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导航工程概论心得体会及展望
吴佳豪
测绘学院 导航工程 2012301650006 【摘要】本文主要记录了个人对导航工程概论课程的心得体会及展望，第一部分介绍了导航工程基本内涵，第二部分阐述了各种导航方法及其基本原理，第三部分讨论了导航应用与位置服务并提出了自己对导航应用的想法，第四部分为对本课程的教学建议。【关键词】导航工程 导航方法 导航应用 设想 教学建议
一 导航工程基本内涵
在导航概论课程中，由多位老师为我们介绍了多种导航技术、基本原理及其应用，这门课程使我对导航工程专业有了更为深刻的了解。
导航是解决我现在在哪里、我如何到达目的地、我何时到达目的地和到达目的地时我干什么等问题的手段，包括定位、定姿和制导。定位是解决何时、何地及事件等问题的方法，是导航的基础。定姿是确定和控制物体运动姿态的方法。制导是按照采用导引和控制的手段，控制物体的运动方向、姿态、高度和速度，使其准确到达目标的方法，包括航路规划和目标跟踪。
导航科学是指认知导航现象的本质，发现新型导航原理，揭示利用自然信号导航的原理和规律，探索产生人工信号导航的原理和规律，研究导航事件有关的时间空间问题。导航技术是指实现不同用途、精度、可靠性和需求的导航方法、相关器件、设备、软件和工作流程的总和。导航工程是指组织各种资源，利用某一种或多种导航科学技术并与其他技术集成后，以实现某种导航应用服务功能的活动。
导航要解决的问题有以下几点:现在所在地的位置与时间，到达目的地的位置与时间，用何种方法技术手段到达目的地，到达目的地的目标，目的地的位置是否变化，路上是否有妨碍物，所在地与目的地的位置时间是否对准。
导航可以解决人、事件与目标相互位置动态关系随时间变化的科学、技术和工程实现的有关问题。导航与人类出行、物流交通及目标救助捕获有关，它涉及人类行为知识、社会发展、经济建设、国防军事、防灾救灾等一系列重要需求。导航是一门科学，涉及许多技术，已经成为工程，即将形成一个产业。
导航是许多动物生存的本能。在动物界，导航分为主动式与被动式。主动式是指利用自身器官功能对距离和方位进行感知，对目的地判断。被动式是指利用自然信号对距离和方位进行感知，对目的地判断。许多动物有不同的导航方式，如海豚和蝙蝠利用超声波导航，沙蚁利用偏振光导航，信鸽利用地磁导航。
人类对导航的认识经历了漫长的发展，包括对方向、时间和季节的认知，人们由对东南西北方位的认知识别了方向，由对太阳正午高度角变化的认知识别了季节，由对昼夜交替周而复始的认知认识了时间。而放牧对水草的需求推进了原始部落导航能力的形成与发展。中国古代导航技术的最早记录是指南车，导航技术的探索是指南针，主要利用了地磁，它包括战国时的司南、北宋时的指南鱼及南宋时的罗盘。中国古代有关导航技术的探索还有浑天仪、牵星板。可以说中国古代的导航历史是丰富灿烂的。
二 导航方法及其基本原理
现代导航技术有许多种类。包括无线电导航、双曲线导航、惯性导航、电罗经导航、重力/磁力匹配导航、影像/地形/地图匹配导航、激光制导、星敏感器、卫星导航、太空导航等。
导航要确定时间和空间，所以我们首先要建立时间基准和空间基准。时间基准要有时间系统，空间基准要有坐标系统。可以作为时间基准的某种运动条件有连续、周期性、充分稳定和复现性。主要的时间基准有地球自转——世界时基准、公转运动——力学时基准、原子振荡——原子时基准。世界时包括恒星时和太阳时。恒星时是由天球上的春分点周日运动所确定的时间。太阳时包括真太阳时、平太阳时、民用时和世界时UT。力学时系统以地球绕日公转为基准，以地球动力学时描述地球卫星，以太阳系质心力学时描述九大行星。原子时包括原子时、国际原子时、协调世界时UTC和GPS时间。原子时以秒长为单位，即以铯-133(133 Cs)的基态超精细结构的跃迁频率确定的秒长计量的均匀时间。天球坐标系即建立以地心为球心，以任意长r为半径的天球，以天球球心作为坐标系中心的坐标系。它有两种表达坐标：天球赤道球面坐标和天球空间直角坐标系。天球赤道坐标系 按球心位置不同分为日心坐标系、地心坐标系和站心坐标系。地球坐标系也是一种坐标系，分为大地坐标系和空间直角坐标系两种形式。某一历元的平天球坐标系由岁差章动影响转换为观测瞬时的真天球坐标系，再由旋转SG角转换为观测瞬时的真地球坐标系，再由极移修正转换为某一历元的平地球坐标系。
无线电导航是利用无线电信号引导运动载体沿规定航线、在规定时间到达目的地的航行技术。无线电导航原理是导航设备通过测量无线电导航台发射信号确定运动载体相对于导航台的方位、距离和距离差等几何参量，进而确定运动载体与导航台之间的相对位置关系。利用无线电波的传播特性测定运动载体的导航参量（方位、距离、速度）。无线电导航基本观测量有方位（角度）、距离（距离差），可以形成测角--测角、测角--测距、测距--测角和测距差等多种方式的导航定位方式。优点是不受时间天气限制，精度高，作用距离远，定位时间短，设备简单。缺点是需发射和接收无线电波，易被发现和干扰，需要载体外的导航台支持。按作用距离可分为近程、远程和全球。根据导航台位置可分类为陆基、空基和星基。陆基导航有罗兰C系统，机场微波着陆系统，地基增强导航系统；空基导航包括卫星导航系统，卫星增强系统，未来天基系统。处于发展阶段的无线电导航技术还有室内无线电定位导航技术，包括移动通信定位系统和wifi室内定位系统。
卫星导航系统是利用卫星不断向地面广播发送某种频率，并加载某些特殊定位信息的无线电信号，来实现定位、导航和测时的导航定位系统。它包括发射卫星分系统，发射场地分系统，卫星制造分系统，地面总控分系统，测试评估分系统和用户应用分系统。主要提供定位、导航和授时服务。特点是高精度、全天候、高效率、三维定位、多用途、自动化和全球化。组成为地面控制部分（连接卫星和用户的调控平台）、空间部分（提供稳定实时时空数据的卫星）和用户部分（保障PNT需求的信号发射和接收于一体的导航设备）。其几何原理是一个站星确定球面，两个站星确定圆，三个站星确定点。现有以下卫星导航系统:GPS、GLONASS、GALILEO、COMPASS。卫星导航系统的应用有车载导航系统、移动目标监测、车辆跟踪系统、防盗、精确打击、时间传递和时间同步、地学应用、大气监测和其它应用。卫星导航系统需要满足精确度、空间覆盖、可用性、完好性、连续性、通信、安全性、抗干扰性、易维护性等方面的要求。卫星导航系统工程的任务是建立卫星导航系统空间段、地面控制段和用户段。
匹配导航是一种高性能景象匹配技术，可利用地形、地图、影象、地磁、重力和星光等实时采集属性信息与基础数据进行匹配导航，它的特点是借助于地球固有属性，自主无源。它包括三个要素:背景场、实测数据和匹配方法。地形匹配导航是利用相机实测的地形起伏轮廓与背景场匹配从而对运动物体姿态进行修正进行导航。主要应用有巡航导弹、机器人、潜艇声呐等。为减小误匹配的影响，可以选择更有代表性更有特征的地形进行导航。影象匹配导航是对采集的图像进行校正和压缩后与预处理过的参考图进行匹配来进行导航。磁力匹配导航是利用磁力仪测得的地磁数据与地磁背景场匹配进行导航。它的优点是利用了地磁这一种基本地球物理学特征，匹配源丰富，保证了匹配的多样性和稳定性 具有指向性、无源性和隐蔽性；它的缺点是背景磁场磁力值变化差异大，干扰较大，不稳定。主要应用有潜艇等。重力匹配导航是利用重力仪和高度计求得的重力值与背景重力值匹配后求得位置进行导航。星光导航是利用星光位置反推运动物体位置并进行导航，目前还在研究中。
先进任务规划系统是以陆基飞行器（如陆基巡航导弹）任务规划系统为基础发展起来的开放式组件化任务规划系统，可用于多种无人飞行器（含路基、潜射、无人机、和空射飞行器等）的新一代任务规划系统。现代战争是高技术战争，任务规划就是要使武器系统使用、作战应用、指挥决策一体化、定量化、精确化。它的任务包括制订攻击计划，规划飞行器航迹（路径）。飞行器在发射后经过中段制导和末段制导便可以实现精准到达目标。先进任务规划系统是武器系统作战效能的”倍增器”，是实施精确打击有控飞行器的必备系统。
惯性导航是利用陀螺仪和加速度计这两种惯性敏感器，通过测量运动物体加速度和角速度而实现的自主式导航方法。其主要原理是牛顿定律。陀螺仪是一种利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，分为转子陀螺、振动陀螺和光学陀螺等。加速度计是测量物体加速度的仪器，包括石英加速度计、微硅加速度计等。惯性导航在二维空间可分为平台式和捷联式。平台式惯性导航系统根据建立的坐标系不同，又分为空间稳定和本地水平两种工作方式。空间稳定平台式惯性导航系统的台体相对惯性空间稳定，用以建立惯性坐标系。这种系统多用于运载火箭的主动段和一些航天器上。本地水平平台式惯性导航系统的特点是台体上的两个加速度计输入轴所构成的基准平面能够始终跟踪飞行器所在点的水平面，因此加速度计不受重力加速度的影响。这种系统多用于沿地球表面作等速运动的飞行器。在平台式惯性导航系统中，框架能隔离飞行器的角振动，仪表工作条件较好。平台能直接建立导航坐标系,计算量小，容易补偿和修正仪表的输出,但结构复杂，尺寸大。捷联式惯性导航系统根据所用陀螺仪的不同，分为速率型捷联式惯性导航系统和位置型捷联式惯性导航系统。前者用速率陀螺仪，输出瞬时平均角速度矢量信号；后者用自由陀螺仪，输出角位移信号。捷联式惯性导航系统省去了平台，所以结构简单、体积小、维护方便，但陀螺仪和加速度计直接装在飞行器上，工作条件不佳，会降低仪表的精度。这种系统的加速度计输出的是机体坐标系的加速度分量，需要经计算机转换成导航坐标系的加速度分量，计算量较大。惯性导航可分类为战略级、导航级和战术级。它的特点是需要初始数据，自主可靠，价格昂贵。它通常与其他多种导航方式组合使用。惯性导航的历史可追溯到二战时期V2火箭制导。未来它将向着更精准更低廉更普及的方向发展。
三 导航应用与位置服务及自己对导航应用的想法
导航应用系统工程的主要产品有基础类产品，包括时频器件、惯性器件、方位器件、通信器件；软件类器件，包括系统软件、应用软件；终端类产品，包括惯性导航、卫星导航、位置服务数码产品、水下导航设备；数据类产品，包括导航电子地图、时空基准数据、大气环境参数、社群动态数据。同时，作为一门高度信息化、自动化和智能化的应用服务，现代导航工程需要有要求指标，技术指标和质量控制指标来维持其稳定运行。导航的应用与位置服务是多种多样的，可以说它的应用只受到人们想象力的限制。目前导航需求类型包括陆地、室内（地下）、海面、海下、航空、太空、深空、太阳系外。导航全球导航卫星系统又称为定位导航授时系统，它的应用领域包括军事、交通运输、测绘、农业、航空航天、大气和通信等。GPS是全球定位系统，它的主要功能是定位、授时和测速。在测量方面，它可用于多点连续测量，建立和维持全球性的参考框架，板块运动和监测，建立国家各级平面控制网，形变测量，航空摄影测量、地籍测量、海洋测量等。在军事方面，它可用于导弹制导，炮兵或战略导航部队阵地定向，单兵导航等。在交通运输方面，它可用于航运、航空搜索，陆路交通（车辆导航、监控），船舶远洋导航和进港引水等，包括车辆导航系统，动态目标监控，车辆跟踪系统，舰船飞机导航系统，广域增强辅助系统，移动测量车等。GPS还可用于机械自动化。在大气科学方面，它利用无线电信号传播时所发生的特性变化可进行天气预报。GPS还可实现对地观测卫星的精密定轨。它可应用于以下领域：科学研究（卫星定轨，地球动力学，坐标框架维持，大气监测，板块运动，地壳形变，环境变化，灾害预报，精密时间传递，动物跟踪等），工农业生产（航天遥感，精细农业，捕鱼，工程施工，勘探，物探，形变监测，时间同步，通讯工程，电力工程，运动目标监控等），军事领域（军用卫星定轨，时间同步，飞机、导弹导航，协同作战，求援引导，精确打击，坦克、陆军部队、炮兵、空降兵和步兵等的定位），娱乐、体育（GPS手机、手表，运动员训练监控，导游等），测绘领域（大地测量，工程测量，航空摄影测量，遥感，海洋测绘等），交通运输与管理（智能交通，物流管理，车船调度监控），海陆空运动载体导航（车、船、飞机自主导航等）。在移动互联时代，位置服务应用的重要性日益突出。步行者地图、个人导航，位置社交与信息沟通，位置分享与兴趣点点评，游戏和娱乐服务，位置情景感知的智能服务等应用充实了人们的需求。但同时其中存在的安全问题也值得我们考虑，GPS的使用泄露了用户位置信息，威胁到个人安全和国家利益，所以建立安全高效的中国位置服务网已成为应时之需。利用泛在精确定位、全系导航地图和智能位置服务等前沿技术可以构建导航与位置服务系统，从而形成自主可控的位置服务能力。泛在精确定位以北斗导航系统和羲和系统等为基础，北斗导航系统提供导航定位授时测速服务，羲和系统提供全空域、全时域无缝的导航定位服务。全息导航地图是以位置为核心的时空视觉合成地图，可实现时空一体化的多维信息集成与管理。智能位置服务可支持海量位置信息搜索。
联系我国的北斗导航系统，它已应用在渔业、科学、生活、农业、交通、工程、国防和救灾等方面，例如利用系统进行时间传递和时间同步，进行全球板块运动监测，确定大气参数预报灾害天气，寻找鱼群，参与抗震救灾，建立森林防火系统，水资源和大气环境监测，建筑物变形监测，大坝外形变形监控，大桥施工监控和变形监测，公路路基压实施工的质量控制，航空航天应用，铁路和高铁运行管理，精密农业，位置服务（个人位置服务、搜寻救助安全管理、弱势群体监护、学生安全监控、位置游戏应用），其他应用（运动员训练、旅游休闲、生物考察）。
在我的设想中，物品导航将变得十分有价值，如可以让计算机、自行车等贵重物品在出厂时配置导航定位装置，并利用手机等移动终端相关软件开启防盗保护，追踪物品位置，达到防盗的目的。室内无线电定位导航技术也将得到更为广阔的应用，如利用手机等移动终端在云端下载所需建筑物室内三维地图数据，通过接收楼层间分布的无线电小型基站发出的无线电信号并利用wifi室内定位系统及卫星导航系统进行组合导航来导航定位，这一技术可应用在人员位置服务、设备定位跟踪、设备位置管理、应急疏散指引。此外，多维导航地图和卫星导航技术可应用在考古研究中，通过对不同地形和位置等因素的比较来对考古发掘地点地形位置及内部构造进行判断。同时，由于位置安全问题的严重性越来越突出，隐藏式导航定位技术也将得到发展，利用这一技术我们可以对所需控制物体进行导航定位而不暴露自己的位置，提高导航定位技术的安全性。
四 对本课程的教学建议
希望在这门课程中，我们可以多一些实践性的活动，如参观卫星导航基站，了解导航仪的原理构造等。希望学习时利用学习资料辅助学习。希望平时能与老师有更多的交流。
【参考文献】 导航概论课件：
导航学与导航工程概论--刘经南 时间系统和坐标系统--魏二虎 无线电与卫星导航--张小红 匹配导航--闫利 惯性导航--牛小骥 导航应用与位置服务--施闯
百度百科:导航工程，无线电导航，惯性导航，匹配导航等词条。
