匹配导航标准现状与标准体系分析_徐瑞
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匹配导航属于自主导航，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 [1]。实现匹配导航的关键要素有 3 点：首 先要有存储在载体上的、待匹配的导航数据，主要指 的是匹配图；其次要有实时测量匹配导航数据的传感 器；最后是要有一定的匹配算法实现匹配。根据目前 匹配导航技术的发展，主要包括地形匹配、地磁匹配 和重力匹配等 3 种匹配导航技术。地形匹配 [2,3] 是利用 地形凹凸不平的特征与地理位置之间的对应关系,用运 动载体实时测量得到的地形图与已知的三维地形基准 图进行配准来确定载体自身的位置信息。需要说明的 是，地形匹配可以分成地形高程匹配和地形景象匹配。 由于景象匹配主要用于导弹等武器的末端制导，不在本 文的研究范围，所以本文的地形匹配导航指的是地形高 程匹配导航 (下文简称地形匹配导航)。地磁匹配 [4-6] 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 配算法进行匹配以估计出载体的位置信息。重力匹配 [7,8] 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 用匹配解算软件进行解算，求得最佳匹配位置的一种 匹配导航技术。重力匹配导航通过辅助惯性导航来校 正惯导的累积误差。
本文对目前匹配导航已制定的各项标准进行归纳 总结，根据匹配导航技术的发展趋势，按照参考文献 [1] 提出的导航标准体系从局Hale Waihona Puke Baidu到整体的建立方法，给
出了匹配导航的一种标准体系结构，并对我国匹配导 航系统标准的制定给出意见和建议。
2 匹配导航技术及其标准
2.1 地形匹配导航技术及其标准 地形匹配导航技术是一种自主、隐蔽、全天候、低
第 １０ 卷第 ３ 期
徐 瑞等：匹配导航标准现状与标准体系分析
3
强的抗干扰能力, 较高的匹配精度和较低的计算复杂 度。地磁匹配算法属于数字地图匹配技术，目前主要 分 2 类 [5]：一类强调它们之间的相似程度，如互相关 算法 (COR) 和相关系数法 (CC)；另一类强调它们之 间的差别程度，如平均绝对差算法 (MAD) 、均方差 算法 (MSD) 。目前，地磁匹配导航的典型应用领域 是与惯性导航系统组合使用，作为潜艇的一种有效的 水下自主导航方式。在这一领域国内外都已开展了大 量的研究，是目前地磁匹配导航的研究热点。在航空 地磁匹配导航领域，国外已经成功应用在民用飞机上， 在军用飞机上还未见报道。此外，随着地磁匹配导航 技术的不断发展和成熟，未来在商船、飞行器、自动 驾驶车辆等民用载体上都可采用地磁匹配导航技术，该 技术具有广阔的应用前景。
收 稿 日 期 ：2011-10-11 项目来源：国家自然科学基金资助项目 （41020144004）。
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地理空间信息
第 １０ 卷第 ３ 期
配导航算法各有侧重，TERCOM 算法能快速、准确地 搜索出配准位置，并直接以地形配准的结果作为最终 估计，实现搜索；SITAN 算法在位置误差较小的情况 下，能有效地估计并修正载体误差，实现跟踪。TERCOM 系统和 SITAN 系统 [11] 是目前 2 种经典的地形匹配导航 系统。TERCOM 系统采用的匹配算法为断续的批相关 处理算法，是批相关处理技术的典型代表。美国麦道 飞机公司研制的机动地形相关系统 (MTCS)、英国布列 颠宇航公司 (BAE) 研制的地形剖面匹配系统 (TERPROM)、英国费伦蒂公司研制的 PENETRATE 系统以及 法国萨吉姆公司 (SAGEM) 研制的地形剖面匹配导航 系统均是在 TERCOM 系统的基础上加以改进而形成的 新系统。SITAN 系统采用了递推的卡尔曼滤波技术，实 时性更好，已在美国空军得到广泛应用。到目前为止， 地形匹配技术的应用对象主要有飞机、潜艇和巡航导 弹 3 类，巡航导弹是制导系统，超出了本文的研究范 围。在航空导航领域，地形匹配导航系统能满足战术 导弹和飞机机动飞行，尤其是低空、超低空飞行的要 求，对近空支援、低空强击、突防、截击等战术飞行 十分有用；在水下导航领域，潜艇可以利用海底地形 匹配惯性导航来校正惯性导航的误差进行隐蔽航行。由 于海底数字地图的制作方法还处在研究阶段，因此地 形匹配导航技术还没有应用在潜艇等水下潜器上。可 以预见，一旦地形匹配导航系统在潜艇上应用成功，必 将大大提高潜艇的作战威力。对于航空地形匹配和水 下地形匹配来说，由于测量设备的能力有限，也就限 制了地形匹配导航的应用范围。航空地形匹配系统是 一种低高度工作的系统，离地高度超过 300 m 时其精 度就会明显降低，而到了 800 ～ 1 500 m 的高度则无法 使用。由于地形匹配导航主要利用数字高程信息进行 修正，而在平坦地域高程变化不大，无法确定精确位 置，会造成较大的定位误差。因此，地形匹配导航系 统只能在具有起伏特征的地区飞行，在平坦的地区或 水平面上飞行使用效果差。对于水下航行器而言，由于 声纳的测量深度所限，也必须在距离海底大约 1 000 m 以下。
R-24011A-1997)；美国航空无线电设备公司 1 项，即 《无线电高度表 1978，含补充件 1-7》(ARINC707-7-2009) 和美国机动车工程师协会 1 项，即《气压高度表设备》 (SAE AS 8009B-2005)。国内标准 6 项，分别是国家标 准 2 项，即《无 线 电 高 度 表 通 用 技 术 条 件》(GB/T 11469-1989) 和《气压高度表检定规程》(JJG 683-1990)； 国家军用标准 2 项，即《无线电高度表通用规范》(GJB 2273-1995) 和《无 线 电 高 度 表 检 验 验 收 规 程》(GJB 3959-2000)；行业标准 2 项，其中航天标准 1 项《无线 电高度表通用技术条件》(QJ 1298-1987)，电子标准 1 项《机载气压数字高度表通用规范》(SJ 20406-1994)。 2.2 地磁匹配导航技术及其标准
配导航技术的发展现状和应用领域，梳理了国内外匹配导航技术的相关标准，给出了匹配导航技术的一种标准体系结构，
并对匹配导航制定的标准给出了意见和建议。
关键词：匹配导航；标准现状；标准体系
中 图 分 类 号 ：P228
文献标志码: B
文章编号: 1672-4623 (2012) 03-0001-05
1 匹配导航的概念
目前，国内颁布了 6 项磁测和磁力仪相关标准，都 是行业标准，其中地震行业 5 项，分别是《地面高精 度磁测技术规定》(DZ56-1987)、《地面高精度磁测技术 规程》(DZ/T 0071-1993)、《便携式质子磁力仪通用技术 条件》(DZ/T0140-1994)、《地震观测仪器进网技术要求 地震观测仪 第 1 部分 磁通门磁力仪》(DB/T 30.1-2008) 和《地震观测仪器进网技术要求 地震观测仪 第 2 部分 质子矢量磁力仪》(DB/T 30.2-2008)；石油行业的 1 项 标准是《磁力仪使用与维护》（SY/T 6249-2005）。从目 前出台的磁测和地磁传感器标准来看，都是在静态环 境下进行地磁测量和用于地磁静态测量的器件标准，而 地磁匹配导航的地磁数据要求是实时测量的，并且对 磁测量设备的响应速度、精度、分辨率、工作环境温 度、测量范围、质量、体积及抗干扰性等均有很高的 要求。这些弱磁场测量设备不能同时满足上述要求，因 此，目前出台的磁测设备标准均不能满足地磁匹配导 航的要求，到目前为止还没有出台地磁匹配导航的相 关标准。 2.3 重力匹配导航技术及其标准
对于地形高程匹配导航系统，用到的数字地图就 是数字高程模型，即 DEM 数据。到目前为止，我国只 出台了 1 项数字高程模型的标准，即《军用数字地图 数字高程模型通用要求》(GJB 3455-1998)。目前，实 际得到应用的地形传感器只有高度表，可查到的国内 外高度表标准共 10 项，其中国外标准 4 项，分别是美 国海军标准 2 项，即《AN/APQ-107 型雷达高度表警告 设 备》(NAVY MIL-R-24011A-1965 和 NAVY MIL-
地磁匹配技术的本质是利用信息处理方法,将实际 测量的地磁场信息与存储在航行体中的地磁图数据信 息进行比较, 按照一定的准则判断两者间的相关性, 以 此确定最佳匹配点, 从而得到位置信息。实现地磁匹配 导航技术的关键点有 3 个：首先要建立精确的地磁场 模型；其次，要利用地磁传感器实时测量某区域的地 磁数据；最后，要有适用于地磁导航的核心匹配算法。 地磁场模型包括全球地磁场模型和局部地磁场模型，现 有的全球地磁场模型仅是对主磁场部分的描述，精度 有限且尚不能反映出复杂的地磁异常信息，因此在高 精度导航要求的情况下需要采用局部地磁场模型或局 部地磁图。当前的地磁场模型和地磁图水平仍满足不 了高精度导航的要求。另外, 仅有地磁场模型和地磁图 还是不够完善的,还需要研究影响地磁导航效果的一些 重要地磁场因素, 这些因素包括变化磁场对匹配的影 响、地磁场随高度和时间变化的规律和地磁场起伏规 律等, 而目前对于这些问题尚无太多的结论。其中地磁 场随高度变化规律有望通过分析卫星、航空地磁场测 量数据获得 [12]。目前地磁场模型的空间分辨率国内不 高于 300 km，国外不高于 400 km，按照地磁匹配惯导 的精度要求，格网分辨率要达到 4 km (2'× 2')，目前 的地磁场模型精度还远远达不到匹配要求，因此，必 然需要研制符合导航要求的地磁基准图。进行地磁导 航的一个关键环节是实时图的获取。在实时图的获取 过程中，对磁测量设备的响应速度、精度、分辨率、工 作环境温度、测量范围、质量、体积及抗干扰性等均 有很高的要求。常见的磁测量设备有磁力仪、磁强计、 磁通门计等。地磁场属于弱磁场，由于现有的弱磁场 测量设备不能同时满足地磁导航测量时对响应速度、精 度和分辨率等性能指标的要求，因此，高性能磁传感 器成为制约地磁导航技术应用的关键因素。地磁匹配 算法是制约地磁导航的又一关键因素。算法应具备较
成本，且适用于丘陵、山地等地形，导航定位精度与 航程无关的低空导航技术，也是近年来受到广泛重视 并已成功使用的辅助导航技术。地形匹配导航用地形 传感器测得高度，并把高度值作为待匹配的特征量，通 过匹配算法将测得的高度值与匹配图进行匹配，从而 得到精确位置，因此，构成地形匹配导航系统的要素 是数字地图、地形传感器和地形匹配算法。数字地图 就是存储在计算机中数字化了的地图，它是通过对地 形高度的离散采样并量化后得到的；其采样距离叫做 网 格 距 离，数 字 地 图 采 用 二 维 平 面 坐 标，通 常 采 用 WGS-84 大地坐标系。地形高度值用地形传感器测量， 就目前的地形匹配测高仪器而言，地形传感器就是高 度表，主要有气压高度表和无线电高度表 (雷达高度 表) 2 种。气压高度表是通过测量环境大气压力间接测 量飞行器高度的仪器；无线电高度表是根据无线电波 反射原理测量航空器距地面真实高度的机载无线电设 备，它实际上是一种以地面 (海平面) 为探测目标的测 距雷达，所指示的高度即为真实高度。按工作方式不 同，可分为调频式和脉冲式 2 种。匹配算法是地形匹 配导航系统的核心，目前存在 2 种基本算法：TERCOM (Terrain Contour Matching) 算法和 SITAN (Sandia Inertial Terrain Aided Navigation) 算法。TERCOM 算法 [9] 以地 形的标高剖面图为基础确定载体位置；SITAN 算法 [10] 采用的是递推的扩展卡尔曼滤波技术。这 2 种地形匹
２０１２ 年 ６ 月 第 １０ 卷第 ３ 期
地理空间信息
ＧＥＯＳＰＡＴＩＡＬ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
Ｊｕｎ．， ２０１２ Ｖｏｌ． １０， Ｎｏ． ３
匹配导航标准现状与标准体系分析
徐 瑞，朱筱虹，赵金贤
（北京环球信息应用开发中心，北京 100094）
摘 要：匹配导航是一种运用匹配算法对载体预存的导航数据进行匹配来确定载体位置信息的自主导航技术。通过分析匹
本文对目前匹配导航已制定的各项标准进行归纳 总结，根据匹配导航技术的发展趋势，按照参考文献 [1] 提出的导航标准体系从局Hale Waihona Puke Baidu到整体的建立方法，给
出了匹配导航的一种标准体系结构，并对我国匹配导 航系统标准的制定给出意见和建议。
2 匹配导航技术及其标准
2.1 地形匹配导航技术及其标准 地形匹配导航技术是一种自主、隐蔽、全天候、低
第 １０ 卷第 ３ 期
徐 瑞等：匹配导航标准现状与标准体系分析
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强的抗干扰能力, 较高的匹配精度和较低的计算复杂 度。地磁匹配算法属于数字地图匹配技术，目前主要 分 2 类 [5]：一类强调它们之间的相似程度，如互相关 算法 (COR) 和相关系数法 (CC)；另一类强调它们之 间的差别程度，如平均绝对差算法 (MAD) 、均方差 算法 (MSD) 。目前，地磁匹配导航的典型应用领域 是与惯性导航系统组合使用，作为潜艇的一种有效的 水下自主导航方式。在这一领域国内外都已开展了大 量的研究，是目前地磁匹配导航的研究热点。在航空 地磁匹配导航领域，国外已经成功应用在民用飞机上， 在军用飞机上还未见报道。此外，随着地磁匹配导航 技术的不断发展和成熟，未来在商船、飞行器、自动 驾驶车辆等民用载体上都可采用地磁匹配导航技术，该 技术具有广阔的应用前景。
收 稿 日 期 ：2011-10-11 项目来源：国家自然科学基金资助项目 （41020144004）。
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配导航算法各有侧重，TERCOM 算法能快速、准确地 搜索出配准位置，并直接以地形配准的结果作为最终 估计，实现搜索；SITAN 算法在位置误差较小的情况 下，能有效地估计并修正载体误差，实现跟踪。TERCOM 系统和 SITAN 系统 [11] 是目前 2 种经典的地形匹配导航 系统。TERCOM 系统采用的匹配算法为断续的批相关 处理算法，是批相关处理技术的典型代表。美国麦道 飞机公司研制的机动地形相关系统 (MTCS)、英国布列 颠宇航公司 (BAE) 研制的地形剖面匹配系统 (TERPROM)、英国费伦蒂公司研制的 PENETRATE 系统以及 法国萨吉姆公司 (SAGEM) 研制的地形剖面匹配导航 系统均是在 TERCOM 系统的基础上加以改进而形成的 新系统。SITAN 系统采用了递推的卡尔曼滤波技术，实 时性更好，已在美国空军得到广泛应用。到目前为止， 地形匹配技术的应用对象主要有飞机、潜艇和巡航导 弹 3 类，巡航导弹是制导系统，超出了本文的研究范 围。在航空导航领域，地形匹配导航系统能满足战术 导弹和飞机机动飞行，尤其是低空、超低空飞行的要 求，对近空支援、低空强击、突防、截击等战术飞行 十分有用；在水下导航领域，潜艇可以利用海底地形 匹配惯性导航来校正惯性导航的误差进行隐蔽航行。由 于海底数字地图的制作方法还处在研究阶段，因此地 形匹配导航技术还没有应用在潜艇等水下潜器上。可 以预见，一旦地形匹配导航系统在潜艇上应用成功，必 将大大提高潜艇的作战威力。对于航空地形匹配和水 下地形匹配来说，由于测量设备的能力有限，也就限 制了地形匹配导航的应用范围。航空地形匹配系统是 一种低高度工作的系统，离地高度超过 300 m 时其精 度就会明显降低，而到了 800 ～ 1 500 m 的高度则无法 使用。由于地形匹配导航主要利用数字高程信息进行 修正，而在平坦地域高程变化不大，无法确定精确位 置，会造成较大的定位误差。因此，地形匹配导航系 统只能在具有起伏特征的地区飞行，在平坦的地区或 水平面上飞行使用效果差。对于水下航行器而言，由于 声纳的测量深度所限，也必须在距离海底大约 1 000 m 以下。
R-24011A-1997)；美国航空无线电设备公司 1 项，即 《无线电高度表 1978，含补充件 1-7》(ARINC707-7-2009) 和美国机动车工程师协会 1 项，即《气压高度表设备》 (SAE AS 8009B-2005)。国内标准 6 项，分别是国家标 准 2 项，即《无 线 电 高 度 表 通 用 技 术 条 件》(GB/T 11469-1989) 和《气压高度表检定规程》(JJG 683-1990)； 国家军用标准 2 项，即《无线电高度表通用规范》(GJB 2273-1995) 和《无 线 电 高 度 表 检 验 验 收 规 程》(GJB 3959-2000)；行业标准 2 项，其中航天标准 1 项《无线 电高度表通用技术条件》(QJ 1298-1987)，电子标准 1 项《机载气压数字高度表通用规范》(SJ 20406-1994)。 2.2 地磁匹配导航技术及其标准
配导航技术的发展现状和应用领域，梳理了国内外匹配导航技术的相关标准，给出了匹配导航技术的一种标准体系结构，
并对匹配导航制定的标准给出了意见和建议。
关键词：匹配导航；标准现状；标准体系
中 图 分 类 号 ：P228
文献标志码: B
文章编号: 1672-4623 (2012) 03-0001-05
1 匹配导航的概念
目前，国内颁布了 6 项磁测和磁力仪相关标准，都 是行业标准，其中地震行业 5 项，分别是《地面高精 度磁测技术规定》(DZ56-1987)、《地面高精度磁测技术 规程》(DZ/T 0071-1993)、《便携式质子磁力仪通用技术 条件》(DZ/T0140-1994)、《地震观测仪器进网技术要求 地震观测仪 第 1 部分 磁通门磁力仪》(DB/T 30.1-2008) 和《地震观测仪器进网技术要求 地震观测仪 第 2 部分 质子矢量磁力仪》(DB/T 30.2-2008)；石油行业的 1 项 标准是《磁力仪使用与维护》（SY/T 6249-2005）。从目 前出台的磁测和地磁传感器标准来看，都是在静态环 境下进行地磁测量和用于地磁静态测量的器件标准，而 地磁匹配导航的地磁数据要求是实时测量的，并且对 磁测量设备的响应速度、精度、分辨率、工作环境温 度、测量范围、质量、体积及抗干扰性等均有很高的 要求。这些弱磁场测量设备不能同时满足上述要求，因 此，目前出台的磁测设备标准均不能满足地磁匹配导 航的要求，到目前为止还没有出台地磁匹配导航的相 关标准。 2.3 重力匹配导航技术及其标准
对于地形高程匹配导航系统，用到的数字地图就 是数字高程模型，即 DEM 数据。到目前为止，我国只 出台了 1 项数字高程模型的标准，即《军用数字地图 数字高程模型通用要求》(GJB 3455-1998)。目前，实 际得到应用的地形传感器只有高度表，可查到的国内 外高度表标准共 10 项，其中国外标准 4 项，分别是美 国海军标准 2 项，即《AN/APQ-107 型雷达高度表警告 设 备》(NAVY MIL-R-24011A-1965 和 NAVY MIL-
地磁匹配技术的本质是利用信息处理方法,将实际 测量的地磁场信息与存储在航行体中的地磁图数据信 息进行比较, 按照一定的准则判断两者间的相关性, 以 此确定最佳匹配点, 从而得到位置信息。实现地磁匹配 导航技术的关键点有 3 个：首先要建立精确的地磁场 模型；其次，要利用地磁传感器实时测量某区域的地 磁数据；最后，要有适用于地磁导航的核心匹配算法。 地磁场模型包括全球地磁场模型和局部地磁场模型，现 有的全球地磁场模型仅是对主磁场部分的描述，精度 有限且尚不能反映出复杂的地磁异常信息，因此在高 精度导航要求的情况下需要采用局部地磁场模型或局 部地磁图。当前的地磁场模型和地磁图水平仍满足不 了高精度导航的要求。另外, 仅有地磁场模型和地磁图 还是不够完善的,还需要研究影响地磁导航效果的一些 重要地磁场因素, 这些因素包括变化磁场对匹配的影 响、地磁场随高度和时间变化的规律和地磁场起伏规 律等, 而目前对于这些问题尚无太多的结论。其中地磁 场随高度变化规律有望通过分析卫星、航空地磁场测 量数据获得 [12]。目前地磁场模型的空间分辨率国内不 高于 300 km，国外不高于 400 km，按照地磁匹配惯导 的精度要求，格网分辨率要达到 4 km (2'× 2')，目前 的地磁场模型精度还远远达不到匹配要求，因此，必 然需要研制符合导航要求的地磁基准图。进行地磁导 航的一个关键环节是实时图的获取。在实时图的获取 过程中，对磁测量设备的响应速度、精度、分辨率、工 作环境温度、测量范围、质量、体积及抗干扰性等均 有很高的要求。常见的磁测量设备有磁力仪、磁强计、 磁通门计等。地磁场属于弱磁场，由于现有的弱磁场 测量设备不能同时满足地磁导航测量时对响应速度、精 度和分辨率等性能指标的要求，因此，高性能磁传感 器成为制约地磁导航技术应用的关键因素。地磁匹配 算法是制约地磁导航的又一关键因素。算法应具备较
成本，且适用于丘陵、山地等地形，导航定位精度与 航程无关的低空导航技术，也是近年来受到广泛重视 并已成功使用的辅助导航技术。地形匹配导航用地形 传感器测得高度，并把高度值作为待匹配的特征量，通 过匹配算法将测得的高度值与匹配图进行匹配，从而 得到精确位置，因此，构成地形匹配导航系统的要素 是数字地图、地形传感器和地形匹配算法。数字地图 就是存储在计算机中数字化了的地图，它是通过对地 形高度的离散采样并量化后得到的；其采样距离叫做 网 格 距 离，数 字 地 图 采 用 二 维 平 面 坐 标，通 常 采 用 WGS-84 大地坐标系。地形高度值用地形传感器测量， 就目前的地形匹配测高仪器而言，地形传感器就是高 度表，主要有气压高度表和无线电高度表 (雷达高度 表) 2 种。气压高度表是通过测量环境大气压力间接测 量飞行器高度的仪器；无线电高度表是根据无线电波 反射原理测量航空器距地面真实高度的机载无线电设 备，它实际上是一种以地面 (海平面) 为探测目标的测 距雷达，所指示的高度即为真实高度。按工作方式不 同，可分为调频式和脉冲式 2 种。匹配算法是地形匹 配导航系统的核心，目前存在 2 种基本算法：TERCOM (Terrain Contour Matching) 算法和 SITAN (Sandia Inertial Terrain Aided Navigation) 算法。TERCOM 算法 [9] 以地 形的标高剖面图为基础确定载体位置；SITAN 算法 [10] 采用的是递推的扩展卡尔曼滤波技术。这 2 种地形匹
２０１２ 年 ６ 月 第 １０ 卷第 ３ 期
地理空间信息
ＧＥＯＳＰＡＴＩＡＬ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
Ｊｕｎ．， ２０１２ Ｖｏｌ． １０， Ｎｏ． ３
匹配导航标准现状与标准体系分析
徐 瑞，朱筱虹，赵金贤
（北京环球信息应用开发中心，北京 100094）
摘 要：匹配导航是一种运用匹配算法对载体预存的导航数据进行匹配来确定载体位置信息的自主导航技术。通过分析匹