美國打造新的軍用“全源導航”

劉春保（北京空間科技信息研究所）

對美國軍方而言，“全球定位系統”（GPS）提供的定位、導航與授時（PNT）服務是不可或缺的。然而，衛星導航系統的固有弱點使地下、水下、室內、城市或高山峽谷，特別是干擾環境下的高精度軍事PNT能力受到極大制約。為解決衛星導航系統固有弱點的制約，以美國國防高級研究計劃局（DARPA）為首的先進軍事技術研究機構開展了在GPS服務被干擾、被阻斷，即不能使用GPS服務背景下的高精度定位、導航與授時技術—“全源導航”（ASPN）技術研究，以期在未來對抗條件下的軍事行動中保持、占據精確PNT能力的優勢。

1 計劃概況

“全源導航”將發展與任意導航傳感器和敏感器組合方案相關的快速集成和重新配置的架構、抽象方法及濾波算法，降低系統集成成本，為用戶提供無GPS服務條件下的高精度定位、導航與授時能力，滿足不斷變化的任務需求與環境變化的要求。

“全源導航”技術具有如下特點：

· 具有兼容大范圍、多樣化傳感器和敏感器的能力；

· 對于各種實時應用，更易于優化；

· 開放式架構的協同、增效作用。

美國國防高級研究計劃局的“全源導航”計劃將分3個階段進行，分別致力于導航算法與軟件架構、系統集成與方案測試，以及演示驗證等方面的研究。

2010年11月和2012年6月，美國國防高級研究計劃局先后發布了“全源導航”計劃第1階段和第2個階段的標書，開展“全源導航”概念、體系架構和導航算法的研究、測試與驗證。

2 第1階段任務和主要內容

“全源導航”計劃第1階段為期12個月，主要任務是軟件設計和開發，其目標是開發具有即插即用能力的算法、處理方法和軟件架構。這些算法和體系架構至少應能夠兼容10種以上的傳感器。2011年5月，美國國防高級研究計劃局授予查爾斯-斯塔克-德雷帕實驗室有限公司（Charles Stark Draper Laboratory Inc.）一份“全源導航”研究合同，合同價值約60萬美元；2011年6月授予美國作戰系統供應商Argon ST公司另一份“全源導航”研究合同，合同價值約190萬美元。

在第1階段，“全源導航”研究要解決2項關鍵技術：導航算法和導航軟件體系架構。

1）導航算法

導航算法的重點是定位和導航解決方案中新的導航濾波算法的推導與開發。目前的導航濾波算法大多被迫在完備性與效率之間進行折中和選擇。“全源導航”需要發展新的濾波算法，能夠全面兼容各類導航算法，如高斯、非高斯統計算法，或線性、非線性測量模型算法等；同時，新的導航算法必須滿足真實環境下實時運行的要求。新的導航算法應當能夠處理平臺運動和測量可用性之間產生的時變狀態空間問題，能夠對所有導航測量結果進行統計。因此，在執行任務時，新的導航算法應能夠靈活地對傳感器、敏感器，以及測量量的引入和去除進行調整，從而提供準確和可靠的導航解決方案。特別值得注意的是，這是一種基于狀態變化的解決方案。目前該領域的最新進展主要包括代數拓撲、總體非標準濾波或同時定位與制圖（SLAM）等。

2）導航軟件體系架構

導航軟件體系架構涉及開發新的處理方法和架構，用于支持導航系統中傳感器、敏感器及慣性導航單元之間的重新配置和即插即用。目前，部分導航產品中已經采用了可兼容多種傳感器和敏感器的導航系統。即插即用處理架構是實現“全源導航”目標所必需的，這種架構需要發展新的模型，以適應各種測量源和導航信息數據庫的要求。同時，還需要開發不同的處理方案，以滿足不同環境、不同平臺的要求。這些架構應當能夠解決以下3個問題：①多種傳感器和敏感器和數據庫的組合應用；②多系統協同；③時間和空間的相對和絕對測量。理想的“全源導航”軟件體系架構應當使導航系統具有識別環境變化，并做出相應調整的能力；而采用專用傳感器和敏感器協議（大大限制了即插即用傳感器的數量）的架構無法滿足上述要求。

3 第2階段任務和主要內容

“全源導航”計劃第2階段公告由美國國防高級研究計劃局戰略技術辦公室于2012年6月11日發布，截止日期2012年12月10日。第2階段預計為期18個月，用于實現系統集成，并進行實時解決方案的測試與驗證。該階段的目標是演示和評估自適應導航系統、方案的優化與實時運行，以展示基于即插即用的能力，第1階段開發的算法和架構是開展第2階段的基礎。

除解決傳感器和敏感器抽象問題外，第2階段還應解決硬件抽象問題。系統評估將涉及不同傳感器和敏感器組合的試驗臺及現場測試問題，重點是新型傳感器、敏感器的引入，并實現政府現貨產品標準組件的快速配置和集成。最后，解決方案不能影響即插即用功能的準確性，為此，第2階段的另一個重點是核實和確認系統限制。

“全源導航”第2階段的研究成果必須支持端到端的系統。這種系統工作在具有傳感器和敏感器輸入的真實環境中，并與原型硬件設備融合，提供實時的解決方案。美國國防高級研究計劃局為“全源導航”第2階段確定了3個關鍵技術，分別為導航硬件架構、實時導航算法和新穎高效的導航測量方法，并確定了第2階段發展路線圖。

1）導航硬件架構

主要致力于發展支持即插即用，且可重新配置的傳感器、敏感器和慣性測量裝置的導航系統硬件架構。“全源導航”的目標需要即插即用的硬件架構支持，這種架構需要建立適應多種類型傳感器和敏感器的通用測量模型。由于“全源導航”計劃第2階段的重點是實時運行和野外應用，因此其硬件架構必須支持快速反應，以及滿足小尺寸、輕質量、低功耗的要求。最終的硬件架構和原型樣機應當能夠支持多樣化的導航軟件方案，而不是僅適用于某種算法。

理想的解決方案應當具有感知環境變化，并做出適當調整的能力。導航硬件架構要求相關硬件具有滿足“全源導航”計劃第2階段要求的接口，以提供各種必要的驗證能力；同時還應提供野外驗證期間使用的空中和海上平臺的專用傳感器和敏感器接口。導航硬件架構的研究需要進行一系列測試與驗證活動。

2）實時導航算法

該算法重點是為定位、導航方案開發、完善“全源導航”濾波算法。“全源導航”的所有信息源和自適應導航系統需要一種新的濾波算法，它能夠迅速地提供高斯、非高斯和線性、非線性模式，并能夠在實時條件下運行。各種傳感器、敏感器和機會信號（SoOPs）的快速地組合，并將其引入到可用濾波方案的能力是解決方案的關鍵。與導航硬件架構一樣，實時導航算法也將開展從第1階段的仿真環境到野外原型系統的一系列測試與驗證活動，以促進導航算法的研究。

3）新穎高效的導航測量方法

通過一種新穎高效的處理或測量方法，向導航濾波器提供獨特的測量結果，增強即插即用導航能力。預計該導航測量方法的研究周期約12個月。

雖然，導航硬件架構和實時導航算法中的硬件與軟件的結合使其對引入的測量數據的統計結果具有極大靈活性和適應性，但“全源導航”計劃仍將受益于新穎高效的測量方法，特別是對“全源導航”具有增強作用的測量方法。

“全源導航”第2階段技術領域與發展路線圖

“全源導航”計劃第2階段測試和驗證細節

導航測量方法研究的新型傳傳感器、敏感器和測量量或處理技術將為“全源導航”方案提供巨大的幫助，并將具有以下特點：①提供新的測量類型，其在眾多“全源導航”測量裝置中具有獨特的優點，能夠增強系統的強健性和精度；②新型測量量的物理特性具備某種強健性；③有效提供大量非常規的窄帶測量，這種測量量的組合將極大地增強系統的精度。

4 結束語

無衛星導航服務條件下的定位、導航研究需要解決3個問題：精度與精度保持問題，體積、質量、功耗與成本問題，啟動時間（或反應時間）問題。美國國防高級研究計劃局的“全源導航”研究旨在提供無GPS服務條件下的精確定位、導航與授時能力。目前，該計劃的目標是開發一個以慣性系統和精確時鐘為核心，按環境、需求和任務要求的不同，接入（或移除）、靈活地配置不同類型的傳感器和敏感器，引入不同類型的測量量和特征數據庫，從而為不同平臺、不同環境下的用戶提供無GPS條件下的精確定位、導航與授時服務，建立強對抗條件下的定位、導航與授時優勢。

“全源導航”并非要取代衛星導航系統，但是“全源導航”技術的發展與應用將全面解決衛星導航系統固有脆弱性產生的水下、地面、室內、高山與城市峽谷，特別是電磁干擾條件下的高精度定位、導航與授時問題。對軍事用戶而言，“全源導航”技術將解決強對抗戰場環境下的精確定位、導航與授時問題，提供更加穩健的定位、導航與授時能力，使美軍能夠在未來強對抗的戰場環境下擁有高精度定位、導航與授時能力的重要優勢。

除“全源導航”體系架構、導航算法和解決方案等關鍵技術外，高精度，低尺寸、質量和功耗（SWaP）的慣性系統與時鐘也是“全源導航”系統發展的重要基礎或關鍵技術，為此，美國國防高級研究計劃局已經啟動了兩項高精度，低SWaP的慣性系統與時鐘系統的研究計劃，分別是微導航、定位與授時（micro-PNT）計劃和芯片級組合原子導航儀計劃。