薛連莉，沈玉芃，宋麗君，陳效真

（1.北京海鷹科技情報(bào)研究所， 北京 100074；2.西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院， 西安710055；3.北京航天控制儀器研究所， 北京100039）

0 引言

2019年8月，美國國防部（U.S.Department of Defense，US DoD）公開了其2018年11月的《國防部定位、導(dǎo)航和授時(shí)（Positioning Navigation and Timing，PNT）整體戰(zhàn)略》報(bào)告［1］，其目標(biāo)是利用現(xiàn)代化全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）基礎(chǔ)功能及多種附加PNT信息源，以模塊化開放系統(tǒng)集成方法為美軍聯(lián)合部隊(duì)提供精確、可靠和彈性的PNT能力，維持并強(qiáng)化美軍及其盟軍在所有作戰(zhàn)領(lǐng)域的軍用PNT優(yōu)勢。報(bào)告表明，美國已開始全面提升其軍用PNT技術(shù)能力，繼續(xù)增強(qiáng)GPS抗干擾能力，開發(fā)多源PNT服務(wù)能力。作為世界前沿技術(shù)發(fā)展的標(biāo)桿，以美國為首，歐盟、俄羅斯、印度、日本等國家和地區(qū)2019年紛紛效仿，不斷推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、量子導(dǎo)航、定位與授時(shí)等技術(shù)發(fā)展，并取得一定成果。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是指采用導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)地面、海洋、空中和空間用戶進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)。作為PNT的增援力量，已經(jīng)建造或正在建造的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo、中國的BeiDou等全球性系統(tǒng)，以及日本的QZSS和印度的NavIC等區(qū)域性系統(tǒng)。

（1）美國繼續(xù)擴(kuò)大GPS II的應(yīng)用范圍，全面推進(jìn)GPS III導(dǎo)航衛(wèi)星研究與部署

2019年7月，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）表示將在“Artemis”登月計(jì)劃中采用GPS為獵戶座飛船的宇航員和地面操控員、月球空間站Gateway以及月球表面任務(wù)提供導(dǎo)航解決方案。相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種可以獲取GPS位置信息的特殊接收機(jī)NavCube，該接收機(jī)將MMS Navigator GPS和SpaceCube（一種可重構(gòu)的空間飛行高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）融合在一起。NASA團(tuán)隊(duì)已對(duì)月球GPS接收機(jī)的性能進(jìn)行了仿真并獲得了滿意結(jié)果，并在2019年年底完成了月球NavCube的硬件原型。

2019年6月，美國Harris公司宣布已向美國Lockheed Martin公司交付了第6個(gè)任務(wù)數(shù)據(jù)單元（Mission Data Unit，MDU）有效載荷，用于美國空軍下一代GPS III導(dǎo)航衛(wèi)星。MDU有效載荷是第11顆GPS III及后續(xù)衛(wèi)星的核心，在前10顆衛(wèi)星導(dǎo)航載荷的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)性能，精度提升了3倍，抗干擾能力提升了8倍；實(shí)現(xiàn)了70%的數(shù)字化，優(yōu)化了發(fā)射器、抗輻射處理器、原子鐘等系統(tǒng)互聯(lián)性，以增強(qiáng)導(dǎo)航信號(hào)；可將GPS III衛(wèi)星的在軌壽命延長至15年，比當(dāng)前在軌的GPS衛(wèi)星高出25%。2019年11月，美空軍稱計(jì)劃研制并于2023年向地球靜止軌道發(fā)射導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星-3（NTS-3），該衛(wèi)星安裝實(shí)驗(yàn)型天線，使用靈活安全的信號(hào)，增加自主能力，可在軌重編程，通過數(shù)字簽名增強(qiáng)抗欺騙能力，波束覆蓋區(qū)域可調(diào)，在受攻擊或干擾后可快速恢復(fù)。NTS-3是美空軍繼GPS之后，40年來首次開展的開拓性項(xiàng)目。圖1為目前已在軌或即將在軌運(yùn)行的NTS-1、NTS-2和NTS-3衛(wèi)星。

圖1 NTS-1、NTS-2和NTS-3衛(wèi)星Fig.1 Diagram of satellites NTS-1，NTS-2 and NTS-3

（2）俄羅斯繼續(xù)提高GLONASS的導(dǎo)航精度

2019年4月，俄羅斯航天國家集團(tuán)公司（Russian Space National Corporation）副總經(jīng)理Urlichich透露，2025年俄羅斯GLONASS的導(dǎo)航精度將提高25%。Urlichich在Moscow導(dǎo)航學(xué)術(shù)會(huì)議上表示，2025年前系統(tǒng)高軌段預(yù)計(jì)部署6顆衛(wèi)星，首顆衛(wèi)星將于2023年投入運(yùn)行，這將使半個(gè)地球?qū)Ш骄忍岣?5%。2020年后，GLONASS在國外部署的地面站數(shù)量將從6個(gè)增加到12個(gè)，俄羅斯境內(nèi)則從19個(gè)增加到45個(gè)。目前，GLONASS有26顆在軌衛(wèi)星，其中的23顆運(yùn)行正常。圖2為已在軌運(yùn)行的GLONASS-K衛(wèi)星。

圖2 GLONASS-K導(dǎo)航衛(wèi)星Fig.2 Diagram of GLONASS-K navigation satellite

（3）歐盟的Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)再出故障，聚焦GPS拒止環(huán)境下新型導(dǎo)航技術(shù)的研發(fā)

2019年7月，歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)局（European Global Navigation Satellite Systems Agency，GSA）發(fā)布了Galileo系統(tǒng)服務(wù)降級(jí)告警，目前在軌26顆衛(wèi)星的信號(hào)均不能達(dá)到最低的導(dǎo)航性能要求，且未給出明確的恢復(fù)時(shí)間。另據(jù)國際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測評(píng)估中心稱，Galileo系統(tǒng)疑似在7月10日14時(shí)出現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)異常，其廣播星歷不能正常更新，全部衛(wèi)星處于一種持續(xù)的非正常狀態(tài)。Galileo是歐盟自主發(fā)展的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，由30顆衛(wèi)星組成，包括24顆工作衛(wèi)星和6顆備用衛(wèi)星，計(jì)劃于2020年完成星座建設(shè)。此外，Galileo系統(tǒng)2017年也曾出現(xiàn)多顆衛(wèi)星星載原子鐘失效故障。圖3為Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

圖3 Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture of Galileo navigation satellite system

2019年10月，歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)（MBDA Missile Systems Inc，MBDA）和空客防務(wù)與航天公司（Airbus Defence and Space）、法國宇航院（ONERA）合作為未來遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈系統(tǒng)發(fā)展一種新的導(dǎo)航技術(shù)，該技術(shù)利用衛(wèi)星通信信號(hào)使導(dǎo)彈在射程范圍內(nèi)保持導(dǎo)航精度。MBDA稱衛(wèi)星通信輔助導(dǎo)航技術(shù)將作為英法合作的導(dǎo)彈材料/組件創(chuàng)新與技術(shù)合作（MCM-IPT）計(jì)劃下的彈性與自主衛(wèi)星通信導(dǎo)航（REASON）項(xiàng)目的一部分而進(jìn)行首次演示，REASON項(xiàng)目旨在評(píng)估采用特定衛(wèi)星信號(hào)作為輔助導(dǎo)航手段的技術(shù)和系統(tǒng)級(jí)可行性。MBDA牽頭了歷時(shí)一年的REASON項(xiàng)目研究，并提供用于評(píng)估的性能指標(biāo)，空客公司負(fù)責(zé)概念系統(tǒng)及其演示，法國宇航院提供仿真環(huán)境。

（4）印度NavIC衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接口規(guī)范獲準(zhǔn)應(yīng)用

2019年10月，全球無線通信標(biāo)準(zhǔn)組織（3GPP）已經(jīng)接受了印度NavIC衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接口規(guī)范［2］。根據(jù)此許可，NavIC可以集成應(yīng)用于智能手機(jī)和平板電腦等設(shè)備中。接口規(guī)范的獲準(zhǔn)應(yīng)用極大地促進(jìn)了印度移動(dòng)電信業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了NavIC在整個(gè)亞太地區(qū)的應(yīng)用。相對(duì)于目前使用的美國GPS系統(tǒng)，需要位置信息的智能電話和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備將開始使用NavIC系統(tǒng)，這將促進(jìn)NavIC技術(shù)在4G、5G和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）大眾市場的應(yīng)用，而與NavIC相關(guān)的IC及其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)也將給印度公司和創(chuàng)業(yè)公司帶來發(fā)展商機(jī)。隨著系統(tǒng)在其他國家的推廣應(yīng)用，芯片及其產(chǎn)品也有著極大的市場發(fā)展?jié)摿?。NavIC由ISRO研發(fā)，目前有8顆在軌衛(wèi)星，7顆用于導(dǎo)航，1顆用于消息傳遞，覆蓋印度及其周邊地區(qū)1500km的區(qū)域，計(jì)劃將進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的應(yīng)用。圖4為印度NavIC衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的示意圖。

圖4 印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)NavICFig.4 Diagram of Indian regional satellite navigation system NavIC

在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，一方面，以美國為首的導(dǎo)航大國持續(xù)推進(jìn)導(dǎo)航衛(wèi)星的研發(fā)與部署，不斷提升導(dǎo)航系統(tǒng)精度；另一方面，為確保GPS拒止環(huán)境下的導(dǎo)航功能，各個(gè)國家積極開發(fā)新型導(dǎo)航技術(shù)及相關(guān)替代導(dǎo)航技術(shù)。

2 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航技術(shù)是一種通過測量飛行器的角速度/線加速度，并自動(dòng)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得物體瞬時(shí)速度和瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)的技術(shù)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在運(yùn)載體內(nèi)，工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，以陀螺為代表的敏感器件是決定慣導(dǎo)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

（1）美國陸軍繼續(xù)采購基于激光陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，激光陀螺仍是陸用戰(zhàn)車、導(dǎo)彈等武器裝備的重要選擇之一

2019年9月，美國陸軍合成司令部（U.S.Army Forces Command）宣布與Honeywell公司簽訂了價(jià)值3790萬美元的戰(zhàn)術(shù)先進(jìn)地面慣性導(dǎo)航裝置（TALIN）5000型采購合同，預(yù)計(jì)2023年9月完成。TALIN 5000系統(tǒng)尺寸為5.4in×7.6in×8.6in，質(zhì)量為13lb，可在-46℃～+71℃環(huán)境中工作；在18V～32V直流電下工作時(shí)，功耗小于26W；使用標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部三軸慣性傳感器，角速率為200（°）/s；平均故障間隔時(shí)間超過50000h，可連接多種接收機(jī)設(shè)備。該系統(tǒng)采用Honeywell公司的環(huán)形激光陀螺技術(shù)和加速度計(jì)，提供GPS拒止環(huán)境下的導(dǎo)航，適用于苛刻的軍事和商業(yè)環(huán)境，可用于軍用車輛、主戰(zhàn)坦克、火炮系統(tǒng)、雷達(dá)和衛(wèi)星通信穩(wěn)定器、導(dǎo)彈發(fā)射器等。圖5為TALIN 5000慣性導(dǎo)航裝置的示意圖。

圖5 TALIN 5000慣性導(dǎo)航裝置Fig.5 Diagram of TALIN 5000 inertial navigation unit

（2）國外不斷推出光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，干涉型光纖陀螺慣性系統(tǒng)性能接近激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，并逐漸用于戰(zhàn)略武器

2019年5月，美國Northrop Grumman公司推出了光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)SeaFIND，可提供與MK39環(huán)形激光陀螺羅盤系列慣性導(dǎo)航產(chǎn)品相同的性能水平，且尺寸大大減小，僅為250mm×250mm×127mm，質(zhì)量僅為4.9kg。SeaFIND可滿足小型艦艇的需求，包括無人潛航器、無人水面艇、近海巡邏艇及其他中小型水面艦艇。2019年11月，美國海軍宣布將從2020財(cái)年開始通過戰(zhàn)略系統(tǒng)項(xiàng)目發(fā)展新技術(shù)，以將現(xiàn)役三叉戟D5潛射戰(zhàn)略導(dǎo)彈的使用期限延長至2080年，并持續(xù)保持導(dǎo)彈的作戰(zhàn)能力現(xiàn)代化。三叉戟D5導(dǎo)彈延壽項(xiàng)目（D5 LE）進(jìn)展順利，在2019財(cái)年完成了5次飛行測試，D5 LE2項(xiàng)目工作重點(diǎn)之一是將導(dǎo)彈使用的靜電陀螺升級(jí)為光纖陀螺，以提高導(dǎo)彈的打擊精度，這標(biāo)志著干涉型光纖陀螺慣性系統(tǒng)逐漸用于戰(zhàn)略武器。圖6為SeaFIND慣性導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖。

圖6 SeaFIND 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.6 Diagram of SeaFIND inertial navigation system

（3）在DARPA項(xiàng)目支持下，微機(jī)電（Micro Electro Mechanical System，MEMS）陀螺精度不斷提高，并有望實(shí)現(xiàn)光纖陀螺替代方案

在DARPA微型速率積分陀螺（Micro Rate Integrating Gyroscope，MRIG）項(xiàng)目支持下，美國Michigan大學(xué)的研究人員成功研制了一種Q值達(dá)154萬的真空封裝熔融石英微諧振陀螺，零偏穩(wěn)定性達(dá)0.0103（°）/h。此外，2019年4月，Honeywell公司報(bào)告了其用于平臺(tái)穩(wěn)定的MEMS面外陀螺性能結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于0.006（°）/h1/2的角度隨機(jī)游走和0.2（°）/h的零偏穩(wěn)定性。作為驅(qū)動(dòng)和檢測模態(tài)下的特征傳感器，頻率間隔大于700Hz，從而允許帶寬大于300Hz。HG6900 IMU將集成這些傳感器，體積為259cm3。2019年9月，Honeywell公司推出了基于MEMS技術(shù)的HGuide i300 IMU和HG4930 S-Class IMU兩款新型IMU，力求實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗和經(jīng)濟(jì)高效的光纖陀螺替代方案［3］。圖7為HG4930 S-Class MEMS IMU產(chǎn)品示意圖。

（4）以美國、法國為首的國家繼續(xù)推進(jìn)半球諧振陀螺的研究，半球諧振陀螺性能不斷提高、尺寸不斷減小，在航天、航空、車輛、船舶等導(dǎo)航領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景

2019年8月，美國Northrop Grumman 公司披露其在多年半球諧振陀螺研究的基礎(chǔ)上，正在開發(fā)新型LR-450 IMU中的毫米半球諧振陀螺，專為質(zhì)量更輕、成本更低的小型平臺(tái)而設(shè)計(jì)［4］。2019年9月，賽峰電子與防務(wù)公司（Safran Electronics ＆Defense）報(bào)道了半球諧振陀螺的最新進(jìn)展，基于該陀螺的BLACK-ONYXTMDUAL CORE HP 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)質(zhì)量小于 25kg，尺寸小于 0.028m3，功耗小于50W，精度達(dá) 1nmile/120h。憑借著半球諧振陀螺的超高SWaP性能，GEONYXTM慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可用于火炮和戰(zhàn)車的精確導(dǎo)航和指向，SpaceNaute慣性參考系統(tǒng)已被歐洲Ariane6太空發(fā)射器選用，Sterna超輕尋北儀可用于士兵指向應(yīng)用和便攜式系統(tǒng)［5］。圖8為賽峰電子與防務(wù)公司的慣導(dǎo)系列產(chǎn)品。

圖 7 HG4930 S-Class MEMS IMU 產(chǎn)品Fig.7 Diagram of HG4930 S-Class MEMS IMU

圖8 賽峰電子與防務(wù)公司基于HRG 技術(shù)的慣導(dǎo)系統(tǒng)Fig.8 INS based on HRG Technology developed by Safran Electronics ＆ Defense

在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，光學(xué)陀螺技術(shù)目前處于最成熟階段，未來其精度從戰(zhàn)術(shù)級(jí)、導(dǎo)航級(jí)逐漸延伸到戰(zhàn)略級(jí)；MEMS 陀螺目前已在戰(zhàn)術(shù)級(jí)占據(jù)主導(dǎo)地位，后續(xù)在微納米技術(shù)和微加工藝等發(fā)展的推動(dòng)下，精度將覆蓋導(dǎo)航級(jí)；半球諧振陀螺在同等精度陀螺中具有體積質(zhì)量優(yōu)勢，并逐步在空間、航空、航海等領(lǐng)域開展應(yīng)用，成為近期慣性技術(shù)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一［6］。

3 其它導(dǎo)航

3.1 天文導(dǎo)航

天文導(dǎo)航建立在慣性參考系基礎(chǔ)上，運(yùn)用天體測量儀器來獲取天體相對(duì)于測量點(diǎn)的天體方位和高度等信息，并解算出導(dǎo)航信息。常用的天文導(dǎo)航儀器有星體跟蹤器、天文羅盤和六分儀等。

星體跟蹤器能從天空背景中搜索、識(shí)別和跟蹤星體，并測出跟蹤器瞄準(zhǔn)線相對(duì)于參考坐標(biāo)系的角度。2019年5月，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（Air Force Research Laboratory，AFRL）計(jì)劃簽訂一份天文輔助導(dǎo)航技術(shù)研發(fā)合同，降低GPS 拒止環(huán)境中制導(dǎo)、控制的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在沙漠、水、雪和冰等地形惡劣的區(qū)域。研究重點(diǎn)是開發(fā)一種星體跟蹤器，能夠可靠地對(duì)9km ～24km 高度進(jìn)行天文觀測。星體跟蹤器應(yīng)能全天候工作，滿足苛刻的環(huán)境要求，必要時(shí)提供指向能力。

3.2 視覺導(dǎo)航

視覺導(dǎo)航是通過攝像機(jī)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行圖像采集，并對(duì)圖像進(jìn)行濾波和計(jì)算，完成自身位置確定和路徑識(shí)別，并做出導(dǎo)航?jīng)Q策的一種導(dǎo)航技術(shù)。美俄長期開展圖像、激光、無線電等信號(hào)的特征提取與頻譜分析，融合被動(dòng)圖像數(shù)據(jù)、數(shù)字海拔地形數(shù)據(jù)等可用信息，相繼建立了基于視覺信號(hào)源的特征數(shù)據(jù)庫。針對(duì)環(huán)境地圖信息完整時(shí)的路徑規(guī)劃問題，利用超平面定義無碰撞區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了密集障礙物環(huán)境下的穩(wěn)定避障。

2019年3月，Draper實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了Monarch系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用攝像機(jī)圖像和慣性測量來計(jì)算單位移動(dòng)時(shí)位置和方向的變化，是視覺輔助導(dǎo)航的一種形式。2019年4月，美國宇航局機(jī)構(gòu)選擇Draper實(shí)驗(yàn)室對(duì)多環(huán)境導(dǎo)航儀（DMEN）進(jìn)行飛行測試，以測試精確登陸月球所需的基于視覺的導(dǎo)航技術(shù)。該系統(tǒng)包括慣性測量單元傳感器，其算法功能強(qiáng)大將傳感器數(shù)據(jù)處理為導(dǎo)航解決方案，從而提供了視覺慣性測距和基于視覺地形的絕對(duì)定位的功能。此外，Draper實(shí)驗(yàn)室還提出一種SAMWISE視覺輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠在充滿障礙物的室內(nèi)和室外環(huán)境中進(jìn)行高動(dòng)態(tài)飛行，在開放的戶外環(huán)境中進(jìn)行了高達(dá)20m/s的飛行，位置誤差約為3%。

此外，德國München工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種低成本無人機(jī)，可在沒有GPS的環(huán)境中進(jìn)行視覺導(dǎo)航，不需要人工地標(biāo)或環(huán)境的先驗(yàn)知識(shí)，系統(tǒng)由單目即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）系統(tǒng)、擴(kuò)展Kalman濾波器和用于生成轉(zhuǎn)向指令的PID控制器組成，實(shí)現(xiàn)了4.9cm（室內(nèi)）和18.0cm（室外）的平均精度）。美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）提出了一種通用的面向行星著陸的地形相對(duì)導(dǎo)航方案，試驗(yàn)結(jié)果表明該方案的導(dǎo)航精度優(yōu)于10m。在此基礎(chǔ)上，NASA開發(fā)了著陸器視覺系統(tǒng)。

3.3 數(shù)據(jù)庫匹配導(dǎo)航

數(shù)據(jù)庫匹配技術(shù)主要包括景象匹配定位技術(shù)、地形地貌匹配技術(shù)、地圖匹配技術(shù)、重力匹配技術(shù)、地磁匹配技術(shù)等。

重力匹配技術(shù)方面，側(cè)重發(fā)展低漂移、高精度的重力傳感器以提高水下動(dòng)態(tài)重力測量精度，設(shè)計(jì)新的多傳感器數(shù)據(jù)融合方案完成重力儀的水下定位。日本Tokyo大學(xué)利用了Micro-G Lacoste公司新式的重力儀L＆RS-174，用自主式水下航行器較大范圍測量的重力數(shù)據(jù)重復(fù)精度可達(dá)0.1mGal，重力場的空間分辨率可達(dá)75m。

地形地貌匹配技術(shù)方面，Draper實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種地形相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)于2019年9月11日在California的Mojave沙漠通過裝載在Masten空間系統(tǒng)公司的Xodiac火箭上進(jìn)行了測試。

地磁匹配技術(shù)方面，迫切需要精確的地磁場模型和地磁圖制備技術(shù)。2019年，韓國先進(jìn)科技研究院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST）提出了一種結(jié)合兩個(gè)對(duì)稱卷積網(wǎng)絡(luò)（CNN）和歸一化互相關(guān)（NCC）的最新方法，最佳和最差地磁剖面的平均匹配率在98.6%以上。

3.4 仿生導(dǎo)航

仿生導(dǎo)航技術(shù)已開展了仿生光流、偏振光、類腦和地磁導(dǎo)航等方向的研究，在算法和器件上還有很大的發(fā)展空間。受器件靈敏度、加工工藝與材料的限制，仿生導(dǎo)航的穩(wěn)定性和靈敏度還達(dá)不到較高水平，未來可利用生物基因工程與微納加工制造技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有的仿生導(dǎo)航器［7］。

仿生光流方面，美國Minnesota大學(xué)的研究人員于2019年介紹了一種自適應(yīng)光流算法。通過逐步使用更多部分的圖像信息，在不利條件下（如在黑暗、無紋理地板上飛行時(shí)）精確地估計(jì)了四旋翼飛行器的水平速度，提高了精確度。

偏振光導(dǎo)航方面，日本Tokyo工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了非正交結(jié)構(gòu)的小型偏振光導(dǎo)航傳感器，與磁傳感導(dǎo)航水平相當(dāng)，回遠(yuǎn)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)誤差為0.5m（大約在 4m×2m范圍內(nèi)）。法國Aix-Marseille大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種仿生天體羅盤應(yīng)用于螞蟻機(jī)器人的自主導(dǎo)航方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，穩(wěn)態(tài)航向誤差為0.3°（晴天）～1.9°（多云），這種新的光學(xué)羅盤適用于自主領(lǐng)域機(jī)器人導(dǎo)航任務(wù)。德國Würzburg大學(xué)的Jundi團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)偏振信息被編碼在糞甲蟲的視神經(jīng)葉、前視神經(jīng)結(jié)節(jié)、球莖和中央復(fù)合體（紅色通道和紅色大腦區(qū)域）中，在中央復(fù)合體處理后，信息被傳遞到胸神經(jīng)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制中心的下降神經(jīng)元，接著糞甲蟲中央復(fù)合體的擬議信息流與其他昆蟲的信息流一致。

3.5 量子導(dǎo)航

量子傳感技術(shù)極限精度高，且體積減小后的精度衰減小，可利用量子導(dǎo)航等新型導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航轉(zhuǎn)型。根據(jù)定位方式的不同，在衛(wèi)星有源導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性無源導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上分別發(fā)展出了量子有源導(dǎo)航系統(tǒng)和量子無源導(dǎo)航系統(tǒng)：量子有源導(dǎo)航系統(tǒng)采用發(fā)射和接收量子信號(hào)的方法，定位過程通常使用衛(wèi)星作為信號(hào)源；量子無源導(dǎo)航系統(tǒng)使用量子傳感器設(shè)備進(jìn)行定位，不需要外部信號(hào)，通常通過檢測加速度來定位［8］。

量子有源導(dǎo)航中，需重點(diǎn)關(guān)注的有光子糾纏態(tài)的制備，捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)及技術(shù)，量子時(shí)鐘同步技術(shù)等。其中，量子態(tài)精確操控與全局糾纏的研究成果表明，目前可實(shí)現(xiàn)5量子態(tài)全局糾纏，可精確操控20個(gè)量子態(tài)并實(shí)現(xiàn)量子糾纏［8］。

量子無源導(dǎo)航中，原子陀螺、加速度計(jì)和原子鐘是量子無源導(dǎo)航系統(tǒng)的核心模塊，它們的性能直接影響著系統(tǒng)的定位性能。美國將芯片級(jí)原子鐘作為十大未來先進(jìn)技術(shù)之一予以優(yōu)先支持，并制定了10年的發(fā)展計(jì)劃。目前，美國Symmetricom公司生產(chǎn)的芯片級(jí)原子鐘產(chǎn)品功耗為125mW，體積為16cm3，頻率穩(wěn)定度約為3×10-10τ-1/2。英國帝國理工學(xué)院開發(fā)了一種基于冷原子的加速度計(jì)，穩(wěn)定性比傳統(tǒng)的高約1000倍，并作為了潛艇量子導(dǎo)航系統(tǒng)的一部分。在DARPA的ACES計(jì)劃支持下，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、NIST研究院與Honeywell公司三個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新一代芯片級(jí)原子鐘在性能優(yōu)化上取得突破性進(jìn)展，關(guān)鍵性能參數(shù)提高了1000倍［9］，具體如圖9所示。隨著原子慣性傳感器精度的不斷提高，由此類傳感器構(gòu)成的慣性系統(tǒng)精度有望達(dá)到5m/h的近地導(dǎo)航極限精度。

圖9 ACE計(jì)劃下三個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究過程與結(jié)果Fig.9 Research process and results of the three teams under the ACE program

3.6 全源導(dǎo)航

全源導(dǎo)航就是利用所有可利用的導(dǎo)航信息源為用戶提供衛(wèi)星信號(hào)拒止時(shí)的高精度PNT功能，滿足不斷變化的任務(wù)需求與環(huán)境要求，實(shí)現(xiàn)低成本、快速系統(tǒng)重構(gòu)、在線配置和即插即用的新興組合導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)以慣性導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)，通過天文、無線電、相機(jī)、磁力計(jì)和電臺(tái)等多種輔助傳感器信息集成融合協(xié)同，利用所有可能利用的導(dǎo)航信息源，包括慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、協(xié)同導(dǎo)航等，形成能克服單一導(dǎo)航系統(tǒng)缺點(diǎn)和弊端的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的容錯(cuò)性與自適應(yīng)性。全源導(dǎo)航定位涉及到光、電、磁、力、聲等跨域幾十種傳感信息，各傳感器信息的數(shù)學(xué)模型、時(shí)空基準(zhǔn)、噪聲類型、質(zhì)量和一致性等均存在差異，且信息表征隨外界環(huán)境和時(shí)間不斷變化，如何實(shí)現(xiàn)各傳感器信息的智能融合是全源導(dǎo)航必須解決的科學(xué)問題。與單一導(dǎo)航技術(shù)相比，這種自主性的導(dǎo)航技術(shù)將是未來智能導(dǎo)航的發(fā)展方向。

2010年，全源導(dǎo)航的概念正式被提出。美國DARPA設(shè)立了全源導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)劃，該項(xiàng)目分為三個(gè)階段實(shí)施，分別致力于導(dǎo)航算法與軟件架構(gòu)、系統(tǒng)集成與方案測試以及演示驗(yàn)證等方面的研究。美國Massachusetts理工學(xué)院（MIT）開展了基于三叉樹的傳感器最優(yōu)子集在線選擇方法研究，實(shí)現(xiàn)了傳感器的有效利用并提高了組合導(dǎo)航精度。美國Georgia理工學(xué)院研究了基于因子圖的多源信息融合算法，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)擴(kuò)展Kalman濾波器更高的精度。美國Stanford大學(xué)重點(diǎn)研究了導(dǎo)航系統(tǒng)故障診斷試驗(yàn)平臺(tái)，完成了系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證。據(jù)DARPA在2019年6月公布的最新結(jié)果顯示，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（Air Force Research Laboratory，AFRL）采用慣性、攝像頭、磁力計(jì)等傳感器，在衛(wèi)星拒止環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了20m的定位精度，并在艦艇、飛機(jī)、車輛上完成了演示［10］，如圖10所示。

圖10 ASPN計(jì)劃試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Test results of ASPN program

4 技術(shù)展望

科技影響戰(zhàn)爭模式，國防促進(jìn)科技發(fā)展。第三次科學(xué)革命促成第四次工業(yè)革命，同時(shí)萌發(fā)了第四次物理學(xué)革命，形成了以大數(shù)據(jù)、人工智能和量子、量子糾纏為標(biāo)志的現(xiàn)代高科技，空間探測、空間競爭和空間安全、未來戰(zhàn)爭新常態(tài)和太空競爭經(jīng)濟(jì)新趨勢已見端倪，多維大跨域、立體交叉、高端博弈、無人智能多信息融合、協(xié)同精確打擊和快速多源多模式能量對(duì)抗新的戰(zhàn)爭模式已經(jīng)形成。加上美國第三次抵消戰(zhàn)略的影響，體系協(xié)同一體化適應(yīng)未來戰(zhàn)爭體系信息化、跨越高速多源化適應(yīng)未來戰(zhàn)爭立體多維化、自主小型平臺(tái)化適應(yīng)未來戰(zhàn)爭無人智能化裝備顛覆創(chuàng)新，給國防現(xiàn)代裝備的導(dǎo)航與控制、穩(wěn)姿與穩(wěn)向核心技術(shù)裝備提出了更高新要求。為此，應(yīng)充分發(fā)揮全源全系統(tǒng)全流程區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)集成運(yùn)算推演解算剖析、數(shù)字孿生虛擬仿真，發(fā)現(xiàn)新導(dǎo)航控制規(guī)律，科學(xué)優(yōu)化全系統(tǒng)指標(biāo)分配體系，創(chuàng)新導(dǎo)航控制新的基礎(chǔ)理論方法，提升全系統(tǒng)整體應(yīng)用性能精度。

1）作為PNT體系的基礎(chǔ)和主要信息源，GPS信號(hào)易受各種自然和人為干擾源的影響，軍用GPS制導(dǎo)武器可能受到干擾甚至欺騙，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)GPS的民用需求也不斷增長，將會(huì)對(duì)利用GPS保持PNT優(yōu)勢產(chǎn)生限制，只有持續(xù)提升GPS能力才能有效保障PNT服務(wù)。未來，美國、俄羅斯、歐盟、日本等國家和地區(qū)將持續(xù)推進(jìn)導(dǎo)航衛(wèi)星的研發(fā)與部署，不斷提升導(dǎo)航系統(tǒng)精度。此外，為確保GPS拒止環(huán)境下的導(dǎo)航功能，各個(gè)國家也在積極開發(fā)新型導(dǎo)航技術(shù)及相關(guān)替代導(dǎo)航技術(shù)。

2）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是人工智能信息敏感、操控、制導(dǎo)之源頭，是國防裝備精確打擊的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)子式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)過以兩?。p小摩擦力、減小體積）一高（提高精度）為終極目標(biāo)、六代九種模式的不斷進(jìn)化，體積減小到原來的1/60，摩擦力減小到原來的1/150，精度提高4～5個(gè)數(shù)量級(jí)，但是其復(fù)雜程度和工藝實(shí)現(xiàn)難度也相應(yīng)提高了幾十倍。至此，光學(xué)、波動(dòng)式、量子慣性產(chǎn)品已成趨勢，主導(dǎo)著導(dǎo)航控制的今天和未來。因此，在應(yīng)用挖掘好光學(xué)、波動(dòng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，著力新型量子及量子糾纏技術(shù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和光動(dòng)力懸浮力學(xué)疊加技術(shù)慣性產(chǎn)品研究，適應(yīng)未來新一代高科技高要求導(dǎo)航。

3）在衛(wèi)星導(dǎo)航拒止和極端復(fù)雜環(huán)境任務(wù)剖面下，無源慣性基導(dǎo)航系統(tǒng)依然是高精度導(dǎo)航的根基，必需在追求儀表精度基礎(chǔ)上，正確認(rèn)識(shí)慣性平臺(tái)系統(tǒng)和慣性捷聯(lián)系統(tǒng)的各自優(yōu)勢，同時(shí)積極發(fā)展新型慣性平臺(tái)系統(tǒng)和以慣性導(dǎo)航為基礎(chǔ)的多信息融合、多源復(fù)合導(dǎo)航系統(tǒng)。大量異類傳感器信息整合，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種不同的導(dǎo)航方式都存在自身缺陷。因此，全源導(dǎo)航系統(tǒng)必須融合多種異類傳感器信息，必須有復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)和多模式算法軟件的銜接支撐，必須有各導(dǎo)航系統(tǒng)重新配置和即插即用結(jié)構(gòu)支撐，必須有多種復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。

4）組合導(dǎo)航系統(tǒng)誤差建模與評(píng)估、在線重構(gòu)框架及算法、系統(tǒng)智能主動(dòng)容錯(cuò)處理的多任務(wù)剖面要求能夠處理復(fù)雜環(huán)境實(shí)時(shí)應(yīng)用和不同故障模式下導(dǎo)航系統(tǒng)故障傳播機(jī)理分析與判別，以提高容錯(cuò)結(jié)構(gòu)對(duì)干擾的自適應(yīng)性，保證導(dǎo)航系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性、連續(xù)性、抗干擾性和高精度的導(dǎo)航性能。

5）沒有測量就沒有科學(xué)，測量檢測和試驗(yàn)驗(yàn)證是高精密導(dǎo)航設(shè)備性能保證的基礎(chǔ)，是導(dǎo)航設(shè)備數(shù)字誤差模型擬合迭代修正改進(jìn)提升的橋梁，是完善驗(yàn)證誤差模型的必需。要重視超高精度檢測試驗(yàn)，同時(shí)要注重多項(xiàng)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)的理論方法，要注重誤差激勵(lì)機(jī)理、試驗(yàn)手段和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系的完善及研究。

5 結(jié)論

導(dǎo)航技術(shù)已成為人類全方位活動(dòng)的重要支撐，是現(xiàn)代工業(yè)數(shù)字化、智能化的基礎(chǔ)，更是現(xiàn)代國防裝備精確打擊的關(guān)鍵。世界航天已進(jìn)入大規(guī)模進(jìn)出空間和地月空間經(jīng)濟(jì)的新時(shí)代，精確可靠的導(dǎo)航技術(shù)是保證航天運(yùn)輸、重復(fù)使用航天運(yùn)載系統(tǒng)和未來可學(xué)習(xí)可訓(xùn)練智能航天器安全入軌及精準(zhǔn)返回的重要技術(shù)途徑。應(yīng)重視創(chuàng)新發(fā)展導(dǎo)航定位和控制技術(shù)，尤其是無源慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性基多信息融合和多源復(fù)合導(dǎo)航定位控制系統(tǒng)以及量子導(dǎo)航等新型導(dǎo)航系統(tǒng)。