对导航标准体系建设的若干思考

徐 瑞，朱筱虹，赵金贤

(北京环球信息应用开发中心，北京100094)

对导航标准体系建设的若干思考

徐 瑞，朱筱虹，赵金贤

(北京环球信息应用开发中心，北京100094)

导航是现代社会必不可少的信息技术。建立导航标准体系是导航标准化建设的重要内容，是导航产业化发展的前提。明确了导航标准体系的概念和建立范畴，提出导航标准体系的设计原则，在此基础上给出导航标准体系的建立方法，对建立导航标准体系有一定的参考意义。

导航;标准;标准体系

一、引 言

导航是一种为运动载体航行提供连续、安全和可靠的定位服务的技术，其最基本的要素是载体的实时位置(坐标)、运动速度、运动方位(航向)或已运动的距离等［1-2］，而位置、速度和时间信息表达了物体运动的基本状态，是信息化的基本要素。现代信息社会中85%的信息要求具有位置、速度和时间属性。因此，导航是人类从事政治、经济和军事活动所必不可少的信息技术［2］。

近年来，随着各种先进导航技术的不断涌现和发展，各行各业对导航技术的依赖日益明显。导航技术本身也呈现出飞速发展的势头，取得了显著的社会效益和经济效益。特别是在维护国家利益、实施国家发展战略中，导航技术也发挥了重要作用。当导航产业百花齐放、百鸟争鸣时，完善的标准体系至关重要［3］。然而，导航作为一个多学科交叉与融合的技术领域，涉及的标准相当繁杂。目前出台的标准相对零散、薄弱，远未形成完整的标准体系。同时，现有标准的推广应用水平也十分有限，不但抑制了国内导航系统的发展，也抑制了多导航系统的综合应用，阻碍了国内导航应用产业的发展［4］。当前，建立健全导航标准体系是导航体系建设的核心任务之一。

迄今为止，对导航标准体系的研究仍处在起步阶段，导航标准体系尚属空白［4］。本文从导航标准体系的概念入手，首先明确了导航标准体系的建立范畴;其次总结了导航标准体系的特点，进一步指出了导航标准体系的设计原则;最后给出了建立导航标准体系的具体方法，旨在为导航标准化建设梳理思路。

二、导航标准体系的概念和范畴

导航标准体系是导航领域内的各标准按其内在联系形成的科学的有机整体，它包含标准体系结构、标准涉及的范围，标准体系内各项标准之间固有的关系等。

本文首先从系统的角度讨论导航标准体系的建立范畴，如图1所示。

图1 导航标准体系的建立范畴——系统角度

如图1所示，目前的导航系统可分成自主式和非自主式两类［2，5］。自主导航是指完全依靠所载设备，自主地完成导航任务，与外界不发生任何光、电联系，它包含四个要素，即独立、实时、无辐射、不依靠地面设备的导航。而非自主导航必须依赖其与外界的某种联系或某种观测而实现的导航。根据自主导航采取的不同手段，又可划分成推算导航、匹配导航和天文导航三类。推算导航是通过推算一系列测量的速度增量来确定目标位置的一种自主导航方法，包括航位推算和惯性导航两种。航位推算［6-7］是最常用的车辆定位技术，它利用方位传感器和距离传感器提供的方位角和位移推算出车辆的位置;惯性导航［8-10］是通过对安装在稳定平台(物理或数学的)上的加速度输出进行积分来确定载体的位置和速度，它的应用领域非常广泛，可用于空间、航空、陆地、海上和水下。推算导航系统的优点是自主性强，其缺点是定位误差会随时间累积。

匹配导航是一种辅助导航手段，它采取导航信息匹配技术与载体已经存在的导航数据进行匹配以估算出载体的位置信息，满足不同载体的导航定位需求。根据目前匹配导航技术的发展，主要包括地形匹配、景象匹配、地磁匹配和重力匹配等四种匹配导航技术。地形匹配导航［11-12］是利用测得的高度与地形数据库中的数据进行航路地形匹配导航，通常装备在低空作战的运动载体上。地形匹配导航与惯性导航组合，可以利用地形信息校正惯导的积累误差。景象匹配导航［13］是利用红外、近红外、可见光、SAR雷达等光电传感器拍摄实时地面图像，然后与标准图像数据库进行匹配来得到载体的位置和航向信息，适合于超低空飞行的飞行器导航或导弹末制导。地磁匹配［14］是利用地磁传感器实时测量某区域的地磁数据，从载体的地磁数据库中查找相应的预先存储好的地磁图数据(包括该区域的经纬度信息和地磁场特征信息)，利用匹配算法估计出载体的位置信息。重力匹配［15］是利用重力传感器实时测量重力特征数据并与载体中已经存在的重力数据及其相应的位置信息进行匹配，利用匹配解算软件，求得最佳匹配位置，重力匹配导航通常辅助惯性导航，来校正惯导的累积误差。

天文导航［16］是以太阳、月球、行星和恒星等自然天体作为导航信标，以天体的地平坐标(方位或高度)作为观测量，进而确定测量点地理位置(或空间位置)及方位基准的技术和方法。天文导航不需要设置专门的导航信息源，但因其导航信息源在载体之外，有时又将其称为半自主式导航，根据目前天文导航技术的发展情况，主要包括星体观测和脉冲星导航［17］。星体观测主要是以恒星作为导航信标来测定飞行器位置和航向。脉冲星导航是以脉冲星为导航信标的天文导航手段，脉冲星是太阳系以外的遥远天体，它们的位置坐标，犹如恒星星表一样构成一种高精度惯性参考系;脉冲星可以提供绝好的空间参考基准和时间基准，所以脉冲星是空间飞行器的极好的天然导航信标。

非自主导航目前指的就是无线电导航。根据导航台所处的不同位置，将无线电导航进一步划分成地基无线电和星基无线电导航［2］。如果导航台设在陆上或舰上，称为地基无线电导航;如果导航台设在人造卫星上，称作卫星导航。目前，地基无线电导航主要有无线电信标、罗兰、伏尔、多普勒、塔康、仪表着陆和微波着陆系统等;卫星导航系统主要有美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的 Galileo系统、我国的区域导航系统以及WAAS广域增强、LAAS局域增强等卫星增强系统［18-19］。

归纳上述各种导航系统的根本出发点是如何科学有效地应用各类导航系统，满足不同用户的导航需求。因此，有必要从用户角度给出导航体系范畴，如图2所示。

从用户应用的角度来看，可以得到以下两点启示：①由于各种导航系统或手段都有各自特定的应用背景以及各自固有的缺点，在具体应用过程中，最好是将多种导航系统组合起来，发挥各系统的优势，从而更好地满足用户的导航定位需求。组合是导航系统应用发展的重要趋势，因此，组合导航的发展趋势必然要求与之配套的标准体系。② 导航的应用已经从只提供导航定位信息为主，转变为以移动通信和互联网等信息载体融合提供导航定位服务的新阶段，使导航的应用领域不断扩大，应用水平不断提高。因此，在建立导航标准体系时，也不能忽略与之相关联的标准。

从系统角度和用户角度不难看出，不同的应用应有不同的标准体系。显然，无论是自主导航、非自主导航或多系统组合导航都必须有相互协调的、便于综合应用的标准体系。

三、导航标准体系的特点

1.结构性

根据导航标准体系的建立范畴，导航标准体系内的标准按其内在联系分类排列，就形成了标准体系的结构形式。导航标准体系的基本结构形式主要有层次结构和过程结构。标准体系的层次结构通常反映标准对象的隶属或包含关系。导航体系的层次结构决定了相应标准体系的层次结构。例如，各种导航产品通常由大的部件组成，各部件又由许多关键件和零件组成，其产品结构通常表现为产品、关键件、零件三个层次，因此相应的导航产品标准可分为产品标准、关键件标准和零件标准。标准体系的过程结构通常反映标准对象的活动过程和顺序关系。标准对象的过程结构决定了标准体系的过程形式。

图2 导航标准体系的建立范畴——用户角度

2.协调性

导航标准对象的内在联系决定了标准体系内各项标准的相关性。制定和修改其中任何一个标准都必须要考虑对其他各相关标准的影响。导航标准体系的相关标准必须协调、相互配合、避免相互矛盾。

3.完整性

按导航标准对象的内在联系形成的标准整体并非是个体标准的简单相加。对一个孤立的标准，人们往往关注该标准提出的具体要求是否合理，当把该标准置于标准体系之中后，人们才能看出，要实现该标准规定的要求，需要其他一系列标准与之配合，如果标准体系不完备，该标准所规定的要求最终将难以实现。

四、导航标准体系的设计原则

根据导航标准的应用范畴和导航标准体系的三个特点，在构建导航标准体系时，应遵循如下基本原则。

1.结构性原则

该原则强调整套导航标准体系必须具备合理的结构和层次。导航体系本身有其结构性和层次性，各系统既有层次结构，又有过程结构;即使某个系统内部，也依然是层次结构和过程结构的有机体。合理的结构是指标准架构要完备，结构要严谨;合理的层次是指，无论大的组合导航系统，或单一的导航子系统，甚至关键件或零部件，必须划分合理，层次分明，并构成一个相对完整、有机的整体。

2.协调性原则

该原则强调的是在制定标准体系时，体系内的各项标准要相互配合，制定和修改其他任何一项标准都必须要考虑到对其他各相关标准的影响;不但要考虑体系中每种导航系统内部的标准，理清各个导航系统内部的标准体系，而且也不能忽视各导航系统之间组合和信息融合方面的相关标准，否则标准与标准之间即可能出现矛盾。

3.完整性原则

导航技术是多学科技术的融合，它同航天、电子、通信、测绘等行业间都有着密切的联系，因此在设计导航标准体系时要充分考虑其跨行业的特点。为寻求完整性，设计导航标准体系时，要充分考虑与其他相关联标准的联系，如移动通信和互联网等信息载体融合方面的标准。此外，如有需求，某些相关行业的标准可以直接纳入导航标准体系中。

五、导航标准体系的建立方法

目前，标准体系的建立方法主要有以下两种：

1)从局部到整体的建立方法［20］，该方法指的是根据实际需要制定急需的标准，再根据新的需要增加新标准，渐渐形成一个小体系。随着标准化目标的扩展，又会开发出新的标准化领域，产生新的小体系以及与许多小体系相关联的基础标准、管理标准等。这些实施中的标准和局部的体系又在实践中接受检验，并根据客观要求，不断调整、修改、补充、完善。这个过程是无止境的，很难说到哪一天标准体系就彻底建成了。它实际上是一个由不成体系的少数标准到足够数量标准的累积过程;由标准之间联系不很密切到联系更加紧密的调整和完善过程。

2)从整体到局部［20］，该方法首先确立标准化目标，同时规划、设计实现该目标所需要的全套标准，然后，根据总体设计，制定出全部所需标准，并形成具有一定规模、具备一定功能的标准体系。如果标准体系的目标不明确，仅为建体系而建体系，将会导致标准之间协调不足或根本不协调。体系建得越快，协调越不充分;体系越庞大，需要协调的因素越多，难度越大，遗留的隐患就越多。结果是体系越庞大，瘫痪越快，寿命越短。从整体到局部的体系建设对于有限目标和小范围的局部标准体系是可行的。标准体系的覆盖面越宽，体系的要素越多、要素的更新越频繁，采用这种途径越困难。

考虑到导航标准体系的复杂性，标准体系的建设很难一步到位，而且标准体系的建立也是一个逐步协调、逐步完善的过程。因此，导航体系标准也应遵循局部到整体、循序渐进的方法。

在采用从局部到整体的方法建立导航标准体系时，首先要梳理现有标准，即分析国内外导航领域中各个导航系统已经制定和颁布的标准，理清各导航系统的标准现状。其次，要建立导航领域中各导航系统的分标准体系。对于发展较成熟的导航系统，如果其标准已成规模并能够形成一定体系，就按照已经形成的体系来归纳该导航系统的标准体系，并根据其相关技术的发展趋势，补充该系统内急需制定的标准。对于尚在发展中的导航系统，如果其标准很少，相关标准不成规模，就根据目前及将来一个时期内该导航技术领域的发展趋势，预测其相关标准并建立标准体系。再次，根据组合导航目前技术的发展，给出各导航系统之间组合和信息融合方面标准的建议;同时，在导航技术与网络技术融合方面，给出标准制定的建议。最后，在给出的各导航系统分标准体系及组合导航和通信融合等方面标准建议的基础上，找出共性，给出整个导航领域的标准体系结构。当然，这样建立起来的整个导航标准体系不见得严密无缝、完全配套，还需要在长期的生产应用中不断改进和完善。

六、总结与展望

随着导航技术的进步，导航领域中涉及的各种导航系统仍在不断淘汰和发展中，因此，导航标准体系的建立仍然是一个不断更新、改进和完善的动态过程。本文明确了导航标准体系的建立范畴，讨论了导航标准体系的建立方法，对导航标准化工作进行了有益的探索。可以预见，随着导航标准体系的不断完善，我国导航标准化建设将逐步向前推进，将促进整个导航产业规范、科学和良性发展。

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Some Considerations for Establishing the Standard Structure of Navigation Systems

XU Rui，ZHU Xiaohong，ZHAO Jinxian

0494-0911(2010)11-0011-04

P228

B

2010-08-25

徐 瑞(1980—)，女，北京人，博士，工程师，主要从事卫星导航专业总体研究。