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摘要：导航是指能够引导（包括测量、反馈控制等）某一载体从一个位置移动到另一位置的技术手段。它不仅在军事方面（比如武器装备的远程制导、精确打击等）有着极其重要的应用，还在我们的日常生活（比如手机导航等）中扮演着不可或缺的角色。本文将对人类导航的发展历程进行概述，这有助于普通读者对各类型导航手段发展历史及基本功能的认识，也可为专业研究人员对导航技术的综合认知提供指导。
关键词：导航，卫星导航，陀螺仪
0引言
指南针是中国古代四大发明之一，又称罗盘和司南，是一种用于指示方向的工具，也是人类导航的雏形 [1]。11世纪末或12世紀初，中国船舶开始使用指南针导航。北宋《萍州可谈》：“舟师（掌舵者）识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针”。它的发明对人类的科学技术和文明的发展，起了无可估量的作用。而随着我们对世界认知的加深及科学技术的进步，各种各样的导航手段应运而生，其中包括天文导航、无线电导航、卫星导航、地磁导航、惯性导航等。这些技术已广泛应用于现代社会当中，它们不仅为我们的生活提供了极大的便利，也为新的科学发现及我们对世界的认知提供了强有力的技术支撑。这里我们将对各导航手段的特点进行简要的介绍。
1导航类型及特点
1.1 天文导航
天文导航是一种利用天空中的某些天体的位置信息进行导航的手段。我们知道宇宙中很多天体（例如太阳）相对而言是静止不动的，而反之当载体或者地球运动时，其相对这些静止天体的相对位置或夹角会发生变化。为此，通过载体上的相机拍摄、测量天体的相对位置就可以反推出相机拍摄地（或载体）的位置，进而可以提供反馈信息将载体从某一位置引导到目标位置。天文导航主要依靠算法实现载体的定位和导航，原理简单、容易实现且应用范围广，长时间稳定性好，其缺点是在有大气的环境中容易受到天气等环境因素的干扰。
1.2 无线电导航
无线电导航是指利用地平面上的无线电基站进行定位、导航的方法。在如图1所示的二维平面内，当载体接收到一个无线电基站A的信号时，载体的位置可以用以无线电基站A为中心的一个圆表示。当载体同时接收到两个无线电基站（A和B）的信号时，载体的位置可以用以两个基站为中心的两个圆的交汇点（图1中c1和c2）表示。显而易见，通过第三个基站即可实现载体在三维地理空间的精确定位，从而可将载体目标从某一位置导引到目标位置。由于无线电导航是通过无线电波的直接传播或者经过大气电离层的反射传播，很少受到气象条件的影响，作用距离远，设备简单可靠，即使在夜间或者复杂气象条件下也可稳定运行，但由于无线电基站坐落在陆地上，信号容易受到高山、高楼等的遮挡，因此其主要应用于高空飞行器，例如飞机。
1.3 卫星导航
卫星导航和无线电导航的原理类似，只不过是把地面导航基站搬到了太空中，即卫星。卫星导航通过三颗卫星便可实现载体的精确定位。卫星导航，包括美国的GPS和中国的北斗，在我们日常生活中应用最普遍，现在几乎所有的飞机、手机上都安装有卫星导航模块，从而通过与卫星的通讯实现飞机、手机的实时导航，定位精度达到米级，这为我们的生活提供了极大的便利。另外，卫星导航在涉及国家安全的武器装备精确打击领域也有着重要应用，定位导航精度也更高。相较无线电导航而言，卫星导航因覆盖面更广而有着更多的应用，现在几乎所有的电子设备、机动车辆等设备上都装有卫星导航系统，这也极大丰富了这些设备的功能。然而，无线电导航和卫星导航都依赖电磁波进行信号传输，因此容易遭到电磁干扰破坏。
1.4 地磁导航
地磁导航是一种利用地球磁场分布进行定位、导航的手段 [2]。我们的地球有大致南北朝向分布的矢量磁场，磁场的方向及大小随地理位置的不同而异，这便给人类提供了一个极其简单而有效的导航定位方法，即地磁导航。地球磁场分布或地磁图可以预先精确测定，如图2所示，而当载体运动时，载体上的磁场测量设备（磁强计）可以精确测定载体所在位置的磁场信息，此时通过与预先测定好的磁场数据对比、匹配便可获取当前载体的位置信息，进而可以通过信息反馈将载体从某一地理位置导引到目标位置。地磁导航方法简单、成本低廉，但也有其局限性，其仅适用于地球磁场未被人类活动干扰的区域，例如海洋和深山中。
1.5 惯性导航
前面提到的几种导航方法有个共同的特点，即需要获取外界信息才能有效运行，不管是获取太空星体信息，还是通过无线电获取基站信息。然而，当因外界环境恶化或遭到敌方破坏而无法获取外界信息时，这些导航技术的实现就会遇到问题或遭遇挑战。为了克服这一致命缺点，惯性导航应运而生。惯性导航是一类不依赖外界信息而实现载体精确定位、控制的手段，其通常由陀螺仪和加速度计构成，其中陀螺仪用于计算载体的方位信息，而加速度计经过积分可以得到载体的速度和位移 [3]。这样，便通过精密计算得到了载体朝哪个方向运动了多远等数据，进而实现了不依赖外界信息的导航、定位。此类导航不依赖外界信息，不易受到无线电干扰，然而随着时间的推移，导航系统的累积误差会越来越大。这类导航方法结构复杂、运行条件苛刻且成本极其昂贵，仅在军事方面有着重要应用。
2 结束语
这里我们对主要的导航方法及特点进行了简要介绍和比较。当然，考虑到各导航方法均有其自身优缺点，为了更多、更好地利用多种导航手段的优点，有些导航系统由多种导航方法组合而成，即组合导航。例如，天文导航和惯性导航的组合，短时间内可以利用惯性导航，而其长时间的累积误差（或漂移）可以通过天文导航进行修正，这样既利用了惯性导航不依赖外界信息的优势，还利用了天文导航长时间稳定性高的优点。高精度的导航、定位方法不仅在国家安全领域有着重要应用，也在我们日常生活中扮演着不可或缺的角色。本文不仅可以使我们对各类导航方法的基本原理及各自特点有个初步的认识，还可为导航应用的初步选择提供帮助。（第二作者对本文的贡献等同于第一作者）
参考文献
[1] B. M. Kreutz， Technology and Culture 14， 367-383 （1973）.
[2] 彭富清， 海洋测绘， 2， 73-75 （2006）.
[3] N. Barbour， and G. Schmidt， IEEE Sensors Journal 1， 332-339 （2001）.
作者简介：郭研岐（1987-），女，汉族，吉林桦甸人，硕士，助理研究员，专利审查员，研究方向：微观机械领域专利审查;薛蕾（1987-），女，汉族，河北廊坊人，硕士，助理研究员，专利审查员，研究方向：微观机械领域专利审查;第二作者对本文的贡献与第一作者等同。
关键词：导航，卫星导航，陀螺仪
0引言
指南针是中国古代四大发明之一，又称罗盘和司南，是一种用于指示方向的工具，也是人类导航的雏形 [1]。11世纪末或12世紀初，中国船舶开始使用指南针导航。北宋《萍州可谈》：“舟师（掌舵者）识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针”。它的发明对人类的科学技术和文明的发展，起了无可估量的作用。而随着我们对世界认知的加深及科学技术的进步，各种各样的导航手段应运而生，其中包括天文导航、无线电导航、卫星导航、地磁导航、惯性导航等。这些技术已广泛应用于现代社会当中，它们不仅为我们的生活提供了极大的便利，也为新的科学发现及我们对世界的认知提供了强有力的技术支撑。这里我们将对各导航手段的特点进行简要的介绍。
1导航类型及特点
1.1 天文导航
天文导航是一种利用天空中的某些天体的位置信息进行导航的手段。我们知道宇宙中很多天体（例如太阳）相对而言是静止不动的，而反之当载体或者地球运动时，其相对这些静止天体的相对位置或夹角会发生变化。为此，通过载体上的相机拍摄、测量天体的相对位置就可以反推出相机拍摄地（或载体）的位置，进而可以提供反馈信息将载体从某一位置引导到目标位置。天文导航主要依靠算法实现载体的定位和导航，原理简单、容易实现且应用范围广，长时间稳定性好，其缺点是在有大气的环境中容易受到天气等环境因素的干扰。
1.2 无线电导航
无线电导航是指利用地平面上的无线电基站进行定位、导航的方法。在如图1所示的二维平面内，当载体接收到一个无线电基站A的信号时，载体的位置可以用以无线电基站A为中心的一个圆表示。当载体同时接收到两个无线电基站（A和B）的信号时，载体的位置可以用以两个基站为中心的两个圆的交汇点（图1中c1和c2）表示。显而易见，通过第三个基站即可实现载体在三维地理空间的精确定位，从而可将载体目标从某一位置导引到目标位置。由于无线电导航是通过无线电波的直接传播或者经过大气电离层的反射传播，很少受到气象条件的影响，作用距离远，设备简单可靠，即使在夜间或者复杂气象条件下也可稳定运行，但由于无线电基站坐落在陆地上，信号容易受到高山、高楼等的遮挡，因此其主要应用于高空飞行器，例如飞机。
1.3 卫星导航
卫星导航和无线电导航的原理类似，只不过是把地面导航基站搬到了太空中，即卫星。卫星导航通过三颗卫星便可实现载体的精确定位。卫星导航，包括美国的GPS和中国的北斗，在我们日常生活中应用最普遍，现在几乎所有的飞机、手机上都安装有卫星导航模块，从而通过与卫星的通讯实现飞机、手机的实时导航，定位精度达到米级，这为我们的生活提供了极大的便利。另外，卫星导航在涉及国家安全的武器装备精确打击领域也有着重要应用，定位导航精度也更高。相较无线电导航而言，卫星导航因覆盖面更广而有着更多的应用，现在几乎所有的电子设备、机动车辆等设备上都装有卫星导航系统，这也极大丰富了这些设备的功能。然而，无线电导航和卫星导航都依赖电磁波进行信号传输，因此容易遭到电磁干扰破坏。
1.4 地磁导航
地磁导航是一种利用地球磁场分布进行定位、导航的手段 [2]。我们的地球有大致南北朝向分布的矢量磁场，磁场的方向及大小随地理位置的不同而异，这便给人类提供了一个极其简单而有效的导航定位方法，即地磁导航。地球磁场分布或地磁图可以预先精确测定，如图2所示，而当载体运动时，载体上的磁场测量设备（磁强计）可以精确测定载体所在位置的磁场信息，此时通过与预先测定好的磁场数据对比、匹配便可获取当前载体的位置信息，进而可以通过信息反馈将载体从某一地理位置导引到目标位置。地磁导航方法简单、成本低廉，但也有其局限性，其仅适用于地球磁场未被人类活动干扰的区域，例如海洋和深山中。
1.5 惯性导航
前面提到的几种导航方法有个共同的特点，即需要获取外界信息才能有效运行，不管是获取太空星体信息，还是通过无线电获取基站信息。然而，当因外界环境恶化或遭到敌方破坏而无法获取外界信息时，这些导航技术的实现就会遇到问题或遭遇挑战。为了克服这一致命缺点，惯性导航应运而生。惯性导航是一类不依赖外界信息而实现载体精确定位、控制的手段，其通常由陀螺仪和加速度计构成，其中陀螺仪用于计算载体的方位信息，而加速度计经过积分可以得到载体的速度和位移 [3]。这样，便通过精密计算得到了载体朝哪个方向运动了多远等数据，进而实现了不依赖外界信息的导航、定位。此类导航不依赖外界信息，不易受到无线电干扰，然而随着时间的推移，导航系统的累积误差会越来越大。这类导航方法结构复杂、运行条件苛刻且成本极其昂贵，仅在军事方面有着重要应用。
2 结束语
这里我们对主要的导航方法及特点进行了简要介绍和比较。当然，考虑到各导航方法均有其自身优缺点，为了更多、更好地利用多种导航手段的优点，有些导航系统由多种导航方法组合而成，即组合导航。例如，天文导航和惯性导航的组合，短时间内可以利用惯性导航，而其长时间的累积误差（或漂移）可以通过天文导航进行修正，这样既利用了惯性导航不依赖外界信息的优势，还利用了天文导航长时间稳定性高的优点。高精度的导航、定位方法不仅在国家安全领域有着重要应用，也在我们日常生活中扮演着不可或缺的角色。本文不仅可以使我们对各类导航方法的基本原理及各自特点有个初步的认识，还可为导航应用的初步选择提供帮助。（第二作者对本文的贡献等同于第一作者）
参考文献
[1] B. M. Kreutz， Technology and Culture 14， 367-383 （1973）.
[2] 彭富清， 海洋测绘， 2， 73-75 （2006）.
[3] N. Barbour， and G. Schmidt， IEEE Sensors Journal 1， 332-339 （2001）.
作者简介：郭研岐（1987-），女，汉族，吉林桦甸人，硕士，助理研究员，专利审查员，研究方向：微观机械领域专利审查;薛蕾（1987-），女，汉族，河北廊坊人，硕士，助理研究员，专利审查员，研究方向：微观机械领域专利审查;第二作者对本文的贡献与第一作者等同。