现代导航定位目标识别技术简述

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1、现代定位导航与目标识别技术简述从广义上讲定位技术属于导航技术， 但从狭义上也可以将定位技术和导航技 术划分开来。 定位回答的是目标的位置信息，而导航更多的是回答路径问题。从 广义上的导航术语来说，欲导航必须先定位；从狭义上来说导航未必需要定位， 所研究的对象是多目标之间的信息， 并不一定需要知道对象的确切位置才能获得 多目标之间的信息。 现代导航技术中， 由于最终的目的是实现研究对象的空间移 动，常常将定位技术包含在导航技术中，这也必定涉及制导技术。 现代制导技术 侧重的是控制被控制对象的相关科技，一定程度上依赖于定位技术和导航技术， 也可以狭义上成为一门单独的技术。 目标识别技术相对前三种技

2、术而言比较独立， 可以看做一个系统的独立部分， 与前三种技术是并行的关系， 彼此之间又可以交 换信息。现代武器系统中， 这四种技术一定程度上独立又相互融合，综合的形成 武器系统，而且都需要测控技术作为支撑。定位技术各种定位技术都需要测试技术， 可以认为定位技术是测试技术在确定位置这 一领域的相关应用。 传统的测试技术测量的是电量参数与非电量参数。传感器技 术的发展以及传感器技术领域不断扩大，各种传感器技术已然成为测试技术的核 心内容。现代的传感器包括硅微传感器、声波传感器、普通光学传感器、光纤传 感器、电磁传感器、磁传感器、力传感器、温度传感器、化学传感器、生物传感 器等。传感器技术的进步最终

3、使得定位技术飞速发展，是定位的基石。现在定位技术主要有全球卫星定位、雷达定位、多普勒定位、基站定位、 Wifi 网络定位、地球磁力场定位、遥测定位、红外线定位、激光定位。目前全球卫星定位系统有美国的GPS全球卫星定位导航系统、 中国的北斗全 球定位导航系统、俄罗斯的GLONASS 定位导航系统以及欧洲的伽利略定位导航 系统。 前两种导航定位系统比较成熟， 两者之间 GPS更加成熟，终端应用数最多。 全球卫星定位导航系统具有多颗在轨卫星，使得全天候在能观测到4 颗以上卫星， 通过测量每颗卫星与接收终端之间的距离，然后综合每颗卫星所提供的数据，测 算出接收终端的位置。其工作原理如下图所示：依据测距

4、的原理划分为伪距法定位（测码） 、载波相位测量定位（测相）、差 分 GPS定位；根据待定点的运动状态分为静态定位（绝对）、动态定位（相对）； 根据获得定位结果的时效分为事后定位静态、实时定位（RTK ） 。雷达定位分为雷达有源定位和雷达无源定位。有源定位是雷达主动向侦测对 象发送脉冲信号， 脉冲信号遇侦测对象后反射回原脉冲信号，根据雷达再次接收 到脉冲信号的时间和方位便可确定侦测对象的位置，若雷达向已知基站发送脉冲， 同样可以获得自己的位置。 有源定位雷达抗干扰能力强、 灵敏度高但容易被敌方 发现。无源雷达是一种不用发射机发射能量而靠接受温热物体或他源反射的微波 能量探测目标的雷达， 有天线和

5、灵敏度极高的接收装置。无源雷达鉴别目标的能 力，主要取决于目标之间的表面温差和目标的反射系数，天线波束与目标之间的 入射余角，无线极化和波束宽度与接收机的最小可检测电子等。无源雷达被动地 接收目标反射的非协同式辐射源的电磁信号，对目标进行跟踪和定位。 按照天线 扫描方式分类， 分为机械扫描雷达、 相控阵雷达等。 有源相控阵雷达的每个辐射 器都配装有一个发射 /接收组件，每一个组件都能自己产生、接收电磁波，因此 在频宽、信号处理和冗度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。正因为如 此，也使得有源相控阵雷达的造价昂贵，工程化难度加大。 但有源相控阵雷达在 功能上有独特优点， 大有取代无源相控阵雷

6、达的趋势。无源相控阵雷达仅有一个 中央发射机和一个接收机， 发射机产生的高频能量经计算机自动分配给天线阵的 各个辐射器，目标反射信号经接收机统一放大（这一点与普通区别不大）。多普勒定位属于雷达定位的一个分支，相应的雷达是多普勒雷达。 多普勒雷 达就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等工作的雷达。 所谓多普勒效应就 是，当声音，光和无线电波等振动源与观测者以相对速度相对运动时，观测者所 收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。因为这一现象是奥地利科学家 多普勒最早发现的， 所以称之为多普勒效应。 工作原理可表述如下： 当雷达发射 一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标， 回波的频率与

7、发射波的频率 出现频率差， 称为多普勒频率。 根据多普勒频率的大小， 可测出目标对雷达的径 向相对运动速度； 根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。 同时用 频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线， 可使雷达从强 杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强， 能探测出隐蔽在背景中的活动目标。基站定位更多的是民用， 在必要时候也可以军用。 接收终端通过电信移动运 营商的网络（如GSM 网)获取接收终端用户的位置信息（经纬度坐标），在电子 地图平台的支持下， 为用户提供相应服务的一种增值业务，例如目前中国移动动 感地带提供的动感位置查询服务等。

8、基站定位的大致原理为： 接收终端测量不同 基站的下行导频信号， 得到不同基站下行导频的TOA （Time of Arrival， 到达时刻） 或 TDOA （Time Difference of Arrival，到达时间差），根据该测量结果并结合基站 的坐标，一般采用三角公式估计算法，就能够计算出移动电话的位置。实际的位 置估计算法需要考虑多基站（3 个或 3 个以上）定位的情况，因此算法要复杂很 多。一般而言，移动台测量的基站数目越多，测量精度越高，定位性能改善越明 显。Wifi 网络定位的原理与基站定位类似，接收设备只要侦听一下附近都有哪些 热点，检测一下每个热点的信号强弱，然后把这些信息

9、发送给网络上的服务端。 服务器根据这些信息， 查询每个热点在数据库里记录的坐标，然后进行运算， 就 能知道客户端的具体位置了。 一次成功的定位需要两个先决条件：接收终端能上网 ，侦听到的热点的坐标在数据库里有。地球磁力场是地球的基本物理场，地球周围空间的物体都处于地磁场中。利 用磁传感器可以测量地磁场的各要素，包括总磁场强度、东向分量、北向分量、 垂直分量、磁偏角、磁倾角以及磁场梯度。地磁场具有全天时、全地域和短期稳 定性等特征，并且在不同方位具有不同的磁场要素，故可将其作为定位导航场。 地磁定位导航 （Geomagnetic Navigation ）就是利用地磁场的特征进行定位导航的 新方法

10、，近年来得到了迅速发展。地磁定位导航同重力定位导航地形导航一样， 是一种自主、 隐蔽的导航技术。 地磁定位导航的一个重要特点是当前估计状态与 过去无关，即误差不随时间积累， 当把地磁定位导航与惯性导航组合并应用于水 下潜艇时， 可校正惯导系统的时间积累误差，提高惯导系统的精度， 对潜艇的军 事应用具有重要意义。地磁场空间的各异性是一种典型特征，地磁匹配（Geomagnetic Matching） 就是利用这种特征来确定载体的地理位置的。定位导航时， 首先把预先测量好的 地磁信息存储在计算机上， 构成数字地磁基准图。 当载体运动到特定匹配区域时， 由专用磁传感器测量所处位置的磁场特征，经载体运动

11、一段时间后， 测量得到一 系列实时磁场特征值， 简称测量序列。 把测量序列与基准图进行相应的匹配，找 出基准图中与测量序列最相匹配的位置序列，以此作为载体的位置估计信息。 这 就是地磁定位导航的基本原理。其原理图如下图所示：由于地磁场遍布近地空间，遍历测量存在实际困难，故基准地磁图的测量及存储主要采用网格形式。 再根据地磁场在空间分布上的相关性，利用空间统计等数学处理方法得到网格间的磁场要素。 空间统计学通过研究对象在空间上不同间隔的抽样点上的差异，定量描述其空间变化规律。空间内插法主要有多元回归法、Kriging 内插、 Cokriging 内插、双线性内插等格网精度直接影响地磁匹配精度。遥

12、测（英文名称：telemetering ）是将对象参量的近距离测量值传输至远距离的测量站来实现远距离测量的技术。遥测技术是一个集成性能好的，具有良好的跟踪性能、遥控性能的一种新型的技术、其应用很广泛。 这种技术常常和其他定位技术相结合实现信息的远距离传输， 如红外测量、 激光测量。 主要用于定位分散的或难以接近的被定位对象，如被定位对象距离遥远，所处环境恶劣，或处于高速运动状态。导航技术导航技术常常是与定位技术相结合，在军事应用中需要确定载体的位置后再确定航向。导航的主要任务是测量并利用载体的即时位置、航行速度、航行方向和通过距离等基本信息，通过物理学和数学技术手段，借助导航装置将载体从一个位

13、置正确的引导到预定的位置。而根据所采用的导航理论和导航装置，有各种导航方法，诸如无线电导航、多普勒雷达导航惯性导航，卫星导航、天文导航、地磁场导航、综合导航以及组合导航。无线电导航是利用无线电在均匀介质和自由空间传播及恒速两大特性，进行 引导航行的一种方法。 通常载体上的无线电收发设备， 测量航行体相对地面基站 的距离、距离差或相位差来定位； 也可通过航行载体上的接收系统，接收基站发 送的无线电信号， 测量其航行体相对基站的方位角来定位。通过不断定位获取数 据信息，再通过相关数学运算确定航行路线而实现导航。多普勒雷达导航、 全球 卫星导航都是通过确定载体的位置、方位、高度、速度、加速度等信息后

14、再决定 如何航行，从而实现导航。惯性导航是一种典型的自主导航方法，也是最主要的也是最重要的现代导航 方法之一。目前几乎所有先进组合导航都是以惯性导航为基础的。惯性导航基于 惯性原理，即利用牛顿第二定律F=ma。在导航中，它通过惯性测量元件加速度 计和陀螺仪自主地测量载体相对于惯性空间的加速度和角速度参数，并在给定载 体运动初始条件及选定的导航坐标系（可以是人工建立的物理平台， 也可以是计 算机存储的数学平台）下，由导航计算机计算出载体的速度、距离、位置、姿态 和航向。也就是利用一组加速度计， 积分加速度得出速度， 积分速度得到位置信 息。原理图如下图所示：根据导航坐标系方法的不同可以将惯导系统

15、分为两大类型：采用物理平台模 拟导航坐标系的系统称为平台式惯导系统；采用数学算法确定出导航坐标系的系 统称为捷联式惯导系统。 格局物理平台模拟的坐标系类型不同，平台式惯导系统 又可以分为两类： 若平台模拟惯性坐标系， 则系统称为解析式惯导系统；若平台 模拟当地水平坐标系，测系统称为当地水平式惯导系统。陀螺仪与加速度计依据的都是惯性力或惯性矩，而且测量结果都是相对于惯 性空间的，所以把陀螺仪加速度计统称为惯性元件。它们是惯导系统中使用的核 心元件，决定了导航系统的构成和工作特性。广义地讲，任何能够敏感或者测量载体相对惯性空间转动的传感器都叫陀螺， 可以按照不同的分类方法将陀螺分成下面几类：（1）

16、按照陀螺的自由度：单自由度陀螺、双自由度陀螺、三自由度陀螺 （2）按照陀螺的测量方法：模拟量输出陀螺、数字量输出陀螺 （3）按照陀螺所测的物理量：角位置陀螺、角速度陀螺 （4）按照陀螺的物理基础：经典力学陀螺、现代物理陀螺，其中经典力学陀螺包括液浮陀螺、挠性陀螺、经典陀螺、震动陀螺、磁流体陀螺、超导陀螺；近代 物理陀螺包括激光陀螺、光纤陀螺、原子陀螺、偏振波陀螺。天文导航是一种既古老又崭新的导航方法。目前，现在天文导航技术已发展 到一个相对高的技术水平， 可借助星体跟踪器自动跟踪两个星体，以随时测出星 体相对载体基准参考面的高低角和方位角，并计算和得到载体的位置和方位，而 载体基准面通常由陀螺来确定。 测定航行体的位置和罗经的误差，计算航行体的 各种时间。地图匹配导航是数字地球技术、计算机技术/图形技术发展的产物， 通常分地形匹配和景象匹配， 均具有非常高的军事价值， 主要被应用于辅助性惯 性导航。组合导航是指同时利用多种导航技术，共同完成导航的目的。 目前主要 是惯性导航和其他导航相结合的技术更成熟。目标识别技术信号的处理技术对目标识别技术的起决定作用。不同的处理方法对同一种信 号而