宋心榮

GPS和慣性導(dǎo)航

1942年德國(guó)在V-2火箭上首次應(yīng)用了慣性導(dǎo)航裝置，此后慣性導(dǎo)航技術(shù)就成為重要的導(dǎo)航方式之一。冷戰(zhàn)時(shí)期，緊迫的軍事需求極大地推動(dòng)了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，其定位精度也從1海里 /小時(shí)提升到1海里 /24小時(shí)左右，并被廣泛用于飛機(jī)、艦船和火箭的導(dǎo)航與控制。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)并不復(fù)雜，一般由慣性測(cè)量組件、計(jì)算機(jī)、控制顯示器等組成。其中慣性測(cè)量組件最為重要，包括加速度計(jì)和陀螺儀。其中三個(gè)陀螺儀用于測(cè)量載體沿三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，確定姿態(tài)。三個(gè)加速度計(jì)用于測(cè)量載體3個(gè)平動(dòng)方向（x，y，z）上的加速度。計(jì)算機(jī)對(duì)加速度一次積分得到速度，兩次積分得到載體的位置。這便是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位的原理。由于是對(duì)時(shí)間積分，因此慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差隨時(shí)間積累，無(wú)法長(zhǎng)期進(jìn)行精確定位。在冷戰(zhàn)前期和中期，單純運(yùn)用慣導(dǎo)的導(dǎo)彈命中精度較低正是由于這個(gè)原因。

為了解決慣導(dǎo)系統(tǒng)無(wú)法長(zhǎng)期精確定位的缺陷，提升導(dǎo)彈命中精度，美國(guó)軍方在子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研制了基于衛(wèi)星星座的GPS系統(tǒng)（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）。GPS的定位原理和慣導(dǎo)完全不同。

GPS系統(tǒng)的核心是位于互成120度的三個(gè)軌道上互成60度的6條軌道上的24顆衛(wèi)星（每條軌道上有4顆衛(wèi)星）。這一布署足以確保地球上任何一點(diǎn)均能觀測(cè)到最少5～8顆衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星的任務(wù)就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)。要確定接收機(jī)的位置，需要解出三維位置坐標(biāo)x、y、z和衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差Δt這四個(gè)未知參量。接收機(jī)每接收一個(gè)衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，就能測(cè)出已知位置的衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離，得到一個(gè)方程。接收機(jī)接收4個(gè)以上衛(wèi)星的信號(hào)就能得到足夠的方程以解出x、y、z、Δt這4個(gè)參量，從而實(shí)現(xiàn)定位。接收的衛(wèi)星信號(hào)越多，定位精度越高。由于衛(wèi)星裝備了原子鐘，因此，GPS接收機(jī)還能提供準(zhǔn)確至納秒級(jí)的授時(shí)服務(wù)。

由于GPS系統(tǒng)的工作原理，其定位精度要比慣導(dǎo)系統(tǒng)（INS）高得多，可達(dá)0.1米。而且不存在定位誤差隨時(shí)間積累的問題。所以，GPS系統(tǒng)一經(jīng)推出就廣受歡迎，得到了極為廣泛的運(yùn)用。包括我國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)也都研制、部署了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。然而，GPS系統(tǒng)也并非沒有缺點(diǎn)。由于需要接收外來(lái)信號(hào)，GPS系統(tǒng)極易受到干擾，而且在山區(qū)等地信號(hào)經(jīng)常丟失。因此，在武器制導(dǎo)上過度依賴GPS是不行的。目前國(guó)際上一般采用，衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航相結(jié)合的方法，高精度的GPS信息可以用來(lái)修正慣導(dǎo)隨時(shí)間積累的誤差，而慣導(dǎo)系統(tǒng)則可以在GPS信號(hào)受到嚴(yán)重干擾，或接收機(jī)故障時(shí)，獨(dú)立地進(jìn)行導(dǎo)航定位，保障了導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。美國(guó)的“聯(lián)合防區(qū)外空地導(dǎo)彈”（JASSM）和 “聯(lián)合直接攻擊彈藥”（JDAM）都采用了GPS/INS復(fù)合制導(dǎo)，命中精度從單純用GPS的15米提升到了10～13米，武器可靠性也大大增加。

雖然GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)復(fù)合制導(dǎo)的方法可以在平時(shí)工作良好。但在戰(zhàn)時(shí)，這一系統(tǒng)就不可靠了。在反衛(wèi)星技術(shù)日漸發(fā)達(dá)的今天，敵方可以在很短時(shí)間內(nèi)摧毀GPS衛(wèi)星星座，使其無(wú)法滿足全球定位的數(shù)量要求，導(dǎo)致GPS失效。同時(shí)，干擾GPS信號(hào)的手段不斷進(jìn)步，使得有效干擾范圍和持續(xù)干擾時(shí)間大大增加，也令GPS面臨著巨大威脅。如果GPS失效，那么GPS慣導(dǎo)復(fù)合制導(dǎo)也就毫無(wú)意義了。因此，研究更小巧、更精確、抗干擾性更強(qiáng)的導(dǎo)航系統(tǒng)也就勢(shì)在必行，近年來(lái)，世界各國(guó)在這一領(lǐng)域取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，而其采取的技術(shù)路線更是五花八門，下面就將一一介紹作為GPS繼任者的形形色色的新一代導(dǎo)航系統(tǒng)。

定位芯片

——DARPA的創(chuàng)意

自21世紀(jì)以來(lái)，由于干擾GPS信號(hào)的技術(shù)日益成熟，美國(guó)軍方一直在尋求GPS系統(tǒng)的替代品。在這方面，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）走在了前面。

美國(guó)人將代替GPS的重點(diǎn)放在了研制新一代慣導(dǎo)系統(tǒng)上，力求實(shí)現(xiàn)定位精度更高，高精度定位時(shí)間更長(zhǎng)且小型化、低成本的目標(biāo)。得益于智能手機(jī)的巨大需求，步入21世紀(jì)后，微機(jī)電技術(shù)（MEMS）得到了空前的發(fā)展。同時(shí)，醫(yī)用和化學(xué)分析用核磁共振設(shè)備的發(fā)展也使得核磁共振陀螺（NMRG）的技術(shù)不斷進(jìn)步。此外，原子鐘技術(shù)也在逐步成熟，這些都為美國(guó)研制新一代慣導(dǎo)系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2013年6月6日，DARPA跟諾斯羅普·格魯曼公司簽訂了價(jià)值64.8萬(wàn)美元的合同，要求諾斯羅普·格魯曼公司在1年內(nèi)研制出新一代微型慣導(dǎo)系統(tǒng)，其定位精度需至少等于或超過GPS系統(tǒng)。當(dāng)然，DARPA也將這一項(xiàng)目同時(shí)分包給了別的公司，以促進(jìn)技術(shù)路線多樣化，防止在一棵樹上吊死，據(jù)估計(jì)，美軍新一代微型慣導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)總經(jīng)費(fèi)高達(dá)1 340萬(wàn)美元。

諾斯羅普·格魯曼公司選擇的方案是利用微機(jī)電技術(shù)將核磁共振陀螺儀小型化。核磁共振陀螺儀的原理并不復(fù)雜。原子核在靜磁場(chǎng)里以拉莫頻率繞進(jìn)行自旋進(jìn)動(dòng)。一但給核磁共振陀螺儀一個(gè)外加角速度，原子核自旋進(jìn)動(dòng)的頻率就會(huì)發(fā)生變化，通過測(cè)量這個(gè)變化量，就可以解出角速度，其精度要比傳統(tǒng)的靜電陀螺儀高得多。諾格公司通過微機(jī)電技術(shù)，將整個(gè)核磁共振陀螺儀的精密結(jié)構(gòu)刻在硅片上，使整臺(tái)核磁共振陀螺儀可以被封裝在一個(gè)芯片中。對(duì)于慣導(dǎo)系統(tǒng)的另一部分——加速度計(jì)，諾格公司也別出心裁，使用了新型的光學(xué)加速度計(jì)。通過一系列改進(jìn)，諾格公司研制的新一代慣導(dǎo)定位精度要比傳統(tǒng)的慣導(dǎo)系統(tǒng)高很多，基本上優(yōu)于GPS的水平，誤差積累也比較小。2014年6月，諾斯羅普·格魯曼公司導(dǎo)航業(yè)務(wù)部副總裁查爾斯·沃爾克宣布，新一代慣導(dǎo)系統(tǒng)樣機(jī)已經(jīng)建成。目前，諾格公司正在努力實(shí)現(xiàn)原理樣機(jī)的實(shí)用化、市場(chǎng)化。

除了諾格公司，2016年4月，DARPA還將研制新一代慣導(dǎo)的合同授予了HPL實(shí)驗(yàn)室，合同總價(jià)值達(dá)430萬(wàn)美元。HPL實(shí)驗(yàn)室前身是著名的休斯研究實(shí)驗(yàn)室，世界上第一臺(tái)紅寶石激光器就誕生于這里。1997年，HPL實(shí)驗(yàn)室成為有限責(zé)任公司，為波音公司和通用汽車共同所有，承擔(dān)傳感器和材料、信息和系統(tǒng)科學(xué)，電磁學(xué)應(yīng)用和微波電子等領(lǐng)域的研究。HPL實(shí)驗(yàn)室不僅為這兩家公司負(fù)責(zé)研發(fā)，還承接美國(guó)政府和其他企業(yè)的研發(fā)合同，研發(fā)能力極強(qiáng)。新一代慣導(dǎo)的研發(fā)在內(nèi)部被稱之為Atlas項(xiàng)目。Atlas項(xiàng)目走的是微機(jī)械陀螺儀和原子鐘相結(jié)合的道路。Atlas項(xiàng)目利用原子鐘里穩(wěn)定、高精度的原子振蕩頻率來(lái)校正微機(jī)械陀螺儀的誤差，同時(shí)還能提供授時(shí)服務(wù)，和GPS功能完全相同。

美國(guó)的這兩款新一代慣導(dǎo)系統(tǒng)令人印象深刻的不僅在它們的定位精度堪比GPS，還在于它們的小型化。如此高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)居然只有一個(gè)芯片大小，這不能不說是技術(shù)的奇跡。從美國(guó)研制新一代慣導(dǎo)的過程中，我們可以看出，新一代慣導(dǎo)一定要綜合多種前沿學(xué)科的成果才能實(shí)現(xiàn)。

量子羅盤

——英國(guó)人的努力

和財(cái)大氣粗的美國(guó)人不同，英國(guó)人在解決如何代替GPS系統(tǒng)這一問題時(shí)走了完全不同的道路，更多地是利用成熟技術(shù)“智取”。英國(guó)研究GPS替代品的努力主要集中在量子羅盤和利用機(jī)會(huì)信號(hào)導(dǎo)航這兩個(gè)方面。

1997年，美籍華人朱棣文、科恩-塔諾季和菲利普·斯諾因在發(fā)展用激光冷卻和陷俘原子領(lǐng)域的研究成果而獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們開發(fā)的用激光冷卻和陷俘原子的技術(shù)為人們研究和利用超低溫態(tài)的原子奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過長(zhǎng)期的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在冷凍狀態(tài)的原子對(duì)地球磁場(chǎng)和引力場(chǎng)的變化極其敏感。利用其波動(dòng)性可以建成冷原子干涉儀，通過分析干涉條紋就可以得出線性加速度和旋轉(zhuǎn)角速度，精度比傳統(tǒng)的加速度計(jì)要高上百倍，而且溫度越低測(cè)量精度越高。之后再經(jīng)過積分計(jì)算就可以定位了。這就構(gòu)成了量子羅盤的技術(shù)基礎(chǔ)。

本來(lái)，在20世紀(jì)末，激光冷卻和陷俘原子的技術(shù)尚在初生階段，技術(shù)困難很多。然而，得益于冷原子鐘的巨大市場(chǎng)需求，在21世紀(jì)，激光冷卻和陷俘原子的技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。原子冷卻達(dá)到的溫度越來(lái)越低，成本也更加低廉。這就使得量子羅盤的研發(fā)步入快車道。21世紀(jì)初，英國(guó)國(guó)防部投資了數(shù)百萬(wàn)英鎊，由英國(guó)國(guó)防科技實(shí)驗(yàn)室（DSTL）牽頭研發(fā)量子羅盤。

到2014年，英國(guó)國(guó)防科技實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)造出了第一臺(tái)量子羅盤樣機(jī)。該樣機(jī)酷似一個(gè)鞋盒，長(zhǎng)寬高都在1米左右。樣機(jī)的核心部分是冷原子干涉儀，其內(nèi)置的激光器陣列能將銣原子云冷卻到絕對(duì)零度以上百萬(wàn)分之一度的水平，以保證測(cè)量的精度。3個(gè)這樣的設(shè)備互成直角安放在樣機(jī)內(nèi)部，以測(cè)量3個(gè)軸向的線性加速度和旋轉(zhuǎn)角速度。

英國(guó)國(guó)防科技實(shí)驗(yàn)室的下一步目標(biāo)是將量子羅盤小型化，使之能夠?yàn)閭€(gè)人所使用。同時(shí)，英國(guó)也著力推動(dòng)量子羅盤的核心技術(shù)冷原子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域，比如冷原子鐘和量子傳感器。冷原子測(cè)量技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，其測(cè)量重力場(chǎng)、地磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)速率、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的能力在各個(gè)領(lǐng)域都十分有用。比如，在石油天然氣領(lǐng)域，通過量子傳感器來(lái)進(jìn)行引力觀測(cè)，將大大提升發(fā)現(xiàn)新油氣田的速度。在土木工程領(lǐng)域，量子傳感器也可用于地下結(jié)構(gòu)的探測(cè)，提升工程規(guī)劃的合理性。

將來(lái)小型化的新一代慣導(dǎo)就只有圖中央的芯片那么大。

量子羅盤一但實(shí)現(xiàn)小型化和實(shí)用化，其軍事價(jià)值是顯而易見的。對(duì)于潛艇來(lái)說，在水下無(wú)法使用GPS，只能使用慣導(dǎo)，上浮后用GPS校正誤差。但是如果長(zhǎng)期潛航的話，航向誤差積累的就會(huì)很大。而量子羅盤無(wú)需借助外界信號(hào)，可以自主工作且精度極高，特別適用于核潛艇的導(dǎo)航。同時(shí)，量子羅盤小型化實(shí)現(xiàn)后，在洞穴和地下建筑中的導(dǎo)航也變?yōu)榭赡?。量子羅盤還可以作為GPS信號(hào)被干擾或衛(wèi)星被攻擊后的備份導(dǎo)航系統(tǒng)。

除了量子羅盤，英國(guó)BAE公司還開發(fā)了一種利用機(jī)會(huì)信號(hào)導(dǎo)航的Navsop系統(tǒng)。據(jù)報(bào)道，Navsop系統(tǒng)能利用包括Wi-Fi、電視信號(hào)、無(wú)線電通訊信號(hào)、手機(jī)信號(hào)以及空管信號(hào)等數(shù)百個(gè)不同的已知信號(hào)，進(jìn)行定位，聽起來(lái)十分高大上。其實(shí)Navsop系統(tǒng)的原理并不復(fù)雜，跟我們生活中常見的無(wú)線電測(cè)向活動(dòng)有著異曲同工之處?？催^老電影的讀者可能記得，特務(wù)使用測(cè)向車尋找地下電臺(tái)的場(chǎng)景。Navsop系統(tǒng)跟無(wú)線電測(cè)向車的原理基本相同。首先，在開始階段要有GPS信號(hào)，確定Navsop系統(tǒng)載體的自身位置，之后利用測(cè)向天線測(cè)出無(wú)線電信號(hào)源的方位角，得出一條示向線，被軟件保存在電子地圖中。之后載體移動(dòng)到另一個(gè)位置，再測(cè)一個(gè)方位角，又得到一條示向線。兩條示向線在電子地圖上相交的地方就是無(wú)線電信號(hào)源的所在地，得到了信號(hào)源的位。找此方法，Navsop系統(tǒng)經(jīng)過一段“學(xué)習(xí)”時(shí)間就可以找出許多信號(hào)源，并確定其中靜止不動(dòng)的信號(hào)源，再以它們中的某兩個(gè)信號(hào)源進(jìn)行無(wú)線電雙曲導(dǎo)航即可。當(dāng)然，找到的靜止信號(hào)源越多，它們之間就可以互相修正導(dǎo)航誤差，定位精度就更高，這也是為什么Navsop系統(tǒng)要利用那么多信號(hào)的原因。不過，由于像Wi-Fi這樣的信號(hào)作用距離近，穩(wěn)定性差，目前Navsop系統(tǒng)主要依靠頻率位于中波波段的無(wú)線電信號(hào)源（主要是廣播電臺(tái)）進(jìn)行導(dǎo)航。

2012年，英國(guó)的Navsop系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了車載實(shí)驗(yàn)。這臺(tái)樣機(jī)有一個(gè)大箱子大小，放在汽車上，和車載天線相連。最開始，Navsop系統(tǒng)在GPS的幫助下找到了很多信號(hào)源。經(jīng)過一段時(shí)間的分析處理，Navsop系統(tǒng)篩選出了合適的信號(hào)源用于無(wú)線電導(dǎo)航。此時(shí)，BAE公司的工程師關(guān)閉了GPS接收機(jī)，Navsop系統(tǒng)獨(dú)立導(dǎo)航，引導(dǎo)汽車沿著倫敦的街道前進(jìn)，成功抵達(dá)預(yù)定地點(diǎn)。

Navsop系統(tǒng)原理并不復(fù)雜，利用無(wú)線電測(cè)向和無(wú)線電導(dǎo)航這樣的“土辦法”就實(shí)現(xiàn)了GPS的功能，其獨(dú)特的思路值得借鑒。當(dāng)然，BAE公司的法拉加博士坦言，Navsop系統(tǒng)目前不能代替GPS，因?yàn)樗诔跏茧A段需要GPS協(xié)助尋找信號(hào)源。所以，Navsop系統(tǒng)的最大意義就在于為GPS提供一個(gè)備份，一但GPS被干擾，Navsop系統(tǒng)還可以繼續(xù)導(dǎo)航至目標(biāo)。

現(xiàn)在，BAE公司正致力于將Navsop系統(tǒng)小型化。BAE公司的目標(biāo)是將Navsop系統(tǒng)做成跟GPS接收機(jī)或智能手機(jī)大小，其核心處理器將僅有硬幣大小。Navsop系統(tǒng)市場(chǎng)前景極佳。據(jù)歐盟委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，歐洲經(jīng)濟(jì)中有8 000億歐元的產(chǎn)業(yè)依賴GPS的精確定位和授時(shí)功能，包括航空業(yè)、航運(yùn)業(yè)、農(nóng)業(yè)以及電信。然而，時(shí)有發(fā)生的太陽(yáng)耀斑產(chǎn)生的磁暴以及各種惡意干擾都有可能威脅到GPS系統(tǒng)的正常工作。因此，這些產(chǎn)業(yè)顯然不會(huì)拒絕廉價(jià)的GPS備份——Navsop系統(tǒng)。此外，Navsop系統(tǒng)還有一些其他的用途。Navsop系統(tǒng)可以通過手機(jī)信號(hào)幫助救援人員找到著火的建筑物內(nèi)的受困者。安裝Navsop系統(tǒng)的車輛即使被盜、被盜賊加裝GPS干擾器也能被找到。

展望

縱觀慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展史，科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和軍事需求始終是推動(dòng)慣導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的核心推動(dòng)力。第二次世界大戰(zhàn)期間，對(duì)彈道導(dǎo)彈制導(dǎo)的需求催生了最早的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。二戰(zhàn)后，軍艦、潛艇和飛機(jī)的導(dǎo)航需求則推動(dòng)了慣導(dǎo)系統(tǒng)的技術(shù)不斷提升，從液浮陀螺到氣浮陀螺，再到靜電陀螺，陀螺的精度不斷提升。然而，隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的成熟，以及GPS系統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)的建設(shè)完成。慣導(dǎo)系統(tǒng)受到了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。不過，GPS被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，其信號(hào)易于被干擾、衛(wèi)星易于被攻擊的弊端也開始逐步顯現(xiàn)。各國(guó)都在研究擺脫GPS依賴的方法。于是，通過和前沿科學(xué)相結(jié)合，慣導(dǎo)系統(tǒng)再度煥發(fā)了新生。核磁共振陀螺、量子羅盤等先進(jìn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的問世，使得慣導(dǎo)系統(tǒng)再度具備了和GPS接近的導(dǎo)航能力。未來(lái)，新一代慣導(dǎo)逐步接過GPS的大任正在成為可能。

責(zé)任編輯：王鑫邦

? ?在建筑物中使用的Navsop設(shè)備（腰間所系者）與智能手機(jī)一樣小，并且使用微型無(wú)線電接收器.

? ?現(xiàn)在城市中充斥著各種信號(hào)，BAE公司的Navsop系統(tǒng)就是利用這些已知信號(hào)進(jìn)行自身定位。