導航、地面平臺導航、行人導航、水下平臺導航等方面的研究。近5年來，韓勇強先后主持和參與了原“863”計劃項目、型號項目研制、裝發預研、國家重點研發計劃等課題，研究成果成功應用于多款國家重要型號裝備，年均科研經費超300萬元。此外，他還在國內外核心期刊與會議中共發表SCI/EI論文30余篇，其中SCI收錄10篇，申請發明專利20余項，授權5項，其中一項成功實現專利轉化，創造經濟效益21萬元。

面對所取得的成績，韓勇強坦言，人的成功需要正確的引導，最好的老師就是興趣。盡管科研是枯燥無味的，但當你對它充滿興趣時，你就會發現，它是一件多么有趣的事情。

在辦公室

“努力把導航技術提升到一個新的高度”

導航看似簡單，事實上它所包含的技術種類非常多。以車輛導航為例，韓勇強向我們介紹了目前世界上比較常用的幾種車輛定位技術。

慣性導航系統（簡稱INS），是指不依賴于任何外界信息，靠自身的慣性敏感器件（陀螺儀和加速度計）測量導航參數的系統。它不受天然的或人為的干擾，具有良好的隱蔽性，是一種完全自主式的導航系統。“就好像一個人閉著眼睛走路，在心里默記自己走了多少步，轉了幾個彎，以此來推算自己移動后所處的位置。”韓勇強解釋道，慣性導航的基本原理就是牛頓力學定律。根據所選慣性器件的不同，慣性導航系統又分為激光慣導、光纖慣導、MEMS慣導等多個類別，但無論哪種慣導，在長時間工作之后，會產生不同程度的累積誤差。為提高系統的絕對精度，就需要增加其他導航傳感器輔助定位。由于該系統的造價較高，所以它在普通車輛導航定位領域應用不多，主要用在軍事用途上。

GPS具有全球性、全天候、連續及實時提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息等一系列優點，是實現全球導航定位的一種高新技術。GPS定位技術的基本原理是采用測量學中通用的測距交會確定點位的方法。但由于GPS是一種無線電衛星導航系統，在城市高樓區、林蔭道、涵洞等地方有可能導致GPS定位信號的暫時中斷；因墻體或山的側面所造成的多路徑效應，GPS接收機同樣也無法識別，并可能導致相當大的偏差。這說明GPS定位系統雖然定位精度較高，但一旦可靠性遭到破壞，便會失去其導航能力。

“除此之外，車輛導航還會運用到航位推算系統（簡稱D R）、地圖匹配（簡稱M M）、地面無線電頻率定位（簡稱T R F）等技術。但不可否認，任何一種單一的導航系統其精度和使用范圍都有一定的限制。”韓勇強說，“為了將各種傳感器的測量信息進行綜合利用，最大限度地提取有用信息，保障車輛定位的全程連續性，我們決定采用多傳感器信息融合技術，研制各種實用的組合導航系統。”由此，他和團隊成員開展了關于實時定位與制圖（SLAM）技術的研究。

要理解SLAM技術，韓勇強介紹，首先還得從“視覺導航”說起。視覺導航，即利用視覺傳感器（主要為攝像頭）實現自身位姿信息的推算。它通過對周圍環境進行不間斷的拍攝，對相鄰的兩幀照片進行特征點匹配，從而獲得自身的旋轉和位移信息，進而實現位姿測量，這項技術又被稱為“視覺里程計”。視覺里程計所推算的位置信息也存在誤差累積的問題，把車輛行駛過的區域的特征點進行匯總處理，構建一個環境地圖，當車輛再次行駛到這個區域時進行回環檢測和誤差修正，可以極大地消除累積誤差，提高導航精度，這項技術就叫SLAM技術。

SLAM技術是當前世界范圍內地面移動平臺導航技術的熱點。目前，韓勇強所在的項目團隊基于本身在慣性技術領域的技術積累，在此項技術的研究上取得了階段性的成果，并開始在物流機器人、室內巡航機器人、無人駕駛車輛等領域實現了應用。

除了進行車輛定位與導航，導航技術還可以在訓練運動員、消防救援等方面發揮作用。韓勇強說：“例如目前我們團隊開展了一項‘科技助力奧運’項目。游泳運動員通過使用一些穿戴式的慣性氣墊，在其運動時，我們就可以對他們的運動特性進行捕獲，幫助其進行運動姿勢糾正和技巧分析。再比如單兵導航系統不受環境制約，在日常的消防救災中，它能為消防員提供精準的定位，避免消防員被火場包圍。”

雖然導航技術在生活中得到了廣泛應用，但其應用范圍主要還是集中在軍事領域。近期，韓勇強團隊成功研制生產出陸用定位定向導航系統系列產品。該系列產品已在兵器加榴炮、迫榴炮系統和航天領域防空導彈發射車、指揮車等多個型號武器系統中得到應用。當被問及科研目標時，韓勇強笑著回答道：“我希望把導航技術提升到一個新的高度，從而加強我國軍隊武器的現代化建設，為國防事業做出積極貢獻。”