复杂环境下无人系统可信导航

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复杂环境下无人系统可信导航

2019 年 3 月 22 日 无人机

关于“复杂环境下无人系统可信导航”这个主题，本次报告我们主要从三个方面进行介绍：首先是问题的提出；然后是国内外研究现状介绍，特别是目前国内在国家项目支持下的最新进展；最后是发展趋势简介。

文｜吴光辉

北京卫星导航中心高级工程师

一、问题的提出

无人系统的发展通常包括无人车、无人机、无人艇和无人潜航器，能够完成军事上武装打击的任务，其主要优势体现在物理环境适应能力强、风险小、价格低、非接触、无人伤亡、长续航、多功能、自主可控等方面。无人系统的发展也影响着商业应用模式的发展。

在军事领域，无人机的发展在世界各国特别是军事强国中的发展，都是大家关注的焦点。根据本国的发展需求，未来无人系统将成为信息化装备体系的重要组成部分，并和有人系统形成编队协同作战能力，在信息支援、特种支援及武器打击等领域发挥重要作用。

无人系统面临的技术难点首先包括定位导航，也就会我们所说的问题——无人系统在哪里、去哪里、怎么去；第二是环境感知，即对周边环境的认知，为路径规划导航提供支撑。另外，还有要控制，即任务的执行和对无人系统的操控问题，可见定位导航是一切无人系统的基础。

目前室外和室内定位手段有很多，室外主要有卫星导航、惯性导航、伪卫星导航等，室内则有UWB、LED、蓝、WIFI等各显神通。

导航面对的主要问题有：卫星导航系统易被干扰、被欺骗，室内环境中无法使用；惯性导航体积大、成本高、精度低、存在漂移问题、累计误差大；地磁导航、天文导航、声纳导航精度差；视觉导航受到环境的影响大；室内定位需要布设专用系统，不适合广泛使用。

二、国内外研究现状

可信导航的主要解决手段主要为：采用组合导航以及多源或全源融合导航、信号机会导航、环境自适应导航、弹性PNT以及国内的微PNT。

组合导航是指若干导航系统的联合使用，最典型的便是GNSS+INS，也可以再加地磁或者重力进行拓展，结合不同场景灵活组合。GNSS+INS可以很好地克服自身的缺点，是目前主要的导航手段。组合导航过去这么多年来大多采用松组合和紧组合的方式，利用数据融合的算法，在GNSS和INS数据基础上得出最优估算结果。在松组合中，GNSS提供的是速度等最终导航结果，但是因为速度和位置是相关的，相关性的干扰尤其严重，精度便会受到影响。当导航星少于4颗，且无法定位解算时，系统的组合将完全被破坏。紧组合中GNSS提供的量测数据是伪距，克服了松组合方式中量测信息的相关性问题。松组合和紧组合都是GNSS对INS的辅助，缺少对GNSS接收机的辅助。深组合是对INS、GNSS进行更深层次的信息融合，一方面为INS提供误差校正信息以提高导航精度，另一方面利用校正后的INS量测信息为GNSS跟踪环路提供辅助信息。深组合导航技术正逐步成为应用和实验的重点。虽然GNSS+INS可以解决不少问题，但是无法兼顾低成本下实现抗干扰和抗欺骗。

现在提出了多源或全源融合导航的概念，主要原理是利用不同的传感器、信号源实现传感器信息的融合。同一个平台无论有多少台传感器，只能输出唯一的导航信息，而组合导航只能是切来切去。融合导航把所有的东西融合后可以提炼出唯一的导向信息。全源融合导向定位由美国提出，目标是任何平台、任何环境下实现低成本无缝导航，具有如下特点：兼容大范围多样化传感器和敏感器、对于各种实时应用更易于优化、开放式架构的协同和增效作用。

以下是一个项目的架构，把全源无所不在、可以利用的信息资源综合在一起，可以满足在任何平台上实现低成本无缝导航的需求。

全源导航分为两个阶段，第一是要完成基于即插即用的能力，也称为信号机会导航，或随机信号导航技术，是美国军方为了提高导航定位可靠性提出的一种全新的导航体制概念。还有一个就是环境自适应导航。英国的一位博士为了实现无论何时何地都能达到3米以内的定位精度目标，提出了一种未来可能应用的多源融合系统结构。还有一种提法是弹性PNT，实际上要适应各种变化条件，耐受各种各样的供给，而且具备恢复能力。关于弹性PNT，我们北斗三号的副总设计师有这样几个解释：以综合PNT信息为基础，以多源PNT传感器优化集成为平台，以函数模型弹性调整和随机模型弹性优化为手段，使其具备高可用性、高连续性和高可靠性。弹性PNT也是一个新提出的概念，国外主要开展GNSS异常探测，对于非正常的探测进行收集和总结。对于风险管理，异常情况下我们需要使用备份手段，反数据欺骗，有些条款中增加了一些信息，同时要加强环境威胁条件下的检测能力。

对于国内，我们的提法是PNT的预研动向。目前，我们为预研项目进行的第一阶段的验收工作已经结束。提出微PNT也是为了解决可信导航问题。终端将微惯性的测量单元，包括无线电的一些PNT信息收发，还有传感器继承为一个小型化的模块。后期可能会发展成芯片，但目前是小型化的模块。通过多源的PNT融合，实现全空域、全时域、全信息、高动态和高效费比的PNT服务能力。我们今年3月份在苏州做了一次中期检查，得到了一些指标，目前来看其精度要求还不能进入实用化角度，因此还处于初级阶段，稳定度和精度都有上升空间。

关于国内的微PNT动态，硬件的架构上仍然是把GNSS放进去了，作为一个预研项目，可以随时关断，通过我们人为的意愿重新组合。硬件的框架结构和软件框架架构形成了全集型的综合。主要有三家成员单位，今年已经作为第一阶段的验收通过了，后面要开展下一阶段的研制工作。

三、发展趋势

下面我们谈谈对于微PNT发展趋势的看法。可信导航需要解决的问题首先是发现，即发现导航存在的异常和异常导致的原因，然后是抵御，第三是报警，也就是在导航性能无法满足需求时给出警示信息，在异常消失之后要得到快速恢复。

可信导航是智能时代的导航发展方向。弹性PNT是可信导航的解决手段。达成目标的解决手段要落实在微集成技术上，也就是传感器的小型化和多传感器的集成上。不解决小型化问题，终端的使用会受到影响。但小型化是对指标的限制，下面要突破微集成技术，通过小型化指标的跨越。干扰探测技术和干扰抑制技术是相辅相成的，天线是干扰探测技术首要提出来的问题，然后要对环境建模提出一整套解决方案。首先是空域滤波，然后是进入射频之后的滤波，这对器件也提出了很高的要求，它的体积和性能是成反比的，我们现在要在小型化的体积条件下，做到好的指标，所以一定要解决芯片化滤波器的应用。现在我们的一些滤波器已经进入使用阶段，北斗的信道滤波也是大有可为的。同时我们还要处理基站信号，可以使用时频滤波，提升GNSS的抗干扰能力效果。此外，还有全员融合算法，能够实现弹性调整与优化。