用导航技术指引现代化强国之路

祝传海

现代人出行，特别是选择自驾或步行等方式时，通常都离不开导航。随着城市建设的加快，道路越修越多，出行路线更加多元和复杂，如果没有导航，估计很多人都会迷路。事实上，导航不仅在日常生活中发挥着重要的作用，在军事领域更是不可或缺。导弹定位、士兵侦查等都离不开导航技术。近年来，世界各国的科学家们都特别重视对导航控制技术的研究和开发，致力于利用现代通信、自动化以及计算机等高新技术来提高导航的精度和性能。而这，也正是北京理工大学自动化学院副研究员韩勇强的目标所在……

“兴趣是最好的老师”

2002年，19岁的韩勇强考入燕山大学自动化专业。本科毕业后，他选择了北京理工大学导航、制导与控制专业进行深造。“读硕士前，我对这个专业一无所知。报专业时，我一看到‘导航‘制导这几个字，就非常感兴趣。”韩勇强说，“我一直都很喜欢军事，从小就喜欢阅读这方面的杂志。上大学时，有位老师谈及美国在某场战争中要用导弹去炸毁一座电站。他们发射了第一枚导弹将墙壁炸出了一个洞，第二枚导弹顺着这个洞钻进去把电站炸毁了。这个画面一直留在了我的脑海里，让我明白精准的导航技术可以有效助力军事战斗。于是我毫不犹豫地选择了这个专业。”

读硕士期间，韩勇强所在的课题组承担了很多国家重要型号装备的研制工作。而在众多高校中，能承担这类工作的屈指可数。韩勇强深感幸运的同时，也明白机会的难能可贵，即使是从又苦又累的基础性工作做起，他也毫无怨言。“在刚开始参与科研项目时，我就负责看杆。”韩勇强说，“一般在测试车辆导航系统的性能时，会在路边摆上一个标志杆。车子开走后，为了避免这个杆被移动或者被偷走，就得有人在那看着，而我就负责这个工作。虽然很简单，但是一想到测试的设备很有可能会用到我国某个武器平台中，我就有一种强烈的自豪感。”

“合抱之木，生于毫末；九层之台，起于累土。”成功从来都不是一蹴而就的。通过一点一滴的累积，韩勇强的科研能力逐渐增强，他负责的工作也由一些基础性任务发展到关键性功能的研发。到博士阶段，他在做导航系统的测试实验时，由于科研进度已经上升到保密阶段，相关单位不得不派警车进行保护。韩勇强笑着说：“当时内心里还是觉得挺威风的，但也深深感觉到肩上的责任巨大。”

在读博的最后一年，韩勇强远赴美国南加州大学进行交流学习。尽管当时的导师并不专攻导航，而是研究控制领域，但也让他受益匪浅。“学习知识，不仅要知其然更要知其所以然。在迈克教授的指导下，我学到了很多关于控制理论方面的知识，让我知道了现在所从事的专业的全貌，对其脉络有了一个清晰的认知。”韩勇强说，“就像是站在山顶俯瞰世间万物，有种豁然开朗的感觉。”

2013年，韩勇强以一名老师的身份回到了北京理工大学，主要从事惯性导航、地面平台导航、行人导航、水下平台导航等方面的研究。近5年来，韩勇强先后主持和参与了原“863”计划项目、型号项目研制、装发预研、国家重点研发计划等课题，研究成果成功应用于多款国家重要型号装备，年均科研经费超300万元。此外，他还在国内外核心期刊与会议中共发表SCI/EI论文30余篇，其中SCI收录10篇，申请发明专利20余项，授权5项，其中一项成功实现专利转化，创造经济效益21万元。

面对所取得的成绩，韩勇强坦言，人的成功需要正确的引导，最好的老师就是兴趣。尽管科研是枯燥无味的，但当你对它充满兴趣时，你就会发现，它是一件多么有趣的事情。

“努力把导航技术提升到一个新的高度”

导航看似简单，事实上它所包含的技术种类非常多。以车辆导航为例，韩勇强向我们介绍了目前世界上比较常用的几种车辆定位技术。

惯性导航系统（简称INS），是指不依赖于任何外界信息，靠自身的惯性敏感器件（陀螺仪和加速度计）测量导航参数的系统。它不受天然的或人为的干扰，具有良好的隐蔽性，是一种完全自主式的导航系统。“就好像一个人闭着眼睛走路，在心里默记自己走了多少步，转了几个弯，以此来推算自己移动后所处的位置。”韩勇强解释道，惯性导航的基本原理就是牛顿力学定律。根据所选惯性器件的不同，惯性导航系统又分为激光惯导、光纤惯导、MEMS惯导等多个类别，但无论哪种惯导，在长时间工作之后，会产生不同程度的累积误差。为提高系统的绝对精度，就需要增加其他导航传感器辅助定位。由于该系统的造价较高，所以它在普通车辆导航定位领域应用不多，主要用在军事用途上。

GPS具有全球性、全天候、连续及实时提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息等一系列优点，是实现全球导航定位的一种高新技术。GPS定位技术的基本原理是采用测量学中通用的测距交会确定点位的方法。但由于GPS是一种无线电卫星导航系统，在城市高楼区、林荫道、涵洞等地方有可能導致GPS定位信号的暂时中断；因墙体或山的侧面所造成的多路径效应，GPS接收机同样也无法识别，并可能导致相当大的偏差。这说明GPS定位系统虽然定位精度较高，但一旦可靠性遭到破坏，便会失去其导航能力。

“除此之外，车辆导航还会运用到航位推算系统（简称DR）、地图匹配（简称M M）、地面无线电频率定位（简称TRF）等技术。但不可否认，任何一种单一的导航系统其精度和使用范围都有一定的限制。”韩勇强说，“为了将各种传感器的测量信息进行综合利用，最大限度地提取有用信息，保障车辆定位的全程连续性，我们决定采用多传感器信息融合技术，研制各种实用的组合导航系统。”由此，他和团队成员开展了关于实时定位与制图（SLAM）技术的研究。

要理解SLAM技术，韩勇强介绍，首先还得从“视觉导航”说起。视觉导航，即利用视觉传感器（主要为摄像头）实现自身位姿信息的推算。它通过对周围环境进行不间断的拍摄，对相邻的两帧照片进行特征点匹配，从而获得自身的旋转和位移信息，进而实现位姿测量，这项技术又被称为“视觉里程计”。视觉里程计所推算的位置信息也存在误差累积的问题，把车辆行驶过的区域的特征点进行汇总处理，构建一个环境地图，当车辆再次行驶到这个区域时进行回环检测和误差修正，可以极大地消除累积误差，提高导航精度，这项技术就叫SLAM技术。

SLAM技术是当前世界范围内地面移动平台导航技术的热点。目前，韩勇强所在的项目团队基于本身在惯性技术领域的技术积累，在此项技术的研究上取得了阶段性的成果，并开始在物流机器人、室内巡航机器人、无人驾驶车辆等领域实现了应用。

除了进行车辆定位与导航，导航技术还可以在训练运动员、消防救援等方面发挥作用。韩勇强说：“例如目前我们团队开展了一项‘科技助力奥运项目。游泳运动员通过使用一些穿戴式的惯性气垫，在其运动时，我们就可以对他们的运动特性进行捕获，帮助其进行运动姿势纠正和技巧分析。再比如单兵导航系统不受环境制约，在日常的消防救灾中，它能为消防员提供精准的定位，避免消防员被火场包围。”

虽然导航技术在生活中得到了广泛应用，但其应用范围主要还是集中在军事领域。近期，韩勇强团队成功研制生产出陆用定位定向导航系统系列产品。该系列产品已在兵器加榴炮、迫榴炮系统和航天领域防空导弹发射车、指挥车等多个型号武器系统中得到应用。当被问及科研目标时，韩勇强笑着回答道：“我希望把导航技术提升到一个新的高度，从而加强我国军队武器的现代化建设，为国防事业做出积极贡献。”