衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)

定位與導(dǎo)航技術(shù)是涉及自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、微電子學(xué)、光學(xué)、力學(xué)以及數(shù)學(xué)等多學(xué)科的高技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)飛行器特別是航天器飛行任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，也是武器精確制導(dǎo)的核心技術(shù)，這對(duì)于提高航空器、航天器以及武器裝備的機(jī)動(dòng)性、反應(yīng)速度和遠(yuǎn)程精確打擊能力具有重要意義，在海、陸、空、天等現(xiàn)代高技術(shù)武器及武器平臺(tái)中得到廣泛的應(yīng)用。

按照定位導(dǎo)航的方式可分成：衛(wèi)星定位導(dǎo)航、自主式導(dǎo)航、組合導(dǎo)航以及無(wú)源導(dǎo)航。

1）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

世界上現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS以及歐洲GALILEO衛(wèi)星系統(tǒng)（將要建立）。這樣，俄羅斯的GLONASS的建立以及將要建立的GALILEO打破了美國(guó)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的獨(dú)家經(jīng)營(yíng)的局面，降低了美國(guó)政府利用GPS施以主權(quán)威懾給用戶(hù)帶來(lái)的后顧之憂(yōu)。

（1）全球定位系統(tǒng)（GPS）

GPS是美國(guó)國(guó)防部為軍事目的建立的，旨在徹底解決海上、空中和陸地運(yùn)載工具的導(dǎo)航和定位問(wèn)題，全部24顆導(dǎo)航衛(wèi)星（21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星）系統(tǒng)已經(jīng)建成。GPS采用碼分多址（CDMA），定位精度通常15m左右，主要應(yīng)用于單點(diǎn)導(dǎo)航定位與相對(duì)測(cè)地定位，具有全天候、定位迅速、精度高、可連續(xù)提供三維位置(緯度、經(jīng)度和高度)、三維速度和時(shí)間信息等一系列優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш蕉ㄎ坏母咝录夹g(shù)。通常GPS接收機(jī)接收到四顆衛(wèi)星的信號(hào)就能夠確定移動(dòng)載體的方位，是當(dāng)前移動(dòng)目標(biāo)導(dǎo)航定位的主流。1992年GPS正式向全世界開(kāi)放，1994年在中國(guó)市場(chǎng)開(kāi)始得到應(yīng)用。GPS以精確位置與定時(shí)信息，已成為支持世界范圍各種民用、科研和商業(yè)活動(dòng)的一種資源。

（2）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）

GLONASS是前蘇聯(lián)研制并為俄羅斯繼續(xù)發(fā)展的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其組成和功能與美國(guó)的GPS相類(lèi)似，可用于陸、海、空等各類(lèi)用戶(hù)的定位、測(cè)速及精密定時(shí)等。目前已完成了24顆工作衛(wèi)星加一顆備用衛(wèi)星空間星座布局，每天24小時(shí)每時(shí)刻各地的用戶(hù)可見(jiàn)5～8顆衛(wèi)星。衛(wèi)星識(shí)別采用頻分多址（FDMA），24顆衛(wèi)星各占一個(gè)頻率，現(xiàn)已向全世界開(kāi)放。

（3）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）

GNSS是由GPS/GLONASS/INTMARSAT組合而成的，目前正在發(fā)展的導(dǎo)航系統(tǒng)，其中INTMARSAT是國(guó)際海事衛(wèi)星組織的簡(jiǎn)稱(chēng)。該組織計(jì)劃通過(guò)所屬的通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)GPS/GLONASS導(dǎo)航信息，為全球用戶(hù)提供服務(wù)。由于GNSS綜合了GPS和GLONASS的衛(wèi)星信號(hào)，增加了整個(gè)系統(tǒng)可視衛(wèi)星的數(shù)目，改善了衛(wèi)星幾何位置配置，可在任何地方有較大高度角的衛(wèi)星提供選擇，這樣GNSS比GPS（或GLONASS）有更高的定位精度和更好的完整性狀態(tài)。因此，GNSS具有很強(qiáng)的互補(bǔ)作用，在同等組合方式下，運(yùn)用先進(jìn)的組合導(dǎo)航技術(shù)，以GNSS與其它導(dǎo)航技術(shù)的組合導(dǎo)航將比GPS（或GLONASS）與其它導(dǎo)航技術(shù)組合有更高的精度和可靠性。

（4）歐洲GALILEO衛(wèi)星

歐洲為了滿(mǎn)足本地區(qū)導(dǎo)航定位的需求，計(jì)劃開(kāi)發(fā)針對(duì)GPS和GLONASS的廣域星基增強(qiáng)系統(tǒng)（EGNOS），包括地面設(shè)施和空間衛(wèi)星，以提高GPS和GLONASS系統(tǒng)的精度、完備性和可用性。同時(shí)，為了打破目前世界美、俄全球定位系統(tǒng)在這一領(lǐng)域的壟斷，歐洲決定啟伽利略計(jì)劃，建立自主的民用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GALILEO）。EGNOS將是歐洲GALILEO計(jì)劃的第一階段，也是GALILEO計(jì)劃的基礎(chǔ)，并將在2002年達(dá)到初始運(yùn)行能力，2007年以前到全球運(yùn)行能力。GALILEO系統(tǒng)將建成全球性的定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，它由星座部分、有效載荷、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及區(qū)域控制部分組成。

GALILEO系統(tǒng)將成為獨(dú)立性、全球性、歐洲人控制的，以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的民用導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。其總的戰(zhàn)略意圖是：（1）建立一個(gè)高效的民用導(dǎo)航及定位系統(tǒng)；（2）使之具備歐洲乃至世界運(yùn)輸業(yè)可以信賴(lài)的高度安全性，并確保任何未來(lái)系統(tǒng)安全置于歐洲人的控制之下；（3）該系統(tǒng)的實(shí)施將為歐洲工業(yè)進(jìn)軍正在興起的衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)的各個(gè)方面提供一個(gè)良好的機(jī)會(huì)，使他們能夠站在一個(gè)合理的基礎(chǔ)上公平競(jìng)爭(zhēng)。

2）自主導(dǎo)航系統(tǒng)

隨著武器性能的不斷提高，軍事戰(zhàn)略思想也在不斷地發(fā)展，武器系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航技術(shù)提出更高的技術(shù)要求，自主導(dǎo)航技術(shù)、無(wú)源導(dǎo)航技術(shù)適應(yīng)軍事戰(zhàn)略和武器系統(tǒng)的新要求發(fā)展起來(lái)的。自主導(dǎo)航技術(shù)、無(wú)源導(dǎo)航技術(shù)是航行器或武器系統(tǒng)在不依賴(lài)于外部信息的條件下實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)，它大大提高了航行器或武器系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性、隱蔽性、強(qiáng)干擾性和生存能力。自主式導(dǎo)航定位系統(tǒng)是利用導(dǎo)航的慣性原理，利用距離傳感器、方向傳感器等傳感器測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的位移和航向信息，由此解算出移動(dòng)載體的位置。航跡推算DR（Dead Reckoning）是自主式導(dǎo)航定位系統(tǒng)的典型代表（主要用于車(chē)輛導(dǎo)航）；

（1）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS（Inertial Navigation System）

INS主要是由慣性測(cè)量裝置（加速度計(jì)和陀螺儀）、計(jì)算機(jī)和穩(wěn)定平臺(tái)（捷聯(lián)式為數(shù)學(xué)平臺(tái)）組成。由陀螺和加速度計(jì)測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體相對(duì)于慣性空間的角速度和線(xiàn)加速度，通過(guò)計(jì)算機(jī)夾雜導(dǎo)航解算，從而獲得運(yùn)動(dòng)載體相對(duì)某一基準(zhǔn)的導(dǎo)航參數(shù)。INS具有在高速率下捕捉數(shù)據(jù)的能力，且精度很高，但是如果時(shí)間較長(zhǎng)，精度則降低。為提高絕對(duì)精度，就需要增加別的傳感器作為輔助。

（2）航跡推算定位DR（Dead Reckoning）

DR包括羅盤(pán)儀、速率儀、里程儀、轉(zhuǎn)速計(jì)。這些傳感設(shè)備能夠測(cè)量出正在行駛的車(chē)輛的旅行距離、速度和方位，在短時(shí)間內(nèi)這些傳感器的精度較高，但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間得采取措施以避免累積誤差。

3)組合導(dǎo)航系統(tǒng)

雖然GNSS是當(dāng)前最先進(jìn)的具有全球、全天候、高精度、實(shí)時(shí)定位等優(yōu)點(diǎn)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，但是其動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力較差。INS具有自主導(dǎo)航能力，不需要任何外界電磁信號(hào)就可以獨(dú)立給出載體的姿態(tài)、速度和位置信息，抗外界干擾能力強(qiáng)。但是INS定位誤差隨時(shí)間的延續(xù)不斷增大，即誤差積累、漂移大。GNSS/INS組合能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)、克服缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在高動(dòng)態(tài)和強(qiáng)電子干擾的環(huán)境下實(shí)時(shí)、高精度的導(dǎo)航定位。因此，GNSS/INS組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是航空、航天導(dǎo)航和武器制導(dǎo)等方面，具有非常重要的作用。組合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)通常利用GNSS、DR、INS以及數(shù)字地圖GIS或者其它技術(shù)等相互組合而成。根據(jù)目前國(guó)際科技發(fā)展水平，全球范圍內(nèi)現(xiàn)有的組合導(dǎo)航定位技術(shù)主要有:GNSS/INS、GNSS/INS/GIS。

4〕無(wú)源導(dǎo)航系統(tǒng)

無(wú)源導(dǎo)航技術(shù)----地形匹配導(dǎo)航、重力場(chǎng)匹配導(dǎo)航以及磁場(chǎng)匹配導(dǎo)航是當(dāng)代導(dǎo)航的一個(gè)重要發(fā)展方向。由于地形匹配、重力匹配、磁匹配輔助導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴(lài)于目前僅由少數(shù)國(guó)家掌握的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS（GPS/GLONASS），并具有高度自主性、隱蔽性、抗干擾性和高精度等諸多優(yōu)點(diǎn)，能滿(mǎn)足軍事各種導(dǎo)航定位要求，引起了導(dǎo)航界及軍方的普遍關(guān)注和高度重視，已成隱蔽性運(yùn)動(dòng)載體無(wú)源導(dǎo)航的重要手段?，F(xiàn)在國(guó)際上普遍采用是：INS/地形匹配、INS/重力匹配、INS/磁場(chǎng)匹配以及它們的組合導(dǎo)航定位。這種技術(shù)主要用于航海和航天領(lǐng)域。