探秘組合導(dǎo)航系統(tǒng)

孫欣欣

在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信號(hào)與其他外部測量信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)這些測量值的差異可以估計(jì)出對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的修正量，從而便有可能獲得比獨(dú)立使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)更高的導(dǎo)航精度。清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系副教授郭美鳳的研究方向便是組合導(dǎo)航系統(tǒng)算法.作為一名女性科研工作者，她不僅在學(xué)術(shù)上精益求精，更在科研上始終秉持著樂觀豁達(dá)的人生態(tài)度。會(huì)學(xué)習(xí)，但更專注科研

“少年不知勤學(xué)苦，老來方悔讀書遲?！弊x書對于郭美鳳來說，從來都是一種享受，1988年，剛剛高中畢業(yè)的郭美鳳只身一人，從內(nèi)蒙古來到清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系求學(xué)，要知道，在教學(xué)條件及招生指標(biāo)相對落后的內(nèi)蒙古，想要考入清華大學(xué)可謂是難上加難，而這一切對于郭美鳳來說都源于她的“會(huì)學(xué)習(xí)”。

還在學(xué)生時(shí)期，學(xué)習(xí)與探索就成為了郭美鳳的習(xí)慣，她更在后來的科研工作中將其貫徹到底?！澳菚r(shí)，我在學(xué)習(xí)上花的時(shí)間并不多，但很喜歡學(xué)習(xí)，只要一進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)就會(huì)特別專注，總能找到不同的學(xué)習(xí)方法與竅門；而且我也特別愿意在學(xué)習(xí)上付出，能讓我感到收獲的快樂。”

郭美鳳也充分將這種“會(huì)學(xué)習(xí)”的特長延續(xù)到科研上，其中，選擇專業(yè)、確立方向就是郭美鳳“會(huì)學(xué)習(xí)”的第一次實(shí)踐。清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系的專業(yè)分支很多，郭美鳳的興趣所在與控制相關(guān)?！爱?dāng)時(shí)還有像光學(xué)等更加偏重于理論研究的專業(yè)，但我認(rèn)為進(jìn)行科研就是要使成果得以應(yīng)用，而慣性技術(shù)方面的研究更加與實(shí)際相結(jié)合，離我心中科研應(yīng)用的目標(biāo)就更近?！惫励P說。

從本科到博士畢業(yè)，郭美鳳一直在清華大學(xué)探究慣性技術(shù)方向上的奧秘。博士階段，通過對激光陀螺對準(zhǔn)技術(shù)的研究使郭美鳳對自己的研究方向有了更深入的理解，她不再拘泥于其中一方天地，而是廣泛嘗試不同的研究，博士畢業(yè)后郭美鳳留任清華大學(xué)，轉(zhuǎn)向了MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研制工作，將科研探索開拓到一片新天地。組合導(dǎo)航系統(tǒng)：終身的追求

“工作以后，我主要是進(jìn)行基于MEMS慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)技術(shù)以及組合導(dǎo)航系統(tǒng)方向的研究。由于目前的MEMS慣性器件的精度還不夠高，所以很難完成初始自對準(zhǔn)，需要外部信息輔助才能確定系統(tǒng)的初始姿態(tài)，其中衛(wèi)星輔助是目前應(yīng)用最多的?！惫励P介紹道。

早在上世紀(jì)80年代末，我國就已經(jīng)在MEMS慣性技術(shù)領(lǐng)域的研究上有所推進(jìn)，并基于國外先進(jìn)技術(shù)，在理論研究、原理樣機(jī)開發(fā)等方面取得了一定成果，已經(jīng)初步具備工業(yè)生產(chǎn)能力，但在儀表精度、穩(wěn)定性等指標(biāo)方面仍然存在較大差距，工程化研制、生產(chǎn)與應(yīng)用方面更是尚處于起步階段。

但隨著研究的不斷深入，一部分成果已經(jīng)逐步凸顯出來，尤其是郭美鳳所在的清華大學(xué)對低成本MEMS慣性器件/衛(wèi)星的組合導(dǎo)航算法進(jìn)行了深入的研究，采用MIMU/GPS深組合導(dǎo)航方案，最終實(shí)現(xiàn)了原理樣機(jī)的研制。

這種采用多傳感器信息融合技術(shù)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)與單一導(dǎo)航系統(tǒng)相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)：除了可以增加系統(tǒng)冗余度，提高系統(tǒng)整體的容錯(cuò)能力與可靠性之外，還可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航設(shè)備間的優(yōu)勢互補(bǔ)，增強(qiáng)系統(tǒng)在各種工作環(huán)境下的適應(yīng)能力，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的低成本、高精度連續(xù)導(dǎo)航。

在組合導(dǎo)航系統(tǒng)鉆研多年的郭美鳳，已經(jīng)連續(xù)承擔(dān)“十一五”“十二五”以及“十三五”的總裝慣性技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目。其中前兩項(xiàng)預(yù)研項(xiàng)目主要以基礎(chǔ)性研究為主，已經(jīng)結(jié)題。據(jù)郭美鳳介紹，在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，根據(jù)不同的應(yīng)用要求可以有不同水平的組合，即組合的深度不同。而按照組合深度，可以把組合系統(tǒng)大體分為兩類：緊組合和深組合。“我在‘十一五研究的項(xiàng)目就屬于緊組合，其實(shí)就是一種組合方式，但兩種方式也是各有千秋?！惫励P補(bǔ)充道。

緊組合一般要求衛(wèi)星信號(hào)良好，只有信號(hào)好才能夠?qū)π畔⒂休o助作用；而在深組合系統(tǒng)中，慣性信息反過來還會(huì)輔助衛(wèi)星信號(hào)的捕獲和跟蹤，所以對衛(wèi)星信號(hào)抗干擾性有所提高。就在2016年，郭美鳳剛剛申請了“十三五”總裝慣性技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目。“我將對深組合進(jìn)行更深入的探索，而且還會(huì)研究載波相位姿態(tài)測量技術(shù)。”在郭美鳳看來，繼續(xù)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的研究是理所應(yīng)當(dāng)?shù)氖虑?，也是她一直以來的追求?/p>

除此之外，郭美鳳還和團(tuán)隊(duì)成員獲得多項(xiàng)發(fā)明專利，她研發(fā)的組合導(dǎo)航裝置已經(jīng)于2016年獲得國家發(fā)明專利。在研發(fā)過程中，郭美鳳提出了一種不同于以往的新的組合導(dǎo)航裝置，將其設(shè)置在載體上，特征主要包括：導(dǎo)航模塊、測量模塊、計(jì)算模塊以及電源模塊。其中，導(dǎo)航模塊包括GPS芯片，用于獲得GPS觀測信息；測量模塊可用于測量載體的慣性導(dǎo)航信息；計(jì)算模塊則能夠?qū)PS觀測信息和慣性導(dǎo)航信息進(jìn)行處理，從而得到載體的狀態(tài)信息；而電源模塊，顧名思義，可以為上述三種模塊供電。郭美鳳及團(tuán)隊(duì)研發(fā)的組合導(dǎo)航裝置獲得載體狀態(tài)信息的同時(shí)，還減小了體積、重量和功耗，大大降低了成本。雖然專利申請已經(jīng)通過，卻還只是深待閨中人不識(shí)，希望早日能有“如意郎君”踏著七彩祥云來提親。研有所用，是郭美鳳最大的追求。

育人，始終在路上

科研上的郭美鳳總是事無巨細(xì)，力求做到最好。如今，身為博士生導(dǎo)師的她，身上的擔(dān)子更重了。郭美鳳經(jīng)常參加各種國內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議，也深刻感受到外語對于學(xué)術(shù)交流的重要性。她主張學(xué)生一定要重視對外語的學(xué)習(xí)，而不是將其當(dāng)做可有可無的學(xué)習(xí)工具。

郭美鳳曾被學(xué)校公派到美國教學(xué)研修半年，對國內(nèi)外上課方式的差異也有獨(dú)到的見解。她主張?zhí)岣邔W(xué)生的主動(dòng)性和積極性，改變學(xué)生不愿思考的現(xiàn)狀。為此，郭美鳳對教學(xué)進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的改革，采取新的教學(xué)模式：翻轉(zhuǎn)課堂，即將老師與學(xué)生的身份互調(diào)?！拔覍W(xué)生進(jìn)行分組，由學(xué)生進(jìn)行組內(nèi)授課，除此之外，還開通評(píng)價(jià)體系。”這樣一來，不僅學(xué)生能夠達(dá)到自學(xué)的效果，還能使其他學(xué)生主動(dòng)參與進(jìn)來，一舉兩得?！皩W(xué)習(xí)主動(dòng)性一直是我強(qiáng)調(diào)的，而且這樣的講課方式也能使學(xué)生思考得更深入、細(xì)致?！?/p>

“科研這條路，一定要走到底。”學(xué)生時(shí)代的郭美鳳曾被導(dǎo)師這樣叮囑。直到現(xiàn)在，已經(jīng)快90歲的老先生還一直在寫寫算算，這種持之以恒的精神，郭美鳳也在傳遞給學(xué)生們。至于她自己，更是對此奉為圭皋。

談到未來，除了對教學(xué)方法的探索，她也在堅(jiān)持尋求新的研究方向?！霸谑彝?，由于能夠接收到衛(wèi)星信號(hào)，可以清楚地知道具體位置，但衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在室內(nèi)往往無計(jì)可施?！贬槍@一問題，郭美鳳基于手機(jī)里的慣性傳感器，利用藍(lán)牙、WIFI等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)定位，目前定位精度已經(jīng)可以達(dá)到兩到三米。

不管未來的研究任務(wù)有多艱巨，有多繁瑣，郭美鳳始終都不曾將其擱置，她用自己的方法在科研的漫漫長河中，完成對每一次研究的承接與發(fā)展；更站在不同的高度上，繼續(xù)在組合導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域里勇往直前。