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邱志明:导航技术已成为人类全方位活动的重要支撑

2022-05-10 17:02:51  来源:中央广电总台国际在线  责编:郑思雯

  国际在线消息:5月10日,由中国软件行业协会主办的2022中国软件产业年会举行,大会以“数字经济新时代--软件产业赋能高质量发展”为主题,盛邀产业主管部门领导、两院院士、京津冀行业主管部门领导、国内外软件领域知名专家、领军企业负责人、行业组织和机构代表等业界翘楚及权威媒体,传递政策之声、洞察产业之势、研究发展之策。

  大会现场,中国工程院院士邱志明进行了主旨报告。

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  以下为实录全文:

  大家好!

  随着导航技术进入我们的手机,进入我们的汽车,进入我们的生活,也进入我们的社会,所以越来越多的人对导航技术感兴趣,下面我对导航技术的发展与应用做报告。

  我想从海上舰船的导航,到无人系统的导航技术,用在国防装备的,到我们探索新的导航技术以及未来集群的导航技术,给大家谈一点思考与认识。

  导航技术非常重要,它已经是现在人类社会经济和军事发展的非常重要的技术,在一定程度上代表了人类探索世界、认识世界的历程。导航技术现在已经成为人类全方位活动的重要支撑,已经进入到生活的方方面面,而且它可以长期稳定的为国家的正常运转提供服务保障。同样,导航非常重要,它也是我们国防装备的关键装备。

  我们先来看看海上的舰船导航。舰船在大海航行,需要提供它的位置航向、航速、水平和方位的一些数据,来保证舰船在大海上航行的装备,当然舰船上有很多设备装备,同样需要导航来起作用。比如说回声探测仪、陀螺仪、计程仪、陀螺罗经等等,当然导航技术发展很快,有卫星的导航技术,天文导航技术、无线电导航技术、惯性导航技术等,卫星导航数据现在应用非常广泛,刚才说的手机的导航定位等等,像现在的北斗导航,也包括GPS导航。传统的导航进步了,磁罗经也还在学,是利用磁针受地磁作用,指向地磁南北极来作用。陀螺仪还有计程仪,计程仪顾名思义是测定舰船的航速与航程,回声探测仪是利用声波,来测海上舰船的水深。

  天文导航现在发展的也是很快,与惯性导航技术同属于自主导航技术,定位精度不是很高,误差不积累,但是它的精度,取决于光学敏感器的精度,而且不仅可以提供位置信息,还可以提供高精度的姿态信息。用的最多的就是惯性导航,现在在很多舰船、飞机、车辆大量的军事装备、国防装备在用。作为惯性导航系统的核心,是一个陀螺,陀螺敏感器件决定了关键的性能,也可以从本质上决定了整个系统的因素,现在还有人在发展原子陀螺,甚至有人在做量子陀螺。

  无线电导航技术、惯性导航、卫星导航各有优缺点,无线电导航不受时间、天气的限制,精度高、作用距离远,定位可靠,但是缺点是易被发现和干扰,需要载体外的导航台支持,易发生故障。惯性导航技术自主,比较好,隐蔽性好,不受外界干扰,可以全天候工作,产生的导航信息也可以连续性,而且数据更新也比较好,但是它的缺点是定位误差是随时间不断的增大。另外一开始启动,需要一定的初始对准时间。卫星导航技术,现在大家都很清楚,大量地在运用,它的优点很突出,全天候导航,功能多、应用广,导航精度高,自动化程度高,缺点也是一样,受到攻击,特别是军事方面。

  除了舰船导航需要这些导航信息之外,舰艇上的装备特别是武器系统,也非常需要导航信息的保障,因为任务武器在飞离舰船的时候,首先要知道自己的位置、速度、姿态等信息,需要我们对这些系统进行对准,也有人叫做初始对准技术。我们要把粗对准,主管道的误差通过一定的手段与算法消除掉,滤波掉,称之为精对准。

  随着舰船发展,有航母,航母上有导弹、有飞机。飞机同样,从舰艇起飞之后需要对准,通常用的是惯岛对准技术,平台上待对准技术……进行初始对准。当然我们说导航技术,大量应用在无人机系统,应用的比较多像无人车、无人驾驶,地面的无人系统的导航系统,常用的主要是组合导航技术,就是惯性+里程计,以及惯性+卫星,以及惯性+视觉,以及惯导+激光雷达进行视觉导航。我们说惯岛+卫星,比较好理解。

  对于空中的无人系统导航技术,因为空中无人导航系统有地磁导航、视觉导航、天文导航技术等等,这些导航技术同样各有优缺点。对飞行器,对舰船的航行器,导航一般都是多少。比如说图形匹配导航技术,导航精度高、隐蔽性好,感应能力较强,全天候工作,但是受气候影响比较大,不能随意更改预定的路线。地磁导航技术隐蔽性好,没有辐射,不受干扰,能耗还比较低,全天候全地域,但是需要大量的地磁数据。另外装在飞机上,容易受其他机载设备对它的电磁干扰。视觉导航,比如说可以获得信息,进行环境感知,具有独立性、可靠性、准确性和信息完整性,但是需要依靠参照物,所以用于空中无人导航系统,现在的发展也是非常快的,也都各有优缺点。

  对于海上的水面无人系统的导航技术,包括我们国家也有在做重力仪,国内研究室也有做的比较好的量子梯度的重力仪,做的也是比较好的。水下无人航行器的导航定位,现在技术发展的也是非常快,这块的研究领域也非常活跃,除了前边所提到的,还有航位推算、声学导航、地球物理导航技术、地图构建导航技术、水下视觉的导航技术等等。水下无人航行器用的很多的都是惯性导航,这是用的比较多的,除了惯性导航,水下惯性+水下声学导航,这也是用的比较多的,声学导航有长基线、短基线、超短基线,比如说英国的LBL的产品,法国也有,美国也有,当然我们国家也有。

  用在水中的鱼雷导航技术很活跃,它的导航技术也包括惯性导航、卫星的导航、水下声学导航,当然也包括匹配导航,匹配导航包括地形、地磁、重力场匹配,也包括水下多普勒导航技术,以及组合导航技术,现在有很多水下的导航技术用在鱼雷的,有很多技术在发展。现在比较成熟的是惯导+多普勒计程仪,惯性导航再加上我们提供高精度的速度信息,抑制定位误差的积累,具有自主性与定位精度比较高的优点,从目前来看这是用在水雷、鱼雷比较多的导航系统。

  我们还有新的探索导航技术,比如说仿生导,就是模仿生物导航的机理,现在发展的非常非常火热,研究的非常多。主要有两大方向,一个是仿生传感器技术,一个是仿生的导航算法。当然这个技术目前来看,受器件的影响,它的应用还达不到很高的水平,但是这块我们说仿生导航技术,还有很大的发展前景,特别是在算法与器件上,有很大的发展空间。

  我们新的导航技术,还有现在很多人提出来的量子导航技术,随着量子技术的快速发展,量子在仪器在传感器方面,由于它可以做到精度非常高,而且体积可以做的很小,所以有人提量子导航技术。根据它的定位方式的不同,又有人现在把它可以分为量子的有源导航系统和量子的无源导航系统。量子的有源导航系统是采用发射与接收量子信号来定位,使用卫星做好信号源,量子的无源导航系统是用量子的传感器设备,利用它的高精度进行定位,不需要外部信号,通过自身来检测高的敏感性,来解决这个问题。

  比如说蜂群飞行器的编队,无人车队包括水下的微群,可以支持复杂的情况,同样需要进行导航定位。而且无人系统,有协同的导航定位。对于协同导航定位,现在大家关注的是两大导航技术,一个是无人系统集群的协同定位技术,一个是无人系统集群的协同定位结构。每个无人系统,可以从外部之间有相对的信息,利用这些信息进行协同的定位。它的定位结构可以分成两种,一种是主从式的,就是要有一个携带高精度的导航传感器的无人系统,就像大雁的领头雁一样,其他都是从节点,以它为主,其他可能是携带低成本低精度的导航传感器。第二种是并行式的多无人系统的协同定位结构。大家都装载了相同的导航定位的设备,在团队当中它们的定位都是相同的。无人系统集群,未来也会得到很广泛的应用。

  导航技术随着不断的进入我们的生活,进入我们的社会,我相信会有越来越多的人,来关心导航技术的发展与应用。我今天的报告完毕,谢谢大家!

  (声明:所有会议实录均为现场速记整理,未经演讲者审阅,国际在线登载此文出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其描述。)

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