美國(guó)打造新的軍用“全源導(dǎo)航”

劉春保（北京空間科技信息研究所）

對(duì)美國(guó)軍方而言，“全球定位系統(tǒng)”（GPS）提供的定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）服務(wù)是不可或缺的。然而，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的固有弱點(diǎn)使地下、水下、室內(nèi)、城市或高山峽谷，特別是干擾環(huán)境下的高精度軍事PNT能力受到極大制約。為解決衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)固有弱點(diǎn)的制約，以美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）為首的先進(jìn)軍事技術(shù)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了在GPS服務(wù)被干擾、被阻斷，即不能使用GPS服務(wù)背景下的高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)—“全源導(dǎo)航”（ASPN）技術(shù)研究，以期在未來(lái)對(duì)抗條件下的軍事行動(dòng)中保持、占據(jù)精確PNT能力的優(yōu)勢(shì)。

1 計(jì)劃概況

“全源導(dǎo)航”將發(fā)展與任意導(dǎo)航傳感器和敏感器組合方案相關(guān)的快速集成和重新配置的架構(gòu)、抽象方法及濾波算法，降低系統(tǒng)集成成本，為用戶(hù)提供無(wú)GPS服務(wù)條件下的高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力，滿(mǎn)足不斷變化的任務(wù)需求與環(huán)境變化的要求。

“全源導(dǎo)航”技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

· 具有兼容大范圍、多樣化傳感器和敏感器的能力；

· 對(duì)于各種實(shí)時(shí)應(yīng)用，更易于優(yōu)化；

· 開(kāi)放式架構(gòu)的協(xié)同、增效作用。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的“全源導(dǎo)航”計(jì)劃將分3個(gè)階段進(jìn)行，分別致力于導(dǎo)航算法與軟件架構(gòu)、系統(tǒng)集成與方案測(cè)試，以及演示驗(yàn)證等方面的研究。

2010年11月和2012年6月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局先后發(fā)布了“全源導(dǎo)航”計(jì)劃第1階段和第2個(gè)階段的標(biāo)書(shū)，開(kāi)展“全源導(dǎo)航”概念、體系架構(gòu)和導(dǎo)航算法的研究、測(cè)試與驗(yàn)證。

2 第1階段任務(wù)和主要內(nèi)容

“全源導(dǎo)航”計(jì)劃第1階段為期12個(gè)月，主要任務(wù)是軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，其目標(biāo)是開(kāi)發(fā)具有即插即用能力的算法、處理方法和軟件架構(gòu)。這些算法和體系架構(gòu)至少應(yīng)能夠兼容10種以上的傳感器。2011年5月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局授予查爾斯-斯塔克-德雷帕實(shí)驗(yàn)室有限公司（Charles Stark Draper Laboratory Inc.）一份“全源導(dǎo)航”研究合同，合同價(jià)值約60萬(wàn)美元；2011年6月授予美國(guó)作戰(zhàn)系統(tǒng)供應(yīng)商Argon ST公司另一份“全源導(dǎo)航”研究合同，合同價(jià)值約190萬(wàn)美元。

在第1階段，“全源導(dǎo)航”研究要解決2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：導(dǎo)航算法和導(dǎo)航軟件體系架構(gòu)。

1）導(dǎo)航算法

導(dǎo)航算法的重點(diǎn)是定位和導(dǎo)航解決方案中新的導(dǎo)航濾波算法的推導(dǎo)與開(kāi)發(fā)。目前的導(dǎo)航濾波算法大多被迫在完備性與效率之間進(jìn)行折中和選擇?！叭磳?dǎo)航”需要發(fā)展新的濾波算法，能夠全面兼容各類(lèi)導(dǎo)航算法，如高斯、非高斯統(tǒng)計(jì)算法，或線(xiàn)性、非線(xiàn)性測(cè)量模型算法等；同時(shí)，新的導(dǎo)航算法必須滿(mǎn)足真實(shí)環(huán)境下實(shí)時(shí)運(yùn)行的要求。新的導(dǎo)航算法應(yīng)當(dāng)能夠處理平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和測(cè)量可用性之間產(chǎn)生的時(shí)變狀態(tài)空間問(wèn)題，能夠?qū)λ袑?dǎo)航測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。因此，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，新的導(dǎo)航算法應(yīng)能夠靈活地對(duì)傳感器、敏感器，以及測(cè)量量的引入和去除進(jìn)行調(diào)整，從而提供準(zhǔn)確和可靠的導(dǎo)航解決方案。特別值得注意的是，這是一種基于狀態(tài)變化的解決方案。目前該領(lǐng)域的最新進(jìn)展主要包括代數(shù)拓?fù)?、總體非標(biāo)準(zhǔn)濾波或同時(shí)定位與制圖（SLAM）等。

2）導(dǎo)航軟件體系架構(gòu)

導(dǎo)航軟件體系架構(gòu)涉及開(kāi)發(fā)新的處理方法和架構(gòu)，用于支持導(dǎo)航系統(tǒng)中傳感器、敏感器及慣性導(dǎo)航單元之間的重新配置和即插即用。目前，部分導(dǎo)航產(chǎn)品中已經(jīng)采用了可兼容多種傳感器和敏感器的導(dǎo)航系統(tǒng)。即插即用處理架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)“全源導(dǎo)航”目標(biāo)所必需的，這種架構(gòu)需要發(fā)展新的模型，以適應(yīng)各種測(cè)量源和導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)庫(kù)的要求。同時(shí)，還需要開(kāi)發(fā)不同的處理方案，以滿(mǎn)足不同環(huán)境、不同平臺(tái)的要求。這些架構(gòu)應(yīng)當(dāng)能夠解決以下3個(gè)問(wèn)題：①多種傳感器和敏感器和數(shù)據(jù)庫(kù)的組合應(yīng)用；②多系統(tǒng)協(xié)同；③時(shí)間和空間的相對(duì)和絕對(duì)測(cè)量。理想的“全源導(dǎo)航”軟件體系架構(gòu)應(yīng)當(dāng)使導(dǎo)航系統(tǒng)具有識(shí)別環(huán)境變化，并做出相應(yīng)調(diào)整的能力；而采用專(zhuān)用傳感器和敏感器協(xié)議（大大限制了即插即用傳感器的數(shù)量）的架構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足上述要求。

3 第2階段任務(wù)和主要內(nèi)容

“全源導(dǎo)航”計(jì)劃第2階段公告由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局戰(zhàn)略技術(shù)辦公室于2012年6月11日發(fā)布，截止日期2012年12月10日。第2階段預(yù)計(jì)為期18個(gè)月，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，并進(jìn)行實(shí)時(shí)解決方案的測(cè)試與驗(yàn)證。該階段的目標(biāo)是演示和評(píng)估自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)、方案的優(yōu)化與實(shí)時(shí)運(yùn)行，以展示基于即插即用的能力，第1階段開(kāi)發(fā)的算法和架構(gòu)是開(kāi)展第2階段的基礎(chǔ)。

除解決傳感器和敏感器抽象問(wèn)題外，第2階段還應(yīng)解決硬件抽象問(wèn)題。系統(tǒng)評(píng)估將涉及不同傳感器和敏感器組合的試驗(yàn)臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試問(wèn)題，重點(diǎn)是新型傳感器、敏感器的引入，并實(shí)現(xiàn)政府現(xiàn)貨產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確性，為此，第2階段的另一個(gè)重點(diǎn)是核實(shí)和確認(rèn)系統(tǒng)限制。

“全源導(dǎo)航”第2階段的研究成果必須支持端到端的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)工作在具有傳感器和敏感器輸入的真實(shí)環(huán)境中，并與原型硬件設(shè)備融合，提供實(shí)時(shí)的解決方案。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局為“全源導(dǎo)航”第2階段確定了3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，分別為導(dǎo)航硬件架構(gòu)、實(shí)時(shí)導(dǎo)航算法和新穎高效的導(dǎo)航測(cè)量方法，并確定了第2階段發(fā)展路線(xiàn)圖。

1）導(dǎo)航硬件架構(gòu)

主要致力于發(fā)展支持即插即用，且可重新配置的傳感器、敏感器和慣性測(cè)量裝置的導(dǎo)航系統(tǒng)硬件架構(gòu)。“全源導(dǎo)航”的目標(biāo)需要即插即用的硬件架構(gòu)支持，這種架構(gòu)需要建立適應(yīng)多種類(lèi)型傳感器和敏感器的通用測(cè)量模型。由于“全源導(dǎo)航”計(jì)劃第2階段的重點(diǎn)是實(shí)時(shí)運(yùn)行和野外應(yīng)用，因此其硬件架構(gòu)必須支持快速反應(yīng)，以及滿(mǎn)足小尺寸、輕質(zhì)量、低功耗的要求。最終的硬件架構(gòu)和原型樣機(jī)應(yīng)當(dāng)能夠支持多樣化的導(dǎo)航軟件方案，而不是僅適用于某種算法。

理想的解決方案應(yīng)當(dāng)具有感知環(huán)境變化，并做出適當(dāng)調(diào)整的能力。導(dǎo)航硬件架構(gòu)要求相關(guān)硬件具有滿(mǎn)足“全源導(dǎo)航”計(jì)劃第2階段要求的接口，以提供各種必要的驗(yàn)證能力；同時(shí)還應(yīng)提供野外驗(yàn)證期間使用的空中和海上平臺(tái)的專(zhuān)用傳感器和敏感器接口。導(dǎo)航硬件架構(gòu)的研究需要進(jìn)行一系列測(cè)試與驗(yàn)證活動(dòng)。

2）實(shí)時(shí)導(dǎo)航算法

該算法重點(diǎn)是為定位、導(dǎo)航方案開(kāi)發(fā)、完善“全源導(dǎo)航”濾波算法?！叭磳?dǎo)航”的所有信息源和自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)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(xiàn)性、非線(xiàn)性模式，并能夠在實(shí)時(shí)條件下運(yùn)行。各種傳感器、敏感器和機(jī)會(huì)信號(hào)（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(guān)鍵。與導(dǎo)航硬件架構(gòu)一樣，實(shí)時(shí)導(dǎo)航算法也將開(kāi)展從第1階段的仿真環(huán)境到野外原型系統(tǒng)的一系列測(cè)試與驗(yàn)證活動(dòng)，以促進(jìn)導(dǎo)航算法的研究。

3）新穎高效的導(dǎo)航測(cè)量方法

通過(guò)一種新穎高效的處理或測(cè)量方法，向?qū)Ш綖V波器提供獨(dú)特的測(cè)量結(jié)果，增強(qiáng)即插即用導(dǎo)航能力。預(yù)計(jì)該導(dǎo)航測(cè)量方法的研究周期約12個(gè)月。

雖然，導(dǎo)航硬件架構(gòu)和實(shí)時(shí)導(dǎo)航算法中的硬件與軟件的結(jié)合使其對(duì)引入的測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有極大靈活性和適應(yīng)性，但“全源導(dǎo)航”計(jì)劃仍將受益于新穎高效的測(cè)量方法，特別是對(duì)“全源導(dǎo)航”具有增強(qiáng)作用的測(cè)量方法。

“全源導(dǎo)航”第2階段技術(shù)領(lǐng)域與發(fā)展路線(xiàn)圖

“全源導(dǎo)航”計(jì)劃第2階段測(cè)試和驗(yàn)證細(xì)節(jié)

導(dǎo)航測(cè)量方法研究的新型傳傳感器、敏感器和測(cè)量量或處理技術(shù)將為“全源導(dǎo)航”方案提供巨大的幫助，并將具有以下特點(diǎn)：①提供新的測(cè)量類(lèi)型，其在眾多“全源導(dǎo)航”測(cè)量裝置中具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的強(qiáng)健性和精度；②新型測(cè)量量的物理特性具備某種強(qiáng)健性；③有效提供大量非常規(guī)的窄帶測(cè)量，這種測(cè)量量的組合將極大地增強(qiáng)系統(tǒng)的精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)條件下的定位、導(dǎo)航研究需要解決3個(gè)問(wèn)題：精度與精度保持問(wèn)題，體積、質(zhì)量、功耗與成本問(wèn)題，啟動(dòng)時(shí)間（或反應(yīng)時(shí)間）問(wèn)題。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的“全源導(dǎo)航”研究旨在提供無(wú)GPS服務(wù)條件下的精確定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力。目前，該計(jì)劃的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)以慣性系統(tǒng)和精確時(shí)鐘為核心，按環(huán)境、需求和任務(wù)要求的不同，接入（或移除）、靈活地配置不同類(lèi)型的傳感器和敏感器，引入不同類(lèi)型的測(cè)量量和特征數(shù)據(jù)庫(kù)，從而為不同平臺(tái)、不同環(huán)境下的用戶(hù)提供無(wú)GPS條件下的精確定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)，建立強(qiáng)對(duì)抗條件下的定位、導(dǎo)航與授時(shí)優(yōu)勢(shì)。

“全源導(dǎo)航”并非要取代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但是“全源導(dǎo)航”技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將全面解決衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)固有脆弱性產(chǎn)生的水下、地面、室內(nèi)、高山與城市峽谷，特別是電磁干擾條件下的高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)問(wèn)題。對(duì)軍事用戶(hù)而言，“全源導(dǎo)航”技術(shù)將解決強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的精確定位、導(dǎo)航與授時(shí)問(wèn)題，提供更加穩(wěn)健的定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力，使美軍能夠在未來(lái)強(qiáng)對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下?lián)碛懈呔榷ㄎ?、?dǎo)航與授時(shí)能力的重要優(yōu)勢(shì)。

除“全源導(dǎo)航”體系架構(gòu)、導(dǎo)航算法和解決方案等關(guān)鍵技術(shù)外，高精度，低尺寸、質(zhì)量和功耗（SWaP）的慣性系統(tǒng)與時(shí)鐘也是“全源導(dǎo)航”系統(tǒng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)或關(guān)鍵技術(shù)，為此，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局已經(jīng)啟動(dòng)了兩項(xiàng)高精度，低SWaP的慣性系統(tǒng)與時(shí)鐘系統(tǒng)的研究計(jì)劃，分別是微導(dǎo)航、定位與授時(shí)（micro-PNT）計(jì)劃和芯片級(jí)組合原子導(dǎo)航儀計(jì)劃。