對導航標準體系建設的若干思考

徐 瑞，朱筱虹，趙金賢

(北京環球信息應用開發中心，北京100094)

對導航標準體系建設的若干思考

徐 瑞，朱筱虹，趙金賢

(北京環球信息應用開發中心，北京100094)

導航是現代社會必不可少的信息技術。建立導航標準體系是導航標準化建設的重要內容，是導航產業化發展的前提。明確了導航標準體系的概念和建立范疇，提出導航標準體系的設計原則，在此基礎上給出導航標準體系的建立方法，對建立導航標準體系有一定的參考意義。

導航;標準;標準體系

一、引 言

導航是一種為運動載體航行提供連續、安全和可靠的定位服務的技術，其最基本的要素是載體的實時位置(坐標)、運動速度、運動方位(航向)或已運動的距離等［1-2］，而位置、速度和時間信息表達了物體運動的基本狀態，是信息化的基本要素。現代信息社會中85%的信息要求具有位置、速度和時間屬性。因此，導航是人類從事政治、經濟和軍事活動所必不可少的信息技術［2］。

近年來，隨著各種先進導航技術的不斷涌現和發展，各行各業對導航技術的依賴日益明顯。導航技術本身也呈現出飛速發展的勢頭，取得了顯著的社會效益和經濟效益。特別是在維護國家利益、實施國家發展戰略中，導航技術也發揮了重要作用。當導航產業百花齊放、百鳥爭鳴時，完善的標準體系至關重要［3］。然而，導航作為一個多學科交叉與融合的技術領域，涉及的標準相當繁雜。目前出臺的標準相對零散、薄弱，遠未形成完整的標準體系。同時，現有標準的推廣應用水平也十分有限，不但抑制了國內導航系統的發展，也抑制了多導航系統的綜合應用，阻礙了國內導航應用產業的發展［4］。當前，建立健全導航標準體系是導航體系建設的核心任務之一。

迄今為止，對導航標準體系的研究仍處在起步階段，導航標準體系尚屬空白［4］。本文從導航標準體系的概念入手，首先明確了導航標準體系的建立范疇;其次總結了導航標準體系的特點，進一步指出了導航標準體系的設計原則;最后給出了建立導航標準體系的具體方法，旨在為導航標準化建設梳理思路。

二、導航標準體系的概念和范疇

導航標準體系是導航領域內的各標準按其內在聯系形成的科學的有機整體，它包含標準體系結構、標準涉及的范圍，標準體系內各項標準之間固有的關系等。

本文首先從系統的角度討論導航標準體系的建立范疇，如圖1所示。

圖1 導航標準體系的建立范疇——系統角度

如圖1所示，目前的導航系統可分成自主式和非自主式兩類［2，5］。自主導航是指完全依靠所載設備，自主地完成導航任務，與外界不發生任何光、電聯系，它包含四個要素，即獨立、實時、無輻射、不依靠地面設備的導航。而非自主導航必須依賴其與外界的某種聯系或某種觀測而實現的導航。根據自主導航采取的不同手段，又可劃分成推算導航、匹配導航和天文導航三類。推算導航是通過推算一系列測量的速度增量來確定目標位置的一種自主導航方法，包括航位推算和慣性導航兩種。航位推算［6-7］是最常用的車輛定位技術，它利用方位傳感器和距離傳感器提供的方位角和位移推算出車輛的位置;慣性導航［8-10］是通過對安裝在穩定平臺(物理或數學的)上的加速度輸出進行積分來確定載體的位置和速度，它的應用領域非常廣泛，可用于空間、航空、陸地、海上和水下。推算導航系統的優點是自主性強，其缺點是定位誤差會隨時間累積。

匹配導航是一種輔助導航手段，它采取導航信息匹配技術與載體已經存在的導航數據進行匹配以估算出載體的位置信息，滿足不同載體的導航定位需求。根據目前匹配導航技術的發展，主要包括地形匹配、景象匹配、地磁匹配和重力匹配等四種匹配導航技術。地形匹配導航［11-12］是利用測得的高度與地形數據庫中的數據進行航路地形匹配導航，通常裝備在低空作戰的運動載體上。地形匹配導航與慣性導航組合，可以利用地形信息校正慣導的積累誤差。景象匹配導航［13］是利用紅外、近紅外、可見光、SAR雷達等光電傳感器拍攝實時地面圖像，然后與標準圖像數據庫進行匹配來得到載體的位置和航向信息，適合于超低空飛行的飛行器導航或導彈末制導。地磁匹配［14］是利用地磁傳感器實時測量某區域的地磁數據，從載體的地磁數據庫中查找相應的預先存儲好的地磁圖數據(包括該區域的經緯度信息和地磁場特征信息)，利用匹配算法估計出載體的位置信息。重力匹配［15］是利用重力傳感器實時測量重力特征數據并與載體中已經存在的重力數據及其相應的位置信息進行匹配，利用匹配解算軟件，求得最佳匹配位置，重力匹配導航通常輔助慣性導航，來校正慣導的累積誤差。

天文導航［16］是以太陽、月球、行星和恒星等自然天體作為導航信標，以天體的地平坐標(方位或高度)作為觀測量，進而確定測量點地理位置(或空間位置)及方位基準的技術和方法。天文導航不需要設置專門的導航信息源，但因其導航信息源在載體之外，有時又將其稱為半自主式導航，根據目前天文導航技術的發展情況，主要包括星體觀測和脈沖星導航［17］。星體觀測主要是以恒星作為導航信標來測定飛行器位置和航向。脈沖星導航是以脈沖星為導航信標的天文導航手段，脈沖星是太陽系以外的遙遠天體，它們的位置坐標，猶如恒星星表一樣構成一種高精度慣性參考系;脈沖星可以提供絕好的空間參考基準和時間基準，所以脈沖星是空間飛行器的極好的天然導航信標。

非自主導航目前指的就是無線電導航。根據導航臺所處的不同位置，將無線電導航進一步劃分成地基無線電和星基無線電導航［2］。如果導航臺設在陸上或艦上，稱為地基無線電導航;如果導航臺設在人造衛星上，稱作衛星導航。目前，地基無線電導航主要有無線電信標、羅蘭、伏爾、多普勒、塔康、儀表著陸和微波著陸系統等;衛星導航系統主要有美國的GPS系統、俄羅斯的GLONASS系統、歐洲的 Galileo系統、我國的區域導航系統以及WAAS廣域增強、LAAS局域增強等衛星增強系統［18-19］。

歸納上述各種導航系統的根本出發點是如何科學有效地應用各類導航系統，滿足不同用戶的導航需求。因此，有必要從用戶角度給出導航體系范疇，如圖2所示。

從用戶應用的角度來看，可以得到以下兩點啟示：①由于各種導航系統或手段都有各自特定的應用背景以及各自固有的缺點，在具體應用過程中，最好是將多種導航系統組合起來，發揮各系統的優勢，從而更好地滿足用戶的導航定位需求。組合是導航系統應用發展的重要趨勢，因此，組合導航的發展趨勢必然要求與之配套的標準體系。② 導航的應用已經從只提供導航定位信息為主，轉變為以移動通信和互聯網等信息載體融合提供導航定位服務的新階段，使導航的應用領域不斷擴大，應用水平不斷提高。因此，在建立導航標準體系時，也不能忽略與之相關聯的標準。

從系統角度和用戶角度不難看出，不同的應用應有不同的標準體系。顯然，無論是自主導航、非自主導航或多系統組合導航都必須有相互協調的、便于綜合應用的標準體系。

三、導航標準體系的特點

1.結構性

根據導航標準體系的建立范疇，導航標準體系內的標準按其內在聯系分類排列，就形成了標準體系的結構形式。導航標準體系的基本結構形式主要有層次結構和過程結構。標準體系的層次結構通常反映標準對象的隸屬或包含關系。導航體系的層次結構決定了相應標準體系的層次結構。例如，各種導航產品通常由大的部件組成，各部件又由許多關鍵件和零件組成，其產品結構通常表現為產品、關鍵件、零件三個層次，因此相應的導航產品標準可分為產品標準、關鍵件標準和零件標準。標準體系的過程結構通常反映標準對象的活動過程和順序關系。標準對象的過程結構決定了標準體系的過程形式。

圖2 導航標準體系的建立范疇——用戶角度

2.協調性

導航標準對象的內在聯系決定了標準體系內各項標準的相關性。制定和修改其中任何一個標準都必須要考慮對其他各相關標準的影響。導航標準體系的相關標準必須協調、相互配合、避免相互矛盾。

3.完整性

按導航標準對象的內在聯系形成的標準整體并非是個體標準的簡單相加。對一個孤立的標準，人們往往關注該標準提出的具體要求是否合理，當把該標準置于標準體系之中后，人們才能看出，要實現該標準規定的要求，需要其他一系列標準與之配合，如果標準體系不完備，該標準所規定的要求最終將難以實現。

四、導航標準體系的設計原則

根據導航標準的應用范疇和導航標準體系的三個特點，在構建導航標準體系時，應遵循如下基本原則。

1.結構性原則

該原則強調整套導航標準體系必須具備合理的結構和層次。導航體系本身有其結構性和層次性，各系統既有層次結構，又有過程結構;即使某個系統內部，也依然是層次結構和過程結構的有機體。合理的結構是指標準架構要完備，結構要嚴謹;合理的層次是指，無論大的組合導航系統，或單一的導航子系統，甚至關鍵件或零部件，必須劃分合理，層次分明，并構成一個相對完整、有機的整體。

2.協調性原則

該原則強調的是在制定標準體系時，體系內的各項標準要相互配合，制定和修改其他任何一項標準都必須要考慮到對其他各相關標準的影響;不但要考慮體系中每種導航系統內部的標準，理清各個導航系統內部的標準體系，而且也不能忽視各導航系統之間組合和信息融合方面的相關標準，否則標準與標準之間即可能出現矛盾。

3.完整性原則

導航技術是多學科技術的融合，它同航天、電子、通信、測繪等行業間都有著密切的聯系，因此在設計導航標準體系時要充分考慮其跨行業的特點。為尋求完整性，設計導航標準體系時，要充分考慮與其他相關聯標準的聯系，如移動通信和互聯網等信息載體融合方面的標準。此外，如有需求，某些相關行業的標準可以直接納入導航標準體系中。

五、導航標準體系的建立方法

目前，標準體系的建立方法主要有以下兩種：

1)從局部到整體的建立方法［20］，該方法指的是根據實際需要制定急需的標準，再根據新的需要增加新標準，漸漸形成一個小體系。隨著標準化目標的擴展，又會開發出新的標準化領域，產生新的小體系以及與許多小體系相關聯的基礎標準、管理標準等。這些實施中的標準和局部的體系又在實踐中接受檢驗，并根據客觀要求，不斷調整、修改、補充、完善。這個過程是無止境的，很難說到哪一天標準體系就徹底建成了。它實際上是一個由不成體系的少數標準到足夠數量標準的累積過程;由標準之間聯系不很密切到聯系更加緊密的調整和完善過程。

2)從整體到局部［20］，該方法首先確立標準化目標，同時規劃、設計實現該目標所需要的全套標準，然后，根據總體設計，制定出全部所需標準，并形成具有一定規模、具備一定功能的標準體系。如果標準體系的目標不明確，僅為建體系而建體系，將會導致標準之間協調不足或根本不協調。體系建得越快，協調越不充分;體系越龐大，需要協調的因素越多，難度越大，遺留的隱患就越多。結果是體系越龐大，癱瘓越快，壽命越短。從整體到局部的體系建設對于有限目標和小范圍的局部標準體系是可行的。標準體系的覆蓋面越寬，體系的要素越多、要素的更新越頻繁，采用這種途徑越困難。

考慮到導航標準體系的復雜性，標準體系的建設很難一步到位，而且標準體系的建立也是一個逐步協調、逐步完善的過程。因此，導航體系標準也應遵循局部到整體、循序漸進的方法。

在采用從局部到整體的方法建立導航標準體系時，首先要梳理現有標準，即分析國內外導航領域中各個導航系統已經制定和頒布的標準，理清各導航系統的標準現狀。其次，要建立導航領域中各導航系統的分標準體系。對于發展較成熟的導航系統，如果其標準已成規模并能夠形成一定體系，就按照已經形成的體系來歸納該導航系統的標準體系，并根據其相關技術的發展趨勢，補充該系統內急需制定的標準。對于尚在發展中的導航系統，如果其標準很少，相關標準不成規模，就根據目前及將來一個時期內該導航技術領域的發展趨勢，預測其相關標準并建立標準體系。再次，根據組合導航目前技術的發展，給出各導航系統之間組合和信息融合方面標準的建議;同時，在導航技術與網絡技術融合方面，給出標準制定的建議。最后，在給出的各導航系統分標準體系及組合導航和通信融合等方面標準建議的基礎上，找出共性，給出整個導航領域的標準體系結構。當然，這樣建立起來的整個導航標準體系不見得嚴密無縫、完全配套，還需要在長期的生產應用中不斷改進和完善。

六、總結與展望

隨著導航技術的進步，導航領域中涉及的各種導航系統仍在不斷淘汰和發展中，因此，導航標準體系的建立仍然是一個不斷更新、改進和完善的動態過程。本文明確了導航標準體系的建立范疇，討論了導航標準體系的建立方法，對導航標準化工作進行了有益的探索。可以預見，隨著導航標準體系的不斷完善，我國導航標準化建設將逐步向前推進，將促進整個導航產業規范、科學和良性發展。

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Some Considerations for Establishing the Standard Structure of Navigation Systems

XU Rui，ZHU Xiaohong，ZHAO Jinxian

0494-0911(2010)11-0011-04

P228

B

2010-08-25

徐 瑞(1980—)，女，北京人，博士，工程師，主要從事衛星導航專業總體研究。