前言：随着航天技术的不断发展和深入，航天型号的导航系统在面临越来越复杂的任务和环境时，提出了更高的要求。传统的导航方法面临卫星信号遮挡、大气层再入等极端环境下的挑战，因此需要更为创新和全面的导航解决方案。组合导航技术作为一种将多个导航系统融合在一起的方法，具有在复杂环境下提高导航准确性和鲁棒性的潜力。通过整合不同的导航手段，如卫星导航系统、惯性导航等，以获得更全面、更可靠的位置和方向信息。因此，对于航天型号而言，将组合导航技术引入导航系统，是提高任务执行成功率和提高航天器自主性的一项重要举措。
1 组合导航技术的概述
组合导航技术是一种将多个导航系统融合在一起，以提高导航系统性能和准确性的先进方法。通过整合不同的导航手段，组合导航系统能够弥补各种导航系统单独存在的局限性，提供更可靠、更精准的位置和方向信息。组合导航是基于多个独立但互相补充的导航系统的融合，包括但不限于惯性导航、卫星导航系统（如GPS、GLONASS、BeiDou等）、地面导航系统（如雷达、测距仪）等，通过将这些导航系统的信息进行集成和优化，组合导航能够提供更全面、更准确的位置、速度和方向信息。
惯性导航是组合导航系统的核心组成部分，通过测量加速度和角速度，惯性导航系统能够推算出相对于初始参考点的位移、速度和方向。虽然惯性导航存在漂移问题，但通过与其他导航系统结合，可以有效纠正这一问题，提高导航系统的稳定性和准确性。除此之外，卫星导航系统是组合导航中至关重要的一部分。全球卫星导航系统（GNSS）如GPS、GLONASS、BeiDou等，提供了全球范围内的高精度定位服务，组合导航通过融合卫星导航系统的信息，可以在室外、无遮挡的环境中提供高度准确的位置信息。在该过程中，地面导航系统的补充也尤为重要，通过地面导航系统，包括雷达、测距仪等，可以提供对目标位置的主动测量。在复杂环境中，如高楼大厦密集区域或有限的卫星可见性区域，地面导航系统能够弥补卫星导航的不足，确保导航系统在各种场景下的可用性。除此之外，组合导航技术的关键在于融合算法的设计和优化，常用的融合算法包括卡尔曼滤波、粒子滤波等，通过适当的权衡和集成各个导航系统的输出，实现最优的位置和方向估计，融合算法的选择直接影响了组合导航系统的性能和鲁棒性。
2 组合导航在航天型号的应用策略
2.1 轨道航行中的组合导航
轨道航行是航天任务中的关键阶段，对于保证航天器在太空中的准确导航至关重要。组合导航技术在轨道航行中的应用具有独特的优势，通过整合多源导航信息，提高了在太空中的位置、速度和方向的准确性，在轨道航行中，组合导航系统的传感器选择至关重要。常见的传感器包括：1）惯性测量单元（IMU）：提供高精度的角速度和加速度信息，适用于长时间的无GPS信号情况。2）卫星导航系统：如GPS、GLONASS等，提供全球覆盖的定位服务，但在轨道上受限于卫星可见性。3）星载测距仪：用于测量与其他卫星、空间站或地球的距离，增加对位置的约束。4）太阳、星等天文导航传感器：利用天体的方向信息，对航天器的姿态和位置进行校准。
组合导航系统的设计需要考虑传感器的布局和系统的整体架构，在轨道航行中，系统可靠性至关重要。采用冗余设计，即多余的传感器和计算单元，以提高系统的容错性。考虑到太空中的能源有限，系统需要采用低功耗的传感器和计算单元，以延长航天器的工作寿命，并且轨道航行中的导航需要实时性较高，系统设计应确保传感器数据的及时采集和处理，以满足导航控制的要求。
考虑到太空中环境的极端性，组合导航系统需要具备强大的容错机制。这包括对传感器数据异常的检测和排除，以及对系统故障的自动切换到备用系统，轨道航行中会遇到不同的场景变化，如进入遮挡区域、穿越辐射带等，组合导航系统应具备场景变化适应性，能够在不同环境中保持稳定的导航性能。
2.2 重返大气层导航
重返大气层是航天任务中一个关键的阶段，涉及到从太空高度重新进入大气层、经历大气层再入过程并最终安全着陆，在该阶段，导航系统需要在极端的环境条件下提供高精度的位置和速度信息，以确保航天器能够精确控制进入大气层并顺利完成重返任务。
在重返大气层导航中，导航系统需要使用多种传感器来获取准确的信息。以下是一些关键的传感器：1）惯性测量单元（IMU）：提供航天器的角速度和加速度信息，可用于确定航天器的姿态和运动状态。2）卫星导航系统（GNSS）：提供全球定位服务，确保航天器在大气层再入时有足够的定位精度。3）大气层传感器：用于监测大气层密度、温度和其他大气参数，以调整航天器的再入轨迹。4）视觉传感器：可用于地面目标识别、姿态校准和地标导航，提高导航的精度。
由于再入过程是一个高动态、高风险的阶段，导航系统需要具备实时的数据处理和控制能力，并确保在大气层再入期间的稳定性，还需要考虑大气层的不确定性，系统应具备自适应性，能够根据实时的大气参数调整导航策略，确保航天器的安全性。除此之外，冗余设计在导航过程中尤为重要，由于再入是一个极其关键的阶段，系统应采用冗余设计，包括冗余传感器和计算单元，以提高系统的可靠性和容错性，特殊情况下，导航系统需要设计强大的容错机制。这包括对传感器数据异常的检测和处理、对系统故障的自动切换到备用系统等。在大气层再入阶段，导航系统的控制策略至关重要，导航控制策略应考虑航天器的姿态控制、高度控制和横向控制等方面，以确保航天器安全进入大气层并完成再入任务。
2.3 空间探测任务导航
空间探测任务导航对于确保航天器能够准确、安全地完成科学实验和数据收集至关重要。在这个背景下，组合导航技术的应用策略变得至关重要，以确保航天器能够在复杂、不确定的空间环境中准确导航，在空间探测任务中，导航系统的设计应始于对任务需求的全面分析，不同的空间探测任务要求不同的导航准确度、实时性和容错性。合理选择和配置传感器对于实现空间探测任务导航的成功至关重要。一些常见的传感器包括：1）星载相机：用于目标识别、地标定位和相对位置测量。2）惯性测量单元（IMU）：提供角速度和加速度信息，用于姿态测量和航向控制。3）卫星导航系统（GNSS）：提供全球范围的定位服务，用于在空间中获取位置信息。4）激光测距仪：用于测量与目标的距离，实现精确定位。
导航系统的设计应该考虑到空间探测任务的复杂性和不确定性，空间探测任务涉及到动态的目标或任务需求的变化，因此导航系统需要具备实时性和灵活性。在空间中，航天器会面临通信延迟和不稳定性，因此导航系统应该考虑通信状态，并在的情况下实现与其他航天器的协同导航，需要充分考虑到在空间探测任务中会发生各种不确定性和故障，导航系统需要具备强大的容错设计，确保在面临异常情况时仍能提供可靠的导航，在空间中进行科学实验或目标观测时，需要实现对航天器的精确定位，以确保观测数据的准确性，实际导航管理还需要根据任务需求，设计合理的飞行轨迹规划，以最大程度地满足探测的要求。
结语：航天型号的导航系统是航天任务成功执行的基石，而组合导航技术因其多源信息融合的优势在航天导航中得到广泛应用，组合导航技术在航天型号中的应用需要兼顾多方面的因素，包括系统设计、传感器选择、融合算法和导航控制策略。通过科学合理的整合，可以提高航天器在各种任务中的导航性能，确保航天任务的圆满成功。
参考文献：
[1]杨成伟,郑建华.XNAV/UVNAV/SINS组合导航在航天器轨道机动中的应用[J].中国惯性技术学报, 2012, 20(2):6.DOI:10.3969/j.issn.1005-6734.2012.02.016.
[2]傅勇.弹道导弹INS/GPS/RSM组合导航研究[D].航天科工集团第二研究院,2002.
[3]程龙,周海渊,吴旭贤,等.航天测量船组合导航系统在某型号测控任务中的应用[J].科学技术与工程, 2012, 20(12):6.DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2012.12.029.
[4]吕家旺,杨军,周春庆.GPS/SINS/CNS组合导航在航天器上的应用[J].兵工自动化, 2011, 30(3):4.DOI:10.3969/j.issn.1006-1576.2011.03.005.
