不止靠卫星，导航的方式多种多样
【不止靠卫星，导航的方式多种多样】＂
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近日 ， 美国宇航局正式将“六分仪”技术应用在脉冲星导航中 ， 并验证了其在太空导航的可行性 。 或许有一天 ， 脉冲星导航会成为人类太空探索的“灯塔” 。 有人会问 ， 导航难道不是要靠卫星吗？事实上 ， 导航方式的多样性远远超乎你的想象……
导航分自主和非自主
你可知道 ， 导航可不仅只靠卫星 ， 事实上 ， 导航的多样性可能远远超乎你的想象 。
比如脉冲星导航技术：太空导航需要确定一维时间和三维空间的参数 ， 即“我现在在哪”和“现在的年、月、日、时、分、秒” 。 这样 ， 太空导航问题就转变为求解3个位置坐标及1个时间参数的问题 ， 脉冲星导航将会是太空导航问题的完美答案 。
目前 ， 已发现的脉冲星已经超过2000颗 ， 就像是散布在宇宙中、相距上千光年的“灯塔” ， 所以太空飞船不管飞到哪 ， 都能接收到来自不同方向的“灯塔信号” 。 科研人员通过测量脉冲星辐射到达的时间 ， 可计算出飞船相对于脉冲星的距离 ， 从而得到一个方程式 ， 解决探测器在太空中的导航难题 。 或许有一天 ， 脉冲星导航作为探测器的“灯塔” ， 会成为未来人类探索太空任务的“标配” 。
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脉冲星磁极信号辐射模拟图
无论是地球上的人类、太空中的探测器还是武器系统 ， 都需要导航设备 ， 导航的种类也是五花八门 。
导航设备根据对外部的依赖性 ， 可将其分为非自主导航设备和自主导航设备 。
非自主导航技术是通过接收外部信息进行导航定位的技术 。 最常见的是以北斗和GPS为代表的卫星导航 ， 该导航技术具有优异的导航精度 ， 位置精度可达亚米级 ， 速度精度可达0.05米/秒 ， 在众多领域获得了极为广泛的应用 。
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北斗卫星导航系统示意图
但在实际应用中 ， 卫星导航系统也存在一些局限性 。
首先 ， 卫星导航所采用的电磁波信号到达地表时相对微弱 ， 容易受外界干扰 。
其次 ， 当卫星导航用于武器系统时 ， 容易“受骗” ， 即可以通过外部设备输入假的定位信息 ， 让武器系统误以为自己在某一区域 。 2011年12月4日 ， 伊朗使用俄罗斯援助的电子战系统输入的“假消息”干扰了卫星导航信息 ， 成功诱骗了一架美军的RQ-170无人侦察机 ， 得到了非常完整的机体 。
再次 ， 卫星信号在山洞、地下、水下等复杂环境下使用有一定的局限性 。 在我们日常生活中经常会遇到这种情况 ， 如使用手机导航 ， 在经过地下通道、隧道、两侧高楼大厦林立的道路时 ， 经常会听到“导航信号弱 ， 当前定位不准确 ， 请谨慎驾驶”的提示 。
概括起来说 ， 非自主导航设备需要外界设备告诉你在哪里 ， 如果通讯的通道被打断 ， 或者信息被截获并给出假的信息 ， 则会产生很严重的后果 。 因此 ， 人们在一些领域也采用自主导航技术 。
那么 ， 自主导航和非自主导航又有什么区别呢？
这些导航系统各有所长
自主导航是系统凭借自身的能力确定自己所在的位置 。 这时有人就会想 ， 既然脉冲星脉冲比较稳定 ， 那么地面的武器设备是否可以使用脉冲星导航呢？答案否定的 ， 因为脉冲星导航使用的信号主要为X射线 ， X射线无法穿越地球稠密的大气层 ， 因此地面设备无法使用脉冲星导航 。
目前的自主导航技术依靠自身设备确定与外界固有规律（如重力加速度、地球自转角速率、天体等之间的关系）完成自身定位 ， 如惯性导航、天文导航、视觉导航、数据库匹配导航、仿生偏振光导航、声学导航 。
那么 ， 这些自主导航是怎样工作的呢？
惯性导航系统内含有可以测量3个方向角度变化的陀螺仪和3个方向速度变化的加速度计 ， 陀螺仪可以告诉武器装备正在往哪个方向运动 ， 加速度计可以告诉武器装备在空间中飞得有多快 。
陀螺仪传感器
由于惯性导航完全不依赖于外界环境的信息 ， 可以全天候、全区域、实时、连续地进行导航 ， 且可以提供武器装备控制所需的所有导航参数 ， 由此也奠定了惯性导航在武器系统中的核心地位 ， 其他导航方式主要用于辅助惯性导航提高导航精度为主 。 当前 ， 天上飞的巡航导弹、制导弹药、超音速无人机 ， 陆上的装甲车、发射车 ， 海面的舰船、水下的潜艇都配备了惯性导航设备 。
天文导航和脉冲星导航类似 ， 把天上的星星视为“灯塔” ， 是最早采用的导航手段 。 古代航海过程中 ， 人们通常是采用天文导航的方式 ， 如根据北极星的方向 ， 可以确定当前航行的方向；根据与多个星星之间的方位及距离推算出当前的位置 。 这种通过检测当前位置与多个已知的自然天体之间的距离或者角度 ， 从而解算出当前的位置信息及姿态信息就是天文导航 ， 天文导航自主性强且精度高 ， 因此作为一种重要的辅助惯性导航的导航设备 ， 受到了较高的重视 。
视觉导航是大家最为熟悉的导航方式 ， 因为我们一直都在用视觉进行导航——我们通过眼睛观察周围环境确定自己与周围物体之间的距离以及自己所处的位置 ， 为我们要怎么走提供依据 。
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视觉导航是大家最为熟悉的导航方式
而武器系统中的视觉导航是通过摄像头 ， 它与我们的眼睛一样 ， 可以采集环境信息 ， 若环境中存在已知绝对位置的坐标点 ， 通过测量与该点的距离及方位 ， 可以确定自身的位置；若环境中没有绝对的位置信息 ， 则可以测量与某一固定位置距离的变化确定自身的速度信息；也可以通过采集环境信息中的视觉图像与自身存储的地图进行比较 ， 确定自身所在的位置 。 视觉导航广泛应用在飞行器、无人车等领域 。 就在今年4月 ， 美国宇航局对Draper实验室研发的视觉导航系统进行了测试 ， 以期望其在登录月球时使用 。
数据库匹配导航的“出镜率”并不高 。 它的原理是预先将某一区域内的信息（如重力、地磁等）在一定时间内 ， 将不会变化的固有特征信息采集并存储在设备中 ， 当导航设备在这一区域运动时 ， 将实时采集的数据信息与存储的数据信息进行匹配对比 ， 从而得到自身所处的位置信息 。 数据库匹配导航由于仅能在有数据库的区域进行导航 ， 因此在使用时也存在诸多的限制 ， 通常在海底等特殊领域采用这一导航方式 。 日本东京大学的重力匹配导航目前可达到75米的精度指标 。
而仿生偏振光导航的灵感来自于昆虫 。 研究表明 ， 多种昆虫、鸟类、两栖类生物都进化出了感知天空偏振光航向角并将其用于导航的奇异能力 ， 通过研究这些生物对偏振光感知的机理并制作相应的传感器 ， 可以帮助武器装备实现导航的目的 。 当前仿生导航已经成为导航领域的研究热点 ， 仿生偏振光导航目前还处于研究阶段 ， 尚未在实际工程中应用 。
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仿生偏振光导航的灵感来自于昆虫
声学导航在我们日常生活中也会经常接触到：当一辆车向我们驶来 ， 以及驶离我们的过程 ， 我们会听到车辆声音的变化 ， 这种变化就是耳朵接收声波频率的变化 ， 在声学领域称之为多普勒效应 ， 利用这种声波频率的变化可以测算出运动的速度信息 。 声学导航设备也可以向固定位置发射声波 ， 通过解算发射声波及收到发射声波之间的时间 ， 确定与已知位置点的相对位置 ， 从而得到位置信息 。 声学导航通常用于鱼雷、潜艇等为代表的水下应用领域 ， 目前国内声学导航定位精度可优于亚米级 。
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声学导航通常用于鱼雷、潜艇等为代表的水下应用领域
随着科学技术的不断发展 ， 多种导航设备进行数据融合 ， 已经成为未来的发展趋势 。
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