論導(dǎo)航控制原理及技術(shù)要點(diǎn)分析

劉立紅

摘要：導(dǎo)航的本意是引導(dǎo)運(yùn)載體安全地航行，即將運(yùn)載體從一個地方安全的引導(dǎo)到另一個地方的過程。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它的概念逐漸豐富，各種標(biāo)志著近代、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多運(yùn)載工具，諸如飛機(jī)、火箭、核潛艇、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等的相繼出現(xiàn)，大大擴(kuò)展了“導(dǎo)航”的概念，除了保證載體的航行安全外，還需要為載體及內(nèi)部如測量、武器、監(jiān)視等系統(tǒng)提供精確的定向、定位、速度等信息。導(dǎo)航技術(shù)已深入到人類生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，其長期穩(wěn)定地提供服務(wù)是國家正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航控制;原理;技術(shù)要點(diǎn)

引言

近年來，導(dǎo)航技術(shù)不斷發(fā)展，各種導(dǎo)航系統(tǒng)之間融合逐漸加深，導(dǎo)航技術(shù)與其他新興技術(shù)的結(jié)合也日益豐富。我國導(dǎo)航系統(tǒng)在高端技術(shù)領(lǐng)域與西方國家還存在差距，我們應(yīng)正視差距，加大力度發(fā)展高端導(dǎo)航技術(shù)，為我國軍事和民用導(dǎo)航需求提供保障。

1導(dǎo)航控制原理

1.1慣性導(dǎo)航

從本質(zhì)上講，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的原理是指運(yùn)用慣性加速度計(jì)在三個彼此垂直的方向中測量出導(dǎo)彈質(zhì)心運(yùn)動的加速度分量，并在提供運(yùn)動初始條件的基礎(chǔ)上，運(yùn)用制導(dǎo)計(jì)算機(jī)得到載體的速度、位置以及距離等信息，并明確導(dǎo)彈在不同時刻的坐標(biāo)值和速度值。結(jié)合給定的初始條件（初始位置、速度矢量等）和已知數(shù)據(jù)（重力、時間等）解算及提供導(dǎo)航參數(shù)的導(dǎo)航方式。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，能夠在全天候條件下，在全球范圍內(nèi)的陸地、空中和水下的任何環(huán)境中自主、隱蔽地獲得運(yùn)載體的三維運(yùn)動方向和位置信息，其自主性、隱蔽性和輸出參數(shù)全面的特點(diǎn)是衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航和天文導(dǎo)航等其他導(dǎo)航系統(tǒng)無法比擬的。同時，還要運(yùn)用陀螺儀檢測出載體的角運(yùn)動，并在轉(zhuǎn)換和處理下得到載體的姿態(tài)和航向。將上述數(shù)值和理論飛行軌跡的對應(yīng)數(shù)值進(jìn)行對比分析，就能在發(fā)現(xiàn)偏差數(shù)值的同時進(jìn)行合理調(diào)整。

1.2 GPS導(dǎo)航定位

GPS是運(yùn)用衛(wèi)星進(jìn)行測量和導(dǎo)航的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其在導(dǎo)彈導(dǎo)航控制系統(tǒng)中應(yīng)用的最早，且具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性。衛(wèi)星導(dǎo)航利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行定位及導(dǎo)航，能在地球表面或近地空間為用戶持續(xù)地提供全天候的三維位置、速度及時間信息。其導(dǎo)航誤差不隨時間積累，受氣候天氣影響較小。但是衛(wèi)星導(dǎo)航存在著動態(tài)響應(yīng)能力差、易受電磁干擾等缺點(diǎn)。衛(wèi)星導(dǎo)航伴隨著空間技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷地更新。一般來講，GPS包含了用戶接收系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及空間衛(wèi)星系統(tǒng)這三部分。其中，空間衛(wèi)星系統(tǒng)是指均衡分布在六個軌道平面上的二十四顆高軌道工作衛(wèi)星，各個軌道平面相對于赤道平面而言有50°度傾角。從空間系統(tǒng)來看，所有衛(wèi)星每12小時就會沿著圓形軌跡繞地球一周，并運(yùn)用星載高精度原子鐘來管控?zé)o線電發(fā)射機(jī)的工作，可以確保其進(jìn)行持續(xù)且實(shí)時的導(dǎo)航定位。這一導(dǎo)航定位系統(tǒng)向用戶提供的導(dǎo)航電文屬于不歸零的二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼，碼率為50赫茲。此時為了降低衛(wèi)星消耗電能，提高GPS信號的嚴(yán)謹(jǐn)性和抗干擾性，GPS需要運(yùn)用偽噪聲碼將不歸零的二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼轉(zhuǎn)變?yōu)镻碼或C/A碼兩種類型。在實(shí)際控制操作時，GPS衛(wèi)星定位技術(shù)最重要的就是對衛(wèi)星所在位置和用戶所在位置的計(jì)算。

1.3地形匹配導(dǎo)航

這一系統(tǒng)主要用于處理導(dǎo)彈巡航期間的輔助導(dǎo)航定位，實(shí)際精度可以達(dá)到幾十米，且不會受光照條件、氣候變化以及季節(jié)等因素的影響，最常用于丘陵地區(qū)，屬于自主是導(dǎo)航系統(tǒng)。因?yàn)檫@一系統(tǒng)技術(shù)具有極強(qiáng)的隱蔽性，所以很難在實(shí)踐操作中被發(fā)現(xiàn)或受干擾，同時這一系統(tǒng)有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，因此不會受地面建筑或四季變化所影響，且很難在導(dǎo)航匹配期間出現(xiàn)不必要的難題。另外，由于地球表層的地形和道路等跌宕起伏彼此交錯，且相關(guān)數(shù)據(jù)信息很難被及時發(fā)現(xiàn)，所以在設(shè)計(jì)導(dǎo)航控制系統(tǒng)時，就運(yùn)用了地形輪廓來明確飛行器所處區(qū)域的地理位置，這也是地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)所遵循的運(yùn)行原理。

2導(dǎo)航技術(shù)要點(diǎn)分析

2.1重力導(dǎo)航技術(shù)

重力導(dǎo)航是指利用載體重力/重力梯度傳感器實(shí)時測量載體所在重力場，并通過重力圖匹配實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的技術(shù)手段。采用重力圖匹配技術(shù)，可將導(dǎo)航系統(tǒng)誤差降低至導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)稱誤差的10%。重力導(dǎo)航的發(fā)展趨勢是重力傳感器向高精度、小體積和輕質(zhì)化方向發(fā)展，系統(tǒng)向通用化方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域從最初的彈道導(dǎo)彈核潛艇逐漸擴(kuò)展到航空、陸地車輛和地質(zhì)勘探等。

2.2天文導(dǎo)航技術(shù)

天文導(dǎo)航是指已知準(zhǔn)確空間位置的、不可毀滅的自然天體為基準(zhǔn)，并通過廣電或射電方式被動探測天體位置，結(jié)算測量點(diǎn)經(jīng)緯度、航向和姿態(tài)等信息的技術(shù)手段，具有被動式隱蔽測量、全自主導(dǎo)航、定位定向精度較高、誤差不隨時間積累的特點(diǎn)。天文導(dǎo)航的發(fā)展趨勢是向以X射線脈沖星為代表的新型天文導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)展。X射線脈沖星是中子星，與其他自然資源發(fā)射穩(wěn)態(tài)輻射不同，脈沖星可以發(fā)送短暫、重復(fù)的能量脈沖。對于快速旋轉(zhuǎn)的中子星，其旋轉(zhuǎn)軸與磁極不對稱，這種錯位導(dǎo)致他們的信號強(qiáng)度隨著脈沖星的旋轉(zhuǎn)而變化，從而提供高度穩(wěn)定的時間相關(guān)信號，可用于精確計(jì)時和導(dǎo)航。

2.3景象匹配導(dǎo)航技術(shù)

景象匹配導(dǎo)航技術(shù)是指利用載體高分辨率雷達(dá)或光電圖像傳感器實(shí)時獲取地面景物圖像，與預(yù)先存儲的二維景象數(shù)字地圖比較，確定載體位置的技術(shù)手段，尤其在景象特征明顯的區(qū)域有著較高的定位精度。基于合成孔徑雷達(dá)（SAR）的景象匹配導(dǎo)航技術(shù)日益成熟。SAR景象匹配導(dǎo)航利用實(shí)時SAR圖像信息與事先準(zhǔn)備好的數(shù)字地圖或景象信息進(jìn)行比較和辨識，從而確定載體的位置，具有圖像分辨率高、穿透屏蔽成像、適應(yīng)全天候和全天時導(dǎo)航應(yīng)用等特點(diǎn)。

2.4地磁導(dǎo)航技術(shù)

地磁導(dǎo)航是指利用載體磁場傳感器實(shí)時測量載體所在磁場，與地磁數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，進(jìn)而確定載體位置的技術(shù)手段。地磁導(dǎo)航具有無源、無輻射、全天候、全地域的特點(diǎn)，在航天器定軌、航空領(lǐng)域和水下自主導(dǎo)航等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。由于磁強(qiáng)計(jì)收集的總磁場是地球磁場和載體磁場的疊加，地磁導(dǎo)航的一大難題是如何將地球磁場從總磁場中分離出來。麻省理工學(xué)院人工智能加速器研究小組通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，使用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從總磁場中去除飛機(jī)磁場，所得的地磁導(dǎo)航定位精度可精確到10m。并且美國空軍正在與麻省理工學(xué)院合作，空軍領(lǐng)導(dǎo)人在開放研究社區(qū)共享他們的數(shù)據(jù)集，以對人工智能改進(jìn)地磁導(dǎo)航提供幫助。

結(jié)束語

在新時代背景下，加強(qiáng)對巡航導(dǎo)彈及其技術(shù)原理等內(nèi)容的認(rèn)識和理解，注重應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)理念進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，不僅能全面提高導(dǎo)彈導(dǎo)航控制系統(tǒng)的應(yīng)用水平，而且可以進(jìn)一步加強(qiáng)我國國防力量。因此，科研學(xué)者要在整合以往工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，多學(xué)習(xí)和借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)理念，只有這樣才能按照預(yù)期目標(biāo)穩(wěn)步發(fā)展。

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