艦機融合導航技術發展趨勢分析與展望

汲萬峰 張瑞恒 何鑫

摘要：在本研究中主要闡述GPS導航技術的發展歷程以及導航原理，分析在艦機自動著艦中GPS導航技術的具體應用，同時闡述當前艦機平臺導航手段優缺點，以及國內外艦機綜合導航系統發展現狀，提出誤差修正、異常檢測以及數據融合等導航精度提升的關鍵技術，最后深入探討艦船綜合導航系統的未來發展趨勢。

關鍵詞：艦機融合導航技術;發展趨勢;展望

1 GPS發展歷程及原理分析

1958年由美國海軍進行第1代衛星導航系統的研究，即NNSS系統，該系統衛星軌道能夠通過地球南北極。通過多年實踐研究發現，該衛星系統不會受天氣、時間因素影響，具有經度均勻，艦區系統衛星在視界內，則可在地球任意位置實現單點定位，以獲得觀測點三維坐標。該系統也存在很多缺陷，主要由于該系統具有6顆衛星構成的導航網，運行高度小，平均1.5小時才能夠進行一次衛星的觀測，因此，無法實現持續性三維信息的提供，無法滿足某些軍事或臨時用戶連續定位的實時性要求尤其無法實現高動態目標定位。整體來看，GPS導航技術經歷三個階段：第一，方案驗證階段。是指由1978年至1979年共發射4顆衛星，構建地面跟蹤網，研究學者研制地面GPS接收機。第二，為研制和試驗階段。是指從1979年至1984年共發射7顆衛星，根據實驗研究能夠提高GPS的定位精度，其中粗碼定位精度高于設計標準20米。第三，為實用組網階段。是指由1989年至1994年完成所有衛星發射。截至1994年已經建成分布于6個軌道面的 GPS空間星座，之后將陸續更換衛星。歷時20多年，GPS系統具有廣泛應用前景。GPS系統定位為完全幾何定位，是通過觀測站與GPS衛星的距離，將其作為偽距觀測量，通過4顆衛星偽距測量，即可獲得測量點三維坐標值。一般采取兩種方法來獲得偽距觀測量。第一，測量由GPS衛星發射測控時間。第二，測量具備載波多普勒平移GPS衛星載波信號和接收機參考載波信號的相位差。利用偽距測量進行定位，具有較快速度，采取載波相位觀測量進行定位，其精確度較高。

2艦機自動著艦及GPS導航技術

航空母艦為當前世界上最強大綜合戰斗力，而在航母戰斗力中艦載機是重要體現。艦載機可執行作戰、偵察、訓練等任務，如何控制艦載機準確著艦，將直接影響飛行任務的成功，同時，也是當前航母相關技術研究重點問題。當艦機完成飛行任務著艦時，其由航母艦尾進入，起先以600千米每小時的速度從航母的右舷通過。在速度為250千米每小時放下起落架，經180度轉彎后，從航母左旋位置通過，在距離艦尾1850米位置，以180度轉彎對準跑道，之后可進入著艦過程，這種情況下，艦載機距離艦尾900米位置，在GPS導航系統下可沿著標定下滑通道，逐漸著艦，艦機下滑與飛機不同，其能夠根據GPS給出參考航跡作為基準完成著艦。當飛機勻速下滑和航母勻速直線運動時，此時二者連線為鉛垂面平行直線，跟蹤角為常數。雖然在整個艦機飛行中總共耗費時間不多，僅為飛行中的3%，但在飛行過程中發生事故概率為30%，同時，隨艦機起降頻率升高，在著艦進場時事故發生率將逐漸上升。飛機著航過程相對復雜，在這一過程中，飛機飛行速度、距離海平面高度將會發生較大變化。主要由于飛機面臨復雜氣動力環境，由于著艦是在氣流縱向運動相對顯著的對流層完成的，同時，在接近航空母艦時會遇到可使飛機下沉的風場作用，其對于飛機準確著艦是不利的。在著艦過程中，飛行員需結合儀表數據，對接地面信號指令。在著艦時，飛行員要處理大量數據，根據數據做出準確判斷，這對于飛行來說難度是比較大的。上述操作均需要由飛行員進行長時間飛行后完成，同時在著艦時，外界復雜氣候和接近艦體時形成的地面效應，對于飛行員操作和著艦會產生較大影響，這些均不是人為能夠控制的，這種情況下，研究學者高度重視飛機自動著艦系統，分析多種自動控制著艦方案，以提升飛機著艦安全性。飛機自動著艦系統是與GPS導航定位系統息息相關的，作為導航定位系統，儀表著陸系統具有良好性能，能夠滿足精密著艦需求，但隨之也會出現很多問題，無論儀表著陸系統或微波著陸系統，均需要艦上設備來支持。采用全球定位系統，能夠簡化艦上設備，同時提升導航定位技術的精度。全球定位系統，是基于衛星無線電導航系統，其能夠在任意時間，為艦機設備提供準確導航信息。

3艦機綜合導航系統

當前艦機綜合導航系統主要涉及信息融合技術，導航技術，計算機技術，海洋地理信息技術等，其充分利用信息融合技術與網絡技術，將多種導航系統和其他系統實現物理化連接，能夠將海上信息、導航信息、艦機航行狀態信息、雷達圖像信息，多目標船動態信息實現綜合處理，進而獲得艦機實時導航信息和其他重要的航行信息。通過電子海圖實時顯示艦機的航行動態，能夠便于駕駛人員觀察和操作，以保證艦機實現安全運行。針對當前艦機綜合導航系統，能夠提供準確定位和導航，不僅保障艦機航行安全，同時也是艦機平臺與武器裝備的重要構成。艦機導航系統主要包括慣性導航系統、天文導航系統，衛星導航定位系統，羅蘭C導航系統等，其中衛星導航定位系統能夠準確定位，然而對于強對抗環境下，由于衛星信號相對脆弱，同時會受電磁因素影響，無法提供連續性導航服務。慣性導航系統具有較強自主性，能夠實現全狀態導航信息提供，但存在精度隨時間發散等相關問題。天文導航系統作為一種自主式導航系統，其僅能夠提供艦機航行速度里程，無法對其進行準確定位。除此之外，采用數字導航雷達，能夠提供目標距離和目標方位等相關數據，電子海圖系統，能夠顯示島嶼，港口，航標等參考信息，但均無法實現艦機位置的提供。當前對于單一導航系統或者由簡單組合導航系統進行準確定位，其存在很多不足，無法實現復雜環境下遠洋航行，以及對高、可信導航系統的運行需求，基于此，應當發展具較大范圍和多導航傳感器，以及充分發揮信息級優勢互補能力為一體的綜合導航系統。

在美軍艦機綜合導航系統中，導航傳感器接口作為重要設備，能夠實現多傳感器綜合導航定位。而在實現艦機安全，航行武器準確打擊的過程中，精確導航定位信息是十分重要的。當前，艦機綜合導航系統，已建立5個發展階段，采用開放式的架構設計方式以及集成化理念，逐漸向艦機平臺、導航資源一體化方向發展，其目前已經成為多種艦機導航系統的重要構成。

整體來看，艦機綜合導航系統通過采集多種導航傳感器的信息，包括慣性導航系統，衛星導航系統，回聲探測儀，多普勒計程儀，實現數據監測處理，能夠為其提供高精度，可靠性位置，速度等信息。基于探測系統，作戰指揮，通信系統，武器系統等系統需求，以實現不同精度、頻率導航數據需求。目前，在航母和多型驅護艦中，艦機綜合導航系統已獲得廣泛應用。俄羅斯海軍目前將數據融合技術用于綜合導航系統中，能夠有機結合衛星導航，慣性導航、無線電導航系統，進而顯著提升綜合導航系統的運行可靠性以及定位精度。德國綜合導航能夠將多種傳感器與導航設備進行融合，此外具備航行計劃、自動航速控制、中央報警管理等多個功能。荷蘭綜合導航系統，目前通過高度一致用戶接口，實現整個綜合系統的連接，除常規導航外，還具備壓舵控制，推進器控制等多種功能。我國現階段綜合導航系統，采用分布式的設計方法，采取模塊化結構設計，利用多種傳感器能夠測量艦機運動狀態，通過信息集成系統處理傳感器測量的實時信息，顯著提升導航定位精確度。

4 導航信息融合架構的設計及關鍵技術分析

艦機綜合系統作為復雜系統，需借助多種傳感器實現信息綜合自動化處理。如下圖所示，為導航信息融合處理架構的示意圖。導航信息融合處理架構是由導航參數輸出管理模塊、導航信息融合模塊、傳感器信息預處理模塊和智能管理模塊等共同構成的，其主要功能如下：利用傳感器信息處理模塊，能夠實時檢測多種傳感器數據，實時異常檢測和容錯處理，針對傳感器測量數據進行在線誤差估計和數據修正。利用智能決策模塊，能夠結合傳感器運行情況信息異常檢測結果，人為指令實現智能化處理，自主決策最優化導航傳感器融合模式結果。利用導航信息融合模塊，能夠針對決策結果如何處理多種導航傳感器信息，以獲得最優化的速度、位置等導航參數。利用導航參數輸出管理模塊，能夠結合用戶需求，制定所需導航參數，具體包括融合處理的組合導航參數以及傳感器原始數據等。

數據預處理，主要是針對異常數據進行及時檢測以及系統誤差修正，系統誤差會從一定程度上降低導航精度，要想獲得高精度導航結果，需通過數據預處理。能夠針對完成預處理的數據，實現導航數據融合，數據融合算法從一定程度上會影響導航精度，因此，在艦基綜合導航系統數據處理中，系統誤差在線修正、數據異常檢測和導航數據融合處理是關鍵技術。第一，數據異常檢測。為能夠提升導航系統可靠性，需進行導航傳感器測量、數據異常檢測，由于受內、外部空間環境以及電磁環境因素干擾，在實際運行中，傳感器會出現多種數據誤差異常，將直接影響艦機航向安全以及武器裝備使用。當前，常采用的數據異常檢測技術包括，基于聚類、基于預測模型、基于概率統計。其中基于概率統計數據異常，是結合統計概率模型，在處于低概率密度區，該數據為異常數據，采用這種方法計算較為簡單，但該方法無法用于數據流異常檢測，一般采取隱馬爾科夫模型概率統計。對于聚類數據異常檢測，是指將具有高相似度數據聚類為簇，如果偏離簇該數據為異常數據，利用該方法無須先驗知識，能夠實現增量模型，但整體算法相對復雜，可采取k-means 聚類法。對于分類數據異常檢測，是指利用異常數據生成分類器，借助訓練好的分類器將新數據進行分類，以檢測異常數據，利用該方法能夠提高數據檢測準確性，但對數據要求較高，需具備標簽。常采用貝葉斯網絡等方法。對于預測模型數據異常檢測，是指通過模型輸出數據的均值、方差進行獲取數據置信區間，以判斷該數據是否為正常值，該方法具有自適應性，能夠實現在線監測，但無法保證數據的準確度。一般采取最小二乘支持向量機、相關向量機等方法。第二，系統誤差在線修正。長時間使用導航器件，會出現重復性能降低，進而在標稱性能和實際性能間，會使導航系統器件誤差出現不一致，因此，針對導航傳感器系統誤差在線分離、標校時，能夠提升導航精度。一般可采取神經網絡法，能夠針對測量誤差與實際測量值關系建模，利用神經網絡學習，對非線性函數逼近，構建系統誤差模型。利用該模型在線修正實時采集的數據，以進一步提升傳感器的數據精度。第三，導航數據的融合處理。當前在艦機綜合導航系統中還有多種類型的導航傳感器，如何實現導航傳感器信息處理，數據融合，進而獲得高精度導航結果，是當前導航數據融合主要解決的問題，在導航數據融合算法設計過程中，需考慮不同導航系統的性能，使其具備一定靈活性，可在不同狀態下融合算法實現動態重構，保證導航數據的精度以及可靠性。當前艦機綜合導航系統進行導航數據處理的方法，包括平滑濾波，卡爾曼濾波以及加權平均法等。

5發展趨勢

未來隨科學技術發展，艦機綜合導航系統，主要向基于自適應信息融合技術高精度導航系統或智能綜合導航系統，高效實時網絡傳輸技術方向發展。比如艦機綜合導航系統，應能夠兼容較多導航傳感器，可研發自適應數據融合技術，進而能夠發揮傳感器信息優勢。隨遺傳算法、神經網絡算法的發展，能夠為現有綜合導航系統提供系統誤差修正、數據異常檢測等理論工具，以提升數據精度，進一步提升導航精度。此外，艦船中含有多種功能系統，能夠綜合導航系統自身以及基于其他系統的信息傳輸。研發高校實時網絡傳輸技術，進一步實現不同系統信息互聯互通，以提升艦船系統集成化，能夠為工作人員提供實時性有用信息。隨著人工智能技術發展，基于知識航行專家系統，其成為了綜合導航系統的重要應用。通過研發智能綜合導航系統，能夠實現導航系統接口運行環境進行自適應組合，進而獲得較高精度導航結果，能夠為艦船管理提供決策依據。

小結

總之，當前艦機綜合導航系統能夠融合多種傳感器，利用智能化融合算法，幫助艦機提升導航可靠性以及導航精度，實現全球覆蓋、自動化、全天候導航定位，未來隨科學技術發展，艦機綜合智能系統將能夠為艦船自動駕駛、決策分析，風險評估、智能導航提供豐富的導航信息服務。

參考文獻

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