导航：定义和实践

广义的导航是指通过几何学、天文学、无线电信号等手段确定或者规划船舶、飞机的位置及航线的方法。“导航”主要包含两方面内容：一方面,确定运动体相对已知参考系的位置和速度；另一方面,规划和保持从一个地方到另一个地方的航线,回避障碍并避免碰撞。

广义导航的基本任务包括：

(1)引导载体进入并沿预定航线航行。

(2)引导载体在夜间和各种气象条件下安全着陆或进港。

(3)为载体提供准确、安全地完成航行任务所需的其他导引及情报咨询服务。

(4)确定载体当前所处的位置及航行参数。

本书讨论的导航属于一般狭义的导航。在本书中,定义狭义的“导航”为：为使运动载体到达目的地的导引工作提供实时的位置、速度和姿态等信息的一门技术。

为了更清晰地解释本书所介绍的“导航”的基本概念,接下来对“定位(Positioning)”的概念以及这两者之间的关系进行说明。

定位是指确定载体的空间位置坐标,而不包括速度和姿态。导航和定位之间的关系可以理解为：定位是导航的一个子集,导航是定位技术在现实中的一个应用。相对导航而言,定位的概念更加宽泛,其应用包含了导航、勘测、绘图、跟踪、监视、机械工程、地球科学、智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)等领域。(www.xing528.com)

定位技术有以下几种分类方法：

(1)实时定位和事后处理定位。事后处理定位技术在获取测量数据后,通常需要几小时甚至几天才能完成定位。然而,大部分导航应用场合需要实时定位,即在通过传感器获取数据后尽快计算出位置。

(2)静态定位和动态定位。固定对象的定位称为静态定位,运动对象的定位称为动态定位、移动定位或运动定位。导航要求动态定位,可以进一步将动态定位分为仅直接确定位置参数的技术、同时测量速度的技术,这两类动态定位是相关联的。

(3)自定位和远程定位。大多数导航采用自定位,在被定位的对象上完成定位计算。在远程定位中,定位计算在其他位置完成,并不要求与被跟踪的目标合作,这对于隐蔽性监视是有用的。

如何实现导航定位?导航定位的基本方法分为两类：直接定位；航位推算。

直接定位是采用可识别的外部信息(如信号或环境特征)来直接确定位置。其中,信号通常包括无线电信号、声波信号、超声波信号、光学或红外信号。环境特征包括建筑物、标志牌、道路、河流、地形高度、声音、气味甚至磁场和重力场的变化。这类方法通过将识别到的外部信息与数据库进行匹配来推测位置,或者通过地标来推测位置。

航位推算是在已知初始位置的基础上,通过测量行驶的行程和方向来确定当前的位置。惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)是一种完备的三维航位推算导航系统。