4.4 混合定位导航

    混合定位导航是指将两种或多种定位导航技术组合在一起使用的定位导航应用模式。混合定位导航可实现多源导航信息融合，既可发挥不同定位导航技术的优势，又能互相弥补各自的不足，提高定位结果的可靠性、精确性和稳定性。

4.4.1混合定位导航概念

    每种定位技术都有其优点和不足。例如，卫星定位精度高，可在全球范围全天候定位，且操作比较简单，但首次定位耗时也较长，若在室内、隧道内或遇到地形、楼房等遮挡的情形时，定位信号较差，甚至不能定位；无线通信基站定位速度快，不受地形、楼房遮挡影响，但定位精度不高、稳定性相对较差。在实践中，采用单一定位技术往往不能解决实际问题。因此，为了满足实际应用需要，将两种或多种定位技术组合在一起使用的方法便自然而然地产生了。

    在生物界，已经发现一些动物采用的就是混合定位导航模式。例如，远距离飞行的非洲大蝙蝠，在白天飞行的时候利用地磁导航，最终以落日为参照物修正航向回到栖息地。

    人类很早就产生了混合定位导航的思想。我国北宋著名学者沈括在其著作《梦溪笔谈》中就有:“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南。”准确描述了航海时组合使用天文导航和指南针导航的方法，这也是世界航海史上最早使用指南针的记载。从文中可知，天文导航是那个时代主要的导航技术，只有在观察不到日月星辰的“阴晦”天气时才使用指南针导航，说明指南针导航尚不够成熟。

混合定位导航可以是两种或多种同一类定位导航数据源的组合，如同时接收GPS、GLONASS和BDS信号的混合全球卫星定位导航模式。应用更多的是不同类型定位导航技术的组合，如GPS和惯性导航混合模式，GPS、惯性导航和地形匹配导航混合模式等。现代混合定位导航技术自20世纪70年代开始迅速发展，目前应用比较广泛的混合定位导航技术主要有全球卫星定位系统与通信基站定位组合、全球卫星定位系统与惯性导航组合(INS+GNSS)、惯性导航与地形匹配导航组合(INS+TM)、惯性导航与无线电导航组合(INS+RNS)等。

4.4.2混合定位导航技术

1.全球卫星定位系统与通信基站定位组合

全球卫星定位系统与通信基站定位组合的定位导航技术广泛应用于智能手机的定位导航，主要有A-GNSS和GPSOne两种组合形式。

1) A-GNSS技术

A-GNSS(assisted GNSS)是一种将移动通信网络基站信息与GNSS定位信息相结合对移动终端进行定位的技术，其中采用GPS导航芯片的A-GPS技术发展比较完善，应用广泛。A-GPS技术是在移动网络上增加位置服务器、差分GPS基准站等设备，同时改造集成有GPS芯片的手机天线，使手机同时具备利用通信基站无线网络标识号( CELLID )和GPS进行定位导航的能力。当移动用户定位时，系统利用移动通信网络基站预先捕获的GPS信息及其他辅助信息进行定位，并将定位信息传送到移动用户终端,既能快速定位,又具有较高定位精度;在室内等GPS定位失效的环境中，直接利用CELLID定位。图4.32是采用信号强度法( RSSI)的A-GPS系统结构示意图。

2) GPSOne技术

GPSOne是一种GPS与CDMA网络信号组合的混合定位导航技术。由多个高灵敏度GPS接收机组成广域GPS卫星参考网络，负责全天候接收覆盖区域上空的所有GPS卫星信号，动态刷新存储于定位平台上的GPS数据库。当手机用户终端需要定位导航服务时,通过无线网络向定位平台发送最邻近基站等信息，然后就可以从定位平台获得GPS定位信息，在尽可能缩短卫星捕获时间的同时，也可大幅度降低手机定位的耗电量。GPSOne混合定位技术具有精度高、定位时间短、适用范围广、终端集成度好等优点，定位精度可达5 ~ 50m，完成一次定位仅需几秒到几十秒。

2.全球卫星定位系统与惯性导航组合

全球卫星定位系统与惯性导航组合的定位导航技术(GNSS+INS)是精确制导武器常用的定位导航模式。

INS完全自主导航，保密性强，机动灵活，短时间定位精度高，具备多功能参数输出，但是定位误差会随时间迅速积累，影响导航精度，在长时间、远距离定位导航时，必须不断加以校准。GNSS具备全天候、全天时全球范围导航能力,定位结果稳定性好,精度适中，但存在易受干扰且受干扰时误差增大、遮挡时丢失信号、动态环境中可靠性差、数据输出频率低等缺点。因此，利用INS和GNSS各自的特点取长补短，借助GNSS连续提供的较高精度定位和速度信息，估计并校正INS的定位误差、速度误差和系统其他误差参数,实现对飞行器不断对准和标定，同时借助INS的优点弥补GNSS易受干扰和遮挡时丢失信号等不足，实现对长距离高速飞行器的精确定位导航。目前，GPS+INS混合定位导航技术应用比较成熟，尤其在精确制导武器中应用比较多。

GNSS/INS组合的关键器件是作为接口并起数据融合作用的卡尔曼滤波器。在混合定位导航技术中，卡尔曼滤波技术是实现最优组合各导航系统信息的常用方法。利用卡尔曼滤波器可估计出导航系统的误差状态，并根据误差状态的最优估计值对系统进行校正(图4.33)。此外，神经网络人工智能等方法在混合定位导航中的应用已被高度重视。

3.惯性导航与地形匹配导航组合

地形起伏、地磁场强分布、微波辐射、红外辐射、无线电波反射等许多与地理位置密切相关的特征信息常被用来辅助定位导航，因此就有了地形匹配导航、地磁匹配导航等辅助导航技术。

地形匹配( terrain matching, TM )指地表特征与地理位置之间的对应关系；地形匹配导航就是利用这种对应关系进行定位导航的技术。在将该技术应用于导弹等武器，自主引导攻击目标时，通常称其为地形匹配制导技术。

地形匹配以地形轮廓线为匹配特征，用雷达或激光高度表作为遥感装置，将沿飞行轨迹测取的一条地形等高线剖面图实时与预先存储在飞行器上的基准图进行匹配计算，确定实际飞行位置与标准位置的偏差，再根据偏差按预存程序实时运算和发出指令，经信号变换后由执行机构控制发动机推力矢量方向，改变飞行器运动轨迹，达到准确导航的目的。地形匹配导航系统的性能与地形的选择有很大的关系。

地形匹配导航的优点是容易获得目标特征，基准源数据稳定，不受天气变化影响；缺点是精度较差，一般为100m量级，且不宜在平原地区或大面积水域上空使用。因此，将惯性导航技术与地形匹配技术组合的惯性-地形匹配导航系统(INS+TM)，利用地形匹配信息对惯性导航参数不断校准，可以有效提高导航的准确性，精度可提高到10m量级。

4.惯性导航与陆基无线电导航组合

惯性导航与无线电导航组合的混合定位导航是民用航空广泛采用的导航模式。陆基无线电导航系统技术成熟，信号资源充足，而且误差不随时间和位置发散，是飞机可靠的导航手段。如伏尔(VOR)甚高频全向信标，测距器(DME)近程航空导航系统，微波着陆系统(MLS) ,塔康战术空中导航系统( TACAN )等，都是常见的陆基无线电导航系统。

民航客机惯性导航系统可输出多项导航参数，定位导航精度提高很多，但是惯性导航误差随时间积累的缺点仍然存在。利用陆基无线电导航系统，通过系统校正消除惯性导航位置坐标误差，就可为民用航空提供准确、安全的定位导航信息服务。

4.4.3混合定位导航系统应用举例

混合定位导航具有明显的技术优势，不论在军事还是民用领域都有十分广泛的应用。

在军事领域，精确制导武器、作战飞机和舰船、军事侦察与作战指挥系统中，都能见到混合定位导航技术应用的身影。精确制导武器，如“战斧”巡航导弹，是美国现役最主要的纵深打击武器之一,有多种型号，射程数百千米到2500km,能够从陆地、水面舰船、空中或水下发射，在航行中采用惯性导航与地形匹配混合制导或惯性导航与GPS混合制导技术，低空飞行，命中率高，在近些年的局部战争中多次被使用。

在民用领域，混合定位导航技术同样大有作为。如在精准农业领域，将基于INS+GPS技术的农用机械自动导航控制系统安装在拖拉机等农用设备上，根据作业田块和实际工作需要规划农机行驶路径,如直线行走、地头转弯行走等，可实现对农业机械的智能化控制。又如，在高速铁路列车定位、民用无人机和水下航行器导航等方面，混合定位导航也有重要的应用。

高速列车运行速度高达每小时300km以上，要求列车运行控制系统必须在任何时刻、任何地方都能确定列车的准确位置，包括与行车安全相关的列车间隔、速度、加速度以及铁轨旁设备和车载设备资源的分配等，利用这些信息确定是否需要采取制动措施，保证安全间隔。可见高速铁路列车的定位要求非常高，先进的光纤光栅传感器定位、混合定位导航等才能满足要求。航位推算、全球卫星定位系统和地图匹配组合（DR+GPS+MM）的混合定位导航方法就是高速列车定位和追踪常用的方法之一。

    航位推算也称航迹推算（dead reckoning, DR），是以当前时刻位置为起算点，通过测量移动距离和方位，推算下一时刻位置的方法，是车船定位导航中常用的一种技术。地图匹配（map matching, MM）是将车辆定位轨迹与数字地图中的道路网信息相匹配，由此确定车辆位置的一种定位技术，主要用于在铁路站场环境中提高DR+GPS的定位精度。

DR+GPS+MM定位信息采用卡尔曼滤波进行数据融合，最终输出精确可靠性最好的定位数据。