地球自然矢量场定位导航技术发展研究综述

晏磊; 施闯; 李安; 曾庆化; 张全德; 汲万峰; 陈三明

doi:10.12265/j.gnss.2023136

地球自然矢量场定位导航技术发展研究综述

doi: 10.12265/j.gnss.2023136

晏磊^{1, 2},
施闯³,
李安⁴,
曾庆化⁵,
张全德⁶,
汲万峰⁷,
陈三明^2, ,

1.
北京大学空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室, 北京 100871
2.
桂林航天工业学院计算机科学与工程学院, 广西桂林 541004
3.
北京航空航天大学电子信息工程学院, 北京100191
4.
海军工程大学电气工程学院, 武汉 430030
5.
南京航空航天大学自动化学院, 南京 210016
6.
中国卫星导航定位协会, 北京 100036
7.
海军航空大学航空基础学院, 山东烟台 264001

基金项目: 国家自然科学基金项目（41842048）；国家重大研发计划项目（2017YFB0503000）；国家外专局项目（GDT20161100077）

详细信息

作者简介:
晏磊：男，博士，教授，博导，研究方向为偏振遥感、仿生导航

施闯：男，博士，教授，博导，研究方向为高精度卫星定位导航授时及泛源导航

李安：男，硕士，教授，博导，研究方向为惯性导航系统与技术

曾庆化：男，博士，教授，博导，研究方向为多信息融合定位导航

张全德：男，教授级高工，研究方向为卫星定位导航

汲万峰：男，博士，副教授，研究方向为导航方法与应用

陈三明：男，博士，教授，研究方向为资源与环境遥感

通信作者:
陈三明 E-mail：515991397@qq.com

中图分类号: P228；V249.32
计量
- 文章访问数: 400
- HTML全文浏览量: 130
- PDF下载量: 65
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2023-07-11
- 录用日期: 2023-07-11
- 网络出版日期: 2023-12-12

General review of the development of the earth natural vector field positioning and navigation technology

YAN Lei^{1, 2},
SHI Chuang³,
LI An⁴,
ZENG Qinghua⁵,
ZHANG Quande⁶,
JI Wanfeng⁷,
CHEN Sanming^{2
, ,}

1.
School of Earth and space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
2.
School of Computer Science and Engineering, Guilin University of Aerospace Technology, Guilin, 541004, China
3.
School of Electronic and Information Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China
4.
School of Electrical engineering, Naval Engineering College, Wuhan, 430030, China
5.
College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016, China
6.
GNSS & LBS Association of China, Beijing 100036, China
7.
School of Aviation Foundation, Naval Aviation University, Yantai 264001

摘要

摘要: 地球自然矢量场定位导航具有很强的独立性与自主性，是卫星导航系统应用发展的一个重要辅助支撑和有效补充，能更好地提高多传感器融合定位导航效果. 论文研究了重力场、地磁场、地形地貌高程场、偏振场、静电场等地球自然矢量场的形成机理以及用于定位导航的理论与方法模型，并针对地球自然矢量场定位导航的技术发展与国内外研究历史进行了系统梳理，形成完整的理论技术体系，对深化地球自然矢量场定位导航理论模型与技术方法研究，促进多源定位导航技术发展提供重要的理论借鉴与研究支撑.
- 地球自然矢量场 /
- 定位导航 /
- 技术发展
Abstract: The earth natural vector field positioning and navigation has strong independence and autonomy, and becomes an important auxiliary support and effective supplement for the application and development of satellite navigation system, it can improve the navigation effect of multi-sensor fusion. The formation mechanism of the Earth’s natural vector fields, such as gravity field, geomagnetic field, geomorphologic elevation field, polarization field and electrostatic field, and the theoretical and methodological models for positioning and navigation are studied in this paper, in view of the technical development of the earth natural vector field positioning and navigation and the research history at home and abroad, a complete theoretical and technical system is formed, it provides important theoretical reference and research support for deepening the research on the theoretical model and technical methods of geo-vector field positioning and navigation, and promoting the development of multi-source positioning and navigation technology.
- earth natural vector field /
- positioning and navigation /
- technology development

HTML全文

图 1 水下地形辅助导航原理框图

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 水下偏振光分布模式图

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 水体表面对偏振光的反射

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 敏感偏振光的测角平台

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 三对静电力支悬球转子

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 转子球心偏离电极球心

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 无源型三轴静电支承回路的原理示意图

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 单轴无源支承回路原理图

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 单轴支承电压与频率及间隙的关系曲线

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 有源静电支承控制回路原理图

下载: 全尺寸图片幻灯片

参考文献(84)

[1]	邹翔. 现代航海技术状况及发展方向[J]. 中国水运, 2006(8): 20-21.
[2]	赵方, 吴凡. GNSS/INS自适应智能组合导航算法[J]. 北京邮电大学学报, 2022, 45(2): 1-8.
[3]	韩雨蓉. 水下导航重力匹配算法研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2017.
[4]	王薇, 孙林峰, 李丽锦. 基于地磁模型的两轴航向算法[J]. 测控技术, 2017, 36(3): 44-46.
[5]	程向红, 周月华. 基于改进粒子群优化的水下地形辅助导航方法[J]. 中国惯性技术学报, 2017, 25(6): 770-775.
[6]	褚金奎, 关乐, 李世奇, 等. 大气偏振模式图分布及仿生偏振导航技术[J]. 遥感学报, 2018, 22(6): 969-979.
[7]	张文静. 光场成像技术在天空偏振模式测量和湍流图像清晰化中的应用研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2016.
[8]	朱治国. 新疆西天山现今构造运动与地震关系研究[D]. 西安: 长安大学, 2016.
[9]	张爱军. 水下潜器组合导航定位及数据融合技术研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2009.
[10]	ZHANG X M, ZHAO Y . Analysis of key technologies in geomagnetic navigation[C]//International Symposium on Instrumentation and Control Technology. SPIE, 2008. DOI: 10.1117/12.807129
[11]	马涛. 基于位置约束和航向约束的仿生导航方法研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2016.
[12]	姚剑奇. 水下重力辅助导航定位方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2015.
[13]	WEI H W, WU M P, TIE J B, et al. Error analysis in gravity aided navigation[C]//MATEC Web of Confe- rences, 2018. DOI: 10.1051/mat ecconf/201816007006
[14]	徐遵义. 水下重力辅助惯性导航原理、模型与匹配算法仿真研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2007.
[15]	WARREN G H. Gradiometer-aided inertial navigation [R]. Analytic Sciences Corporation, 1975.
[16]	吴凤贺, 张琦, 潘孟春, 等. 基于ICCP的地磁矢量匹配算法研究[J]. 中国测试, 2018, 44(2): 103-107.
[17]	吴赛成. 船用高精度激光陀螺姿态测量系统关键技术研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2011.
[18]	徐遵义, 晏磊, 宁书年, 等. 海洋重力辅助导航的研究现状与发展[J]. 地球物理学进展, 2007, 22(1): 104-111.
[19]	杨昆. 重力场和地磁场辅助惯性导航技术研究[D]. 西安: 电子科技大学, 2009.
[20]	ZENG Q H, ZENG S J, LIU J Y, et al. Smartphone heading correction based on gravity assisted and middle time simulated-zero velocity update method[J]. Sensors, 2018, 18(10): 3349. DOI: 10.3390/s18103349
[21]	ZHAO L, GAO N, HUANG B Q, et al. A novel terrain-aided navigation algorithm combined with the TERCOM algorithm and particle filter[J]. IEEE sensors journal, 2015, 15(2): 1124-1131. DOI: 10.1109/JSEN.2014.2360916
[22]	于力. 水下运载体重力匹配算法研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2016.
[23]	ZHU Z S, GUO Y Y, YANG Z L. Study oninitial gravity map matching technique based on triangle constraint model[J]. The journal of navigation, 2016, 69(2): 353-372. DOI: 10.1017/S0373463315000661
[24]	WANG H B, WU L, CHAI H, et al. Characteristics of marine gravity anomaly reference maps and accuracy analysis of gravity matching-aided navigation[J]. Sensors, 2017, 17(8): 1851. DOI: 10.3390/s17081851
[25]	李钊伟, 郑伟, 吴凡, 等. 基于新型分层邻域阈值搜索法提高水下潜器重力匹配导航的匹配效率[J]. 地球物理学报, 2019, 62(7): 2405-2416.
[26]	WANG B, ZHU J W, DENG Z H, et al. A characteristic parameter matching algorithm for gravity-aided navigation of underwater vehicles[J]. IEEE transactions on industrial electronics, 2019, 66(2): 1203-1212. DOI: 10.1109/TIE.2018.2831171
[27]	黄鹏, 成怡. 改进的BP神经网络算法在航迹匹配中的应用[J]. 计算机工程, 2011, 37(11): 218-219,222.
[28]	DAI T, MIAO L J, SHAO H J, et al. Solving gravity anomaly matching problem under large initial errors in gravity aided navigation by using an affine transformation based artificial bee colony algorithm[J]. Frontiers in neurorobotics, 2019(13): 19. DOI: 10.3389/fnbot.2019.00019
[29]	李素敏, 张万清. 地磁场资源在匹配制导中的应用研究[J]. 制导与引信, 2004, 25(3): 19-21.
[30]	张蓓. 地震电磁波后向追踪与波源定位方法[D]. 北京: 中国科学院大学, 2010.
[31]	SUN Y, ZHANG J S, WANG S C, et al. A real-time intelligent route planning method in geomagnetic navigation[J]. International journal of mechatronics and automation, 2012, 2(2): 125-131. DOI: 10.1504/IJMA.2012.048200
[32]	周能兵, 王亚斌, 王强. 地磁导航技术研究进展综述[J]. 导航定位学报, 2018, 6(2): 15-19.
[33]	孙鑫. 基于巨磁阻抗效应磁测传感器及地磁匹配算法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2008.
[34]	刘为任, 李德春, 李茂春, 等. 高精度航海用光纤陀螺惯性导航技术展望[J]. 导航与控制, 2022, 21(5): 241-249.
[35]	万骏炜. 多信息融合室内外无缝个人定位导航系统实现研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2015.
[36]	杨天雨, 贾文峰, 赖际舟, 等. 惯性/光流/磁组合导航技术在四旋翼飞行器中的应用[J]. 传感器与微系统, 2016, 35(1): 156-160.
[37]	李通. 数字式磁通门设计及其在姿态测量系统中的应用[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2015.
[38]	王一然. 水下地磁重力综合定位导航方法研究[D]. 北京: 北京大学, 2013.
[39]	刘义, 王玲, 朱龙永, 等. SINS/GPS地磁组合导航系统的研究[J]. 工具技术, 2016, 50(6): 21-23.
[40]	杜锐. GPS PPK技术在远海水下地形测量中的应用[J]. 全球定位系统, 2017, 42(1): 111-113.
[41]	WEI E H, DONG C J, LIU J D, et al. A robust solution of integrated SITAN with TERCOM algorithm: weight-reducing iteration technique for underwater vehicles’ gravity-aided inertial navigation system[J]. Navigation, 2017, 64(1): 111-122. DOI: 10.1002/NAVI.176
[42]	程辉, 田金文, 柳健. 声纳技术在海底地形辅助导航中的应用[J]. 军民两用技术与产品, 2003(11): 28-29,48.
[43]	袁书明, 严明, 田炜. 地形信息熵/INS组合导航技术研究[J]. 中国惯性技术学报, 2004, 12(1): 24-28.
[44]	王雅婷, 刘建业, 熊智, 等. 基于双目视觉的类脑三维认知地图构建方法[J]. 导航定位与授时, 2021, 8(5): 9-17.
[45]	CHEN X L, LI Y, PANG Y, et al. Underwater terrain navigation based on improved bayesian estimation[C]//The 3rd International Conference on Digital Manufacturing and Automation, 2012: 1002-1005. DOI: 10.1109/ICDMA.2012.234
[46]	张静远, 谌剑, 李恒, 等. 水下地形辅助导航技术的研究与应用进展[J]. 国防科技大学学报, 2015, 37(3): 128-134.
[47]	杨中光. 基于自然偏振特性的卫星自主导航技术研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2018.
[48]	LABHART T, MEYER E P. Detectors for polarized skylight in insects: a survey of ommatidial specializations in the dorsal rim area of the compound eye[J]. Microscopy research and technique, 1999, 47(6): 368-379. DOI: 10.1002/(SICI)1097-0029(19991215)47:6<368::AID-JEMT2>3.0.CO;2-Q
[49]	FRANK R. M. Sunrise, skylight polarization and the early morning orientation of night-migrating warblers[J]. The condor, 1986, 88(4): 493-498. DOI: 10.2307/1368277
[50]	关桂霞, 晏磊, 陈家斌, 等. 天空偏振模式图动态特性分析[J]. 计算机应用与软件, 2009, 26(12): 179-181.
[51]	RUDIGER W, RANDOLF M. Homing in the ant cataglyphis bicolor[J]. Science, 1969(164): 192-194. DOI: 10.1126/science.164.3876.192
[52]	DIMITRIOS L, RALF M, THOMAS L, et al. A mobile robot employing insect strategis for navigation[J]. Robotics and autonomous systems, 2000, 30(1-2): 39-64. DOI: 10.1016/S0921-8890(99)00064-0
[53]	KRAFT P, EVANGELISTA C, DACKE M, et al. Honeybee navigation: following routes using polarized-light cues[J]. Philosophical transactions of the royal society B: biological sciences, 2011, 366(1565): 703-708. DOI: 10.1098/rstb.2010.0203
[54]	TALBOT H W. Polarization patterns in submarine illumination[J]. Science, 1954, 120(3127): 927-932. DOI: 10.1126/SCIENCE.120.3127.927
[55]	ISTVAN P, GABOR H, RUDIGER W. How the clear-sky angle of polarization pattern continues under- neath clouds: full-sky measurements and implications for animal orientation[J]. The journal of experimental biology, 2001, 204(17): 2933-2942. DOI: 10.5167/UZH-688
[56]	THOMAS W C, NADAV S, ROY L C, et al. Polarization vision and its role in biological signaling[J]. Integrative comparative biology, 2003, 43(4): 549-558. DOI: 10.1093/icb/43.4.549
[57]	ANDRAS B, GABOR H. Why is it advantageous for animals todetect celestial polarization in the ultraviolet? Skylight polarization under clouds and canopies is strongest in the UV[J]. Journal of theoretical biology, 2004, 226(4): 429-437. DOI: 10.1016/J.JTBI.2003.09.017
[58]	GABOR H, DEZSO V. Polarized light in animal vision[M]. Berlin Heidelberg : Springer-Verlag. 2004.
[59]	TALBOT H W. Reviving a neglected celestial underwater polarization compass for aquatic animals[J]. Biological reviews, 2006(81): 111-115. DOI: 10.1017/S1464793105006883
[60]	SCHMID-HEMPEL P, SCHMID‐HEMPEL R. Life duration and turnover of foragers in the ant Cataglyphis Bicolor (Hymenoptera, Formicidae)[J]. Insectes sociaux, 1984(31): 345-360. DOI: 10.1007/BF02223652
[61]	WEHNER R. Desert ant navigation: How miniature brains solve complex tasks[J]. Journal of Comparative Physiology A, 2003, 189(8): 579-588. DOI: 10.1007/s00359-003-0431-1
[62]	孙晓兵, 洪津, 乔延利. 大气散射辐射偏振特性测量研究[J]. 量子电子学报, 2005, 22(1): 111-115.
[63]	褚金奎, 赵开春, 王体昌, 等. 仿生偏振导航传感器实验模型的构建与标定[J]. 微纳电子技术, 2007, 44(7): 376-378,406.
[64]	马号, 熊剑, 郭杭, 等. 基于大气偏振光特性辅助定向的自主导航方法[J]. 应用光学, 2016, 37(2): 162-167.
[65]	卢鸿谦, 尹航, 黄显林. 偏振光/地磁/GPS/SINS组合导航方法[J]. 宇航学报, 2007, 28(4): 897-902.
[66]	范之国, 高隽, 魏靖敏, 等. 仿沙蚁POL-神经元的偏振信息检测方法的研究[J]. 仪器仪表学报, 2008, 29(4): 745-749.
[67]	CHENG X, WANG X Z. Numerical study on the wavelength-dependent polarization of light scattered by aqueous droplets for RGB spectrums[J]. Optik, 2010, 121(11): 974-979. DOI: 10.1016/J.IJLEO.2008.12.005
[68]	CHU J, ZHAO K C, ZHANG Q, et al. Construction and performance test of a novel polarization sensor for navigation[J]. Sensors and actuators a:physical, 2008, 148(1): 75-82. DOI: 10.1016/J.SNA.2008.07.016
[69]	晏磊, 关桂霞, 陈家斌, 等. 基于天空偏振光分布模式的仿生导航定向机理初探[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2009, 45(4): 616-620.
[70]	WU T X, ZHAO Y S. The bidirectional polarized reflectance model of soil[J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing, 2005, 43(12): 2854-2858. DOI: 10.1109/TGRS.2005.857905
[71]	GUAN G X, YAN L, CHEN J B, et al. Vehicle tracking algorithm based on GPS and map-matching [C]//International Symposium on Instrumentation and Control Technology, 2008. DOI: 10.1117/12.806874
[72]	ZHAO H Y, ZHAO H, YAN L, et al. Model of reflection spectrum of rock surface in 2π space[J]. Acta geologica sinica (English Edition), 2004, 78(3): 843-846. DOI: 10.1111/j.1755-6724.2004.tb00205.x
[73]	FENG H, YAN L, DENG Z L, et al. Data map characteristic in aided navigation[J]. IEEE position, location and navigation symposium, 2004, 26(29): 771-774. DOI: 10.1109/PLANS.2004.1309072
[74]	晏磊, 才德蓉, 滕云鹤, 等. 有源谐振静电陀螺支承系统的设计与实验研究[J]. 中国惯性技术学报, 1994(4): 40-44.
[75]	高钟毓. 静电陀螺仪技术[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.
[76]	张军安, 邱长华, 颜明, 等. 静电陀螺仪空心球转子变形分析[J]. 光学精密工程, 2006, 14(1): 101-103.
[77]	晏磊, 才德蓉. 静电悬浮的变结构控制[J]. 自动化学报, 1996, 22(2): 224-227.
[78]	DANIEL A H, TONI L, HUM A M. Embedded, real-time DSP control of an electrostatically suspended gyroscope[C]//The 2004 American Control Conference, 2004: 3321-3326. DOI: 10.23919/ACC.2004.1384421
[79]	FAX J A, HILL D A, MURRAY R M. Robustness analysis of accelerometry using all electrostatically suspended gyroscope[C]//The 1999 IEEE International Conference on Control Applications, 1999: 176-1767. DOI: 10.1109/CCA.1999.801238
[80]	WIDROW B, SHUR D, SHAFFER S. On adaptive inverse control[C]//The 15th Asiiomar Conference on Circuits, System and Compute II', 1981: 185-189.
[81]	颜诗源, 张克志, 钱峰, 等. 静电陀螺支承控制的自适应逆控制分析[J]. 中国惯性技术学报, 2009, 17(5): 589-593.
[82]	张炎华. 陀螺支承系统[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 1985.
[83]	刘飞. 定子永磁型磁通切换式弧线电机的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2022.
[84]	晏磊, 刘光军. 静电悬浮控制系统[M]. 北京: 国防工业出版社, 2001.