导航技术的发展历程和起源

下面根据导航技术实际应用于航海航空领域的时间顺序,大体上将导航的发展分成三个阶段进行简要介绍：原始导航阶段；近代导航阶段；现代导航阶段。

1.1.3.1　原始导航阶段

原始导航阶段以指南针和天文导航为主要代表。

1.指南针

春秋战国时期,我们的祖先就利用磁石的指极性制出了司南。在司南的制作中,由于天然磁石因打击受热容易失磁而不能广泛流传。直到宋代,有人发现了人造磁石,在长期的实践中制作出了指南鱼。后来,将指南鱼加以改进,把带磁的薄片改成带磁的钢针,就制作出了指南针。不久,这一伟大发明在阿拉伯海船上得到沿用,并被传至欧洲。

2.天文导航

为了确定船舶的位置,人们发明了通过观测星体来确定船舶位置的方法,叫作天文导航。在我国的古籍中有很多将天文应用于航海的记载,直到元明时期,我国的航海技术得到了很大的发展,突破了之前沿用的“夜观星、昼观日、阴观指南针”的航行方式。郑和七下西洋创造了世界航海史的奇迹,形成了一套“过洋牵星”的航海技术。所谓“过洋牵星”,是指用牵星板测量所在地的星辰高度,然后计算该地的地理纬度,以此测定船只的具体航向。这种技术代表了天文导航在15世纪初的世界水平。欧洲在15世纪出现了用北极星高度(或太阳中天高度)求纬度的方法,当时只能先南北向驶到目的地纬度,再东西向驶向目的地。16世纪出现了观测月距求经度的方法,但不准确,且计算冗杂。18世纪,六分仪的问世大大提高了准确性,天文钟的问世可以实现在海上用时间法求经度。1837年,美国船长T˙H˙萨姆那发现天文船位线,从此可以在海上同时测定船位的经度和纬度,这种方法奠定了近代天文定位的基础。1875年,法国海军军官圣伊莱尔发明了截距法,这种方法简化了天文定位线测定作业,被沿用至今。

1.1.3.2　近代导航阶段

无线电导航的发明标志着近代导航史的开端,近代陆基无线电导航逐渐成为航海航空的主要导航手段,然而这并不意味着其他导航技术的停用,例如,自主式导航(如惯性导航系统)仍在快速发展。因此,接下来将主要从无线电导航和惯性导航两方面来介绍近代导航的发展。

1.无线电导航

无线电导航首先在航海领域有了很大的发展。

19世纪,电磁波的发现直接推动了近代无线电导航系统的发展。在第一次世界大战期间,海上首先使用了无线电通信,与此同时,在海岸上开始为导航安装无线电信标台。20世纪20年代,声呐问世,它的工作原理与雷达相似,但使用的是超声波,将其安装在船的底部,船可以借此发现水下障碍物、潜艇或用来测绘海底地形图。1935年,法国首先在商船上装备甚高频(VHF)雷达,以观测海岸和附近的船只,用于近岸导航和船间避撞。1939年,德国在战舰上装备了VHF 雷达。在第二次世界大战中,美国的所有舰船上都安装了雷达。就航空而言,到20世纪20年代末出现了四航道信标、航空用的无线电信标、指点信标。截至第二次世界大战爆发,仅美国大陆就安装了312台四航道信标,无线电信标和指点信标的台数则更多,无线电导航已成为主要的导航方法。这是无线电导航的初级阶段,它使近海航海和区域航空有了较为可靠和精确的保障。

在第二次世界大战期间,出于军事上的需要,无线电导航得到飞速发展,出现了许多新系统。第二次世界大战后,在此基础上继续发展并形成了现在导航体制的基本格局。在第二次世界大战期间,从海用导航方面看,主要发明了罗兰-A(Loran-A)系统。罗兰-A系统使用脉冲信号,载频为1.6～1.9 MHz,作用距离达400 n mile^[1]。它能准确地给出船位,在使用上比海用无线电信标更方便,且定位精度更高。第二次世界大战后,台卡(Decca)系统广泛应用于英国和北欧区域的水域,这是一种双曲线系统,用比较相位的方法来测量信号的时间差,台卡系统主要用于船只导航,海用用户数约为155 000,其在直升机上也得到了一定程度的使用。

20世纪50年代末期,美国海岸警卫队研制成功了罗兰-C 导航系统,其脉冲载频在100 k Hz左右,作用距离达1 000 n mile。1975年,美国宣布罗兰-C为标准航海导航系统。

鉴于这些无线电导航系统都达不到全球覆盖的目的,在20世纪50年代中期,美国开始研制另一种导航系统,称为奥米伽(Omega)系统。它使用连续波信号,工作频率为10～14 k Hz,也是一种利用信号相位差的双曲线定位系统,分布在全球的8个导航台所产生的信号可覆盖全球。奥米伽系统虽然能做到全球覆盖,但由于电磁波传播受各种因素(其中包括太阳活动、地磁反常)的影响,因此其定位精度只能在2～4 n mile。另外,它还有多值性、数据更新率低、用户设备昂贵等缺点,美国最终在1997年9月30日决定关闭奥米伽台站。与此同时,无线电导航系统在航空领域也得到了快速发展。

第二次世界大战及战后,航空无线电导航取得了巨大的发展。于1941年出现并在1947年被国际民航组织定为标准的仪表着陆系统(Instrument Landing System,ILS)与在第二次世界大战后开始使用的精密进场雷达(Precision Approach Radar,PAR),使飞机进近与着陆成为一个单独的空中航行阶段。(www.xing528.com)

1978年,国际民航组织一致决定,采用时间基准波束扫描体制的MLS(Microwave Landing System,微波着陆系统)作为新型的标准飞机着陆引导系统。MLS引导精度高,可用性和完好性高,易于达到高等级着陆标准,覆盖区域广(可达方位角±60°,仰角0°～15°),可用于各种类型飞机的着陆引导,也便于实现曲线或者折线进近。MLS大大提高了军民用飞机执行任务的全天候能力。但是,在其他各国正在研制和准备装设MLS地面台时,美国局域增强系统(Local Area Augmentation System,LAAS)出现了,LAAS具有明显的价格和覆盖优势。1995年,国际民航组织决定采用ILS、MLS、LAAS三种功能综合构成的多模式接收机(Multi-Mode Receiver,MMR)来装备飞机。

在航空导航方面,于1946年出现并在1949年被国际民航组织接受的甚高频全向信标(VHF Omnidirectional Radio Range,VOR)的工作频段是108～118 MHz,为连续波工作体制。20世纪60年代初,VOR被改进成多普勒VOR(DVOR),以减小场地误差。但是,VOR只能给飞机指示方位。为了给飞机指示在空中的水平位置,国际民航组织于1959年接受了测距器(Distance Measuring Equipment,DME),并将其作为标准航空近程导航系统。1956年,美国研制成功了战术空中导航系统(Tactical Air Navigation System,TACAN System；简称“塔康系统”),其工作在960～1 215 MHz的Lx频段,采用脉冲体制,能为地面台200 n mile以内的飞机同时提供相对地面台的方位和距离。

2.惯性导航

牛顿三大定律的建立为惯性导航奠定了基础。1852年,傅科提出陀螺的定义、原理及应用设想。1908年,安修茨研制出世界上第一台摆式陀螺罗经。1910年,舒勒提出了“舒勒摆”理论。这些理论和研究奠定了惯性导航发展的基础。

早在20世纪初,就出现了用舰载(或机载)测速测向装置推算舰船(或飞机)位置的方法。惯性导航技术真正得到应用开始于20世纪40年代,惯性技术在德国Ⅴ-Ⅱ火箭上首次成功应用。20世纪50年代中后期,速度为0.5 n mile/h的单自由度液浮陀螺平台惯性导航系统研制并应用成功。1955年,舰用惯性导航技术取得了突破性进展,几乎所有美国的核潜艇和大型海军舰只都安装了惯性导航系统。从20世纪60年代末起,惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)相继在航海和航空方面被大量投入使用。在理论研究方面,为了减少陀螺仪表支承的摩擦与干扰,逐步采用了挠性、液浮、气浮、磁悬浮和静电等支承悬浮技术；1960年,激光技术的出现为激光陀螺的发展提供了理论支持；捷联式惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)理论研究趋于完善。惯性导航系统不依赖于外界导航台和电磁波传播,因此应用不受环境限制；其隐蔽性好,不可能被干扰、被反利用,生存能力强；它可以产生多种信息,包括载体的三维位置、三维速度和航向姿态等。

20世纪70年代初期,在第三代惯性导航技术发展阶段,出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统,其目标是进一步提高INS的性能,并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。这一阶段的陀螺主要有静电陀螺、动力调谐陀螺、环形激光陀螺、干涉式光纤陀螺等。除此之外,超导体陀螺、粒子陀螺、固态陀螺等基于不同物理原理的陀螺仪表相继设计成功。

当前,惯性导航技术正朝着高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化的方向发展,其应用领域将越来越广泛。一方面,陀螺的精度不断提高；另一方面,随着环形激光陀螺、光纤陀螺、MEMS陀螺等新型固态陀螺仪的技术逐渐成熟,以及高速大容量数字计算机技术的进步,SINS在低成本、短期中等精度惯性导航中逐渐呈现取代平台式系统的趋势。惯性导航已成为一种最重要的无源导航技术。

1.1.3.3　现代导航阶段

自20世纪70年代以来,随着信息技术的快速发展,出现了一系列新型导航系统,包括卫星导航系统、新型陀螺捷联式惯性导航系统、组合导航系统、地形辅助导航系统、联合战术信息分发系统(Joint Tactical Information Distribution System,JTIDS)、位置报告系统(Position Location Reporting System,PLRS)等。现代导航系统以卫星导航系统为主要代表,同时向多手段融合集成方向发展。本节将主要介绍具有代表性的卫星导航技术的发展历程。

随着1957年苏联第一颗人造地球卫星的发射和20世纪60年代空间技术的发展,各种人造卫星相继升空。人们想到,如果能将从卫星发射的无线电信号组成一个卫星导航系统,那么就能较好地解决覆盖面与定位精度之间的矛盾,于是出现了卫星导航系统(星基无线电导航系统)。约翰斯˙霍普金斯大学应用物理实验室的研究人员通过观测卫星,发现在卫星通过地面接收站视野的时间内,接收机接收到的卫星信号频率与卫星发射的频率之间存在着一定频差,这就是多普勒频移,其可用于测量接收机与卫星之间的相对速度。

最早的卫星定位系统是美国的子午仪(Transit)系统,又称为海军导航卫星系统(Navy Navigation Satellite System,NNSS),于1958年在前沿理论发现的基础上进行研制,在1964年1月开始运行,并于1967年向全球民用开放。子午仪系统共有7颗卫星,采用极轨,每颗卫星以150 MHz和400 MHz两个频率向地面发射1～5 W的连续波信号,以0°和±60°相位调制发射卫星星历。子午仪系统的研制成功是海军导航史上的重大事件,它开创了世界卫星导航的先河,解决了远的作用距离与高的定位精度进行统一的可行性问题。但是,由于该系统的卫星数目较少,运行高度较低,从地面站观测到卫星的时间间隔较长,因此它无法提供连续的实时三维导航,而且精度较低。

为了满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切需求,美国国防部于1973年制订了GPS计划,原定分为三个阶段(第一阶段,系统原理、方案研究；第二阶段,系统实验研究；第三阶段,系统应用研究),预计在1988年投入运行。1987年,“挑战者”航天飞机失事,GPS的研制工作因此受到重创,不得不修改计划。1993年12月,GPS最终达到初步运行能力(Initial Operational Capability,IOC),即标准定位服务(Standard Positioning Service,SPS)已达到规定的性能要求,已有24颗GPS卫星(Block Ⅰ/Block Ⅱ/Block ⅡA)在工作。1995年,美国宣布GPS达到完全运行能力(Full Operational Capability,FOC),卫星星座全都由Block Ⅱ、Block ⅡA组成。从1996年开始,GPS地面部分开始实施精度改善创新和广域GPS提高计划,连同一些其他措施以持续改善GPS精度,并用Block ⅡR卫星陆续取代失效的工作卫星。从2000年开始,美国实施GPS现代化计划,不断对GPS系统进行改进、优化,以提高GPS系统的军事和民用服务性能。

北斗卫星导航系统(Beidou Satellite Navigation System,BDS)是我国自行研制的全球卫星导航系统。20世纪80年代,“三步走”的发展战略形成：第1步,建设北斗一号系统,向中国提供服务；第2步,建设北斗二号系统,向亚太地区提供服务；第3步,建设北斗三号系统,向全球提供服务。1994年,北斗一号系统工程建设启动；2000年,发射2颗地球静止轨道卫星,系统建成并投入使用；2003年,发射第3颗地球静止轨道卫星。2004年,北斗二号系统工程建设启动；2012年年底,完成了14颗卫星(5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星)发射组网。2009年,北斗三号系统建设启动；到2019年11月5日,第49颗北斗导航卫星成功发射,进入最后冲刺阶段。截至2020年4月,北斗三号系统只剩一颗卫星未发射组网,全面建成北斗三号系统指日可待。

以卫星导航为主要代表的新型导航系统发展迅速,这与现阶段的时代需求是密不可分的。新型导航系统主要在新时期各种军事需求的推动下发展起来,它们是新时期军事信息系统的重要组成部分,使新时期军队的作战方式较以往发生了明显改变、作战能力明显得到加强,这已成为获取军事优势的重要因素。不难看出,卫星导航系统无疑是20世纪导航技术的最大成就,它所提供的覆盖范围、精度和信息种类都是陆基无线电导航系统不能比拟的,卫星导航无论是从技术方面,还是从作用方面,都在把导航推向一个全新的高度,其在军事和民用方面意义巨大。