抗拒止環境的全源導航子系統模型綜述

趙 巖，高關根，葉繼坤，高育鵬

(1.空軍工程大學 防空反導學院，西安710051；2.飛行器控制一體化技術國防科技重點實驗室 航空工業自控所，西安 710065)

0 引言

組合導航技術已經成為社會生活、航空航天和武器系統的共性關鍵基礎技術[1]。隨著信息化、網絡化技術的突破性發展，對飛行器的導航系統提出了新的要求，特別是武器系統，對其自主性、隱蔽性、可靠性、導航精度和不同環境中的導航能力都有了更高的標準。尤其當載體處于拒止環境中，機載導航設備的性能將削弱，甚至喪失，嚴重威脅載體的導航定位精度和武器系統精確打擊能力[2]。顯然，傳統導航方式難以勝任拒止環境下的導航任務，急需一種新的導航體制和導航方式。

2010年底，美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)籌劃開展全源定位與導航(all source position navigation，ASPN)計劃，初衷想研制一種當全球定位系統(global position system，GPS)暫時失效時，能夠繼續穩定輸出可靠導航信息的系統[3]。2014年，DARPA進一步明確了下一代導航技術將自適應導航系統定為長期發展項目，其中包括精確慣性導航系統和全源定位與導航2個方向[4-5]。

全源導航技術為拒止環境中的飛行器精確導航提供了理論依據和技術支撐，但目前該技術方興未艾，有眾多的技術難點亟待解決。本文就全源導航系統中的導航子系統模型展開分析，探討即插即用式的新型導航方式，為拒止環境中的飛行器建立性能可靠、測量精確的ASPN系統提供思路。

1 美國全源導航研究進展

1.1 全源導航

ASPN即全源定位與導航，指利用多種導航系統、導航設備甚至導航傳感器，根據實際運行的環境進行快速集成，構成低成本導航系統，并利用先進的智能導航算法，對飛行器的導航參數進行估計，得到可靠性好、導航精度高的導航信息的新技術[6]。ASPN涉及力、光、電、磁、聲等物理屬性的傳感器，依靠即插即用的方式，根據運行環境，有效選擇合理配置最佳的組合方案，并通過高兼容性的導航算法對臨時構建的組合系統進行解算。不同于常規組合導航系統傳感器的固定選擇方式，ASPN必須具有強兼容性，構建的導航系統將具有較好的復雜環境適應性和系統可靠性。顯然傳感器的智能選擇、快速重構和高兼容性的導航算法是ASPN技術的重點和難點。

1.2 美國的ASPN計劃

DARPA作為ASPN的先行者，計劃分2個階段實施，就其概念與體系、軟件與算法、硬件集成和方案測試與驗證進行技術攻關[7]。

第1階段主要研究軟件構架和導航算法，目標是設計出能夠支持10種以上傳感器相互兼容、即插即用的軟件框架和導航解算算法[8]。與傳統組合導航不同，考慮ASPN設計理念的兼容性，其導航算法具有處理線性與非線性系統模型、高斯與非高斯統計變量的能力，能夠根據實際環境選擇傳感器的類型優化算法。ASPN的軟件構架應給予可快速重構傳感器的能力，使其實現即插即用的功能。

第2階段實現第1階段涉及算法、軟件的集成，并進行實時驗證[9]。該階段關鍵技術難點有：導航傳感器硬件的小型化和集成化；導航算法的兼容性和全能性；新穎的測量設備和方法。

目前美國研究了不同載體在多種環境中的全源導航性能，涉及到的異類傳感器主要包含陀螺儀、加速度計、磁羅盤、測距儀、無線電接收機、測距儀、星敏感器、紅外敏感器、無線導航傳感器和聲學敏感器等不同物理屬性的導航傳感器(如圖1所示)。

2 常見全源導航方式

2.1 慣性導航

慣性導航系統(inertia navigation system，INS)以牛頓力學定理為基礎，采用力學屬性的傳感器(如陀螺儀和加速度計)獲得載體的線加速度和角變量，通過積分運算，獲得載體的實時位置和姿態[10]。INS具有導航參數全面、自主性強、采樣周期快等優點，能夠為載體連續提供三維速度、位置和姿態導航信息，是一種可靠性高的自主導航方式[11]。但INS高度通道發散，且誤差隨時間累積，長期導航精度差[12]。INS的主要誤差來自傳感器誤差、安裝誤差、初始條件誤差、計算誤差和擾動誤差，其中傳感器誤差包括陀螺漂移和加計零偏。大量文獻對INS的系統模型和誤差模型進行了分析，該導航系統已成為各類載體導航系統中不可或缺的重要子系統之一[13]。隨著科技的發展，出現了多種非力學慣性傳感器，如激光陀螺、光纖陀螺、微機電陀螺、原子陀螺(在研)、壓電加計、光纖加計和微機電加計等，以其獨特的性能優勢不斷提升INS的導航精度。

2.2 衛星導航

全球衛星導航系統(global satellite navigation system，GNSS)按照無線電波在空間均勻介質傳播的直行、勻速性質，通過測量無線電波從載體到衛星之間的傳播時間推算載體的位置[14]。GNSS利用三球交匯原理，同時測量載體到4顆可見星偽距，獲取載體在三維空間位置和鐘差信息。GNSS具有全天候、全天時、高精度等優勢，但也存在信號易被遮擋、干擾的問題。該系統的主要誤差分為與衛星有關、與信號傳播有關和與觀測接收有關的誤差，其中重要的誤差是各類延時誤差[15]。定位方法主要有偽距法、載波相位法和差分法[16]。目前GNSS主要有美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)、歐洲的伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)和中國的北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)，其應用領域已經遍及海、陸、空、天，發揮著重要作用。

2.3 無線電導航

作為一種早期的導航方式，無線電導航系統(radio navigation system，RNS)的導航原理與GNSS相似，通過測量發射天線和接收天線之間的距離或角度信息，獲得載體接收天線的三維空間位置[17]。該導航方式設備易于維護、成本相對較低，但存在超視距限制。常用的定位方法有角度定位(angle of arrival，AOA)、時間定位(time of arrival，TOA)、時差定位(time difference of arrival，TDOA)、頻差定位(frequency difference of arrival，FDOA)、接收信號強度定位(receive signal strength indicator，RSSI)和聯合定位技術。目前仍然使用的RNS主要有近程的TACAN系統和遠程的羅蘭-C系統。

2.4 天文導航

現代天文導航系統(celestial navigation system，CNS)通過星敏感器觀測天體，利用幾何方法確定載體位置和姿態。該導航方式自主性強，測姿精度高，且誤差不隨時間積累，抗干擾能力強[18]。CNS的定位原理有單星、雙星、三星定位法和高度差法，測角原理有姿態矩陣法[19]。該導航系統的核心測量器件是星敏感器，根據敏感光譜分為紅外敏感器、可見光敏感器和紫外敏感器，這些敏感器分別適用于不同的環境[20]。另外，最為CNS中的一個重要分支，X-射線脈沖星導航(X-ray pulsar-based navigation，XRPN)已成為衛星、航天器等深空飛行器重要導航系統[21]。XRPN的導航原理與GNSS相似，通過測量X-射線脈沖星輻射的穩定的周期性脈沖信號，疊加形成穩定的脈沖輪廓，并與已知的脈沖模板進行比對，實現導航信息的獲取。XRPN兼具GNSS導航的優點，且不需要建立和維護衛星星座，而且信號持續穩定，是未來一種具有重要研究價值和良好應用前景的導航系統[22]。

2.5 拒止環境

拒止環境(denial environment，DE)，即在特定的區域內限制或阻止外部勢力介入干預的條件[23]。該概念源于美國提出的“反進入和區域拒止”(anti-access and area denial，A2/AD)威脅問題。進入DE中的載體，其部分導航設備的功能將受到限制，導致其性能削弱甚至喪失。對于上述幾種常用導航系統，特別是基于無線電導航方式的系統，由于對其導航模型和信號格式的深入研究，易于設計針對性的DE，實現對其設備的干擾和攻擊，則含有受干擾設備的組合導航系統性能必將下降，導致無法完成導航任務。因此，有必要研究新型的非傳統導航(non-traditional navigation，NTN)技術應對蓄意破壞。直接有效的方式加入新的異類傳感器，增加冗余信息，以克服被干擾傳感器獲取信息污染的問題。主要包括地磁導航系統(geomagnetic navigation，GMN)、大氣數據系統(air data system，ADS)、氣壓高度計(barometric altimeter，BA)、重力導航(gravitational navigation，GN)、視覺導航(visual navigation，VN)、無線導航(wireless navigation，WN)等導航系統和傳感器。

3 新興的全源導航子系統模型

3.1 大氣數據子系統

ADS能夠為載體提供真空速的測量信息[24]。其傳感器測量模型為

vADS=vAS+Bwind+wADS

(1)

式中：vADS為測量得到的真空速；vAS為實際真空速；Bwind為風速偏差；wADS表示觀測噪聲，且為高斯白噪聲。

為了得到準確的vAS，必須將vADS中的Bwind排除掉。又有

vAS=v+Bwind

(2)

式中v表示載體的速度，可由其他傳感器獲得，如INS。

將式(2)帶入式(1)，經推導可以得到導航系統的觀測方程

z=v-vADSwADS

(3)

該系統只適用于在大氣層中飛行載體的信息測量。

3.2 氣壓高度子系統

BA通過測量相對海平面壓力與當地的壓力獲得載體所在的高度[25]。其傳感器測量模型為

hBA=htrue+bbaro+wBA

(4)

式中：htrue表示測量得到的當地高度；htrue為當地真實高度；bbaro是由大氣環境變化引起的高度誤差，wBA表示觀測噪聲，且為高斯白噪聲。

通過對氣壓計桿臂效應的補償，可以得到

(5)

將式(4)及式(5)聯立，經推導可以得到子系統的觀測方程為

(6)

總的來說，BA測量易受到外界環境，特別是氣溫及其垂直變化率的影響，但仍然是一種結構簡單易行，無需任何外界供能的自主式測量設備[26]。

3.3 磁羅盤子系統

地球周圍存在一種特殊的自然屬性，即地球磁場。通過磁羅盤(compass and inclinometer，CI)可以獲得載體的姿態信息[27]。其傳感器測量模型為

(7)

式中：ψCI、θCI、φCI分別表示測量得到的航向角、俯仰角和橫滾角；下標true表示載體真實姿態信息；bCI為測量姿態偏差；wCI為高斯白噪聲。

利用四元數法可以得到姿態角的觀測方程為

(8)

一些隨機的磁暴現象會影響外源場的磁力分布，導致地磁場與地磁數據的差異，影響導航定位精度。

3.4 三軸磁力計子系統

三軸磁力計(tri-axial magnetometer，TAM)同樣利用地球磁場匹配實現測定的特殊地理位置，從而為載體提供位置信息[28]。其觀測模型為

(9)

式中：LTMA、λTMA、hTMA分別表示測量得到載體的經、緯、高信息；RE表示地球橢球半徑的長半軸；下標true表示載體真實位置信息；wTMA為高斯白噪聲。

利用TAM進行導航，要求事先進行準確的測量得到匹配地圖信息，才能獲得較準確的載體位置信息。

3.5 重力導航子系統

GN是另一種利用地球自然屬性的自主導航方式。地球的重力場分布于地球表面及附近空間中，GN借助測量得到的重力垂線偏差、重力異常和重力梯度[29]等信息，與導航計算機中事先存儲重力特征圖進行匹配，從而實現對載體的導航定位功能。GN具有自主性強、隱蔽性好、全天候、全地域的特點，通常用于輔助INS，彌補INS誤差隨時間累積的缺陷。其觀測模型為

gGN=gcosδ+Δg+T

(10)

式中：gGN為系統測量得到的重力；g為當地重力加速度；δ表示載體所在位置與載體在重力位面的投影點連線與載體所在位置重力方向的夾角；Δg為該投影點與載體在正常橢球面投影處重力之差；T表示重力梯度。

但是要得到高精度的GN信息，需要設計高精度實時重力測量系統、制作高精度重力場數據庫、實現重力圖匹配技術和防虛假定位技術，在此基礎上才能保證輸出信息的精度[30]。

3.6 激光束掃描子系統

激光束掃描(laser scanner，LS)導航是利用激光掃描儀捕獲激光反射光程，實現導航信息的獲取。根據測量維度分為一維、二維和三維激光掃描。一維激光掃描只能獲取距離信息；三維激光掃描可以獲取位置和姿態信息，但三維激光掃描設備昂貴、成像速度慢應用較少；二維激光掃描可以獲取水平位置信息和載體的航向角信息。通過該系統并加裝相應的機械設備可以實現三維信息的獲取[31]。對于激光束掃描觀測模型為

(11)

LS導航裝置結構簡單，掃描速度快、測量精度高，且對環境光線不敏感，但要與其他導航設備進行融合，激光掃描儀與其他設備必須實現高精度聯合標定才能得到優良的融合效果[32]。

3.7 機會導航子系統

機會導航(opportunity navigation，ON)是應對衛星導航信號弱、易被遮擋和干擾的缺陷產生的一種新型導航體制。該體制利用載體周圍充斥的無線電環境尋找適合的機會信號(signal of opportunity，SOP)，解算獲得載體需要的導航信息[33]。對于單個機會信號獲得的觀測模型為

DON=c·TON+bON+wON

(12)

式中：DON為測量得到機會信號與載體之間的距離；c為光速；TON為機會信號到達載體的時間；bON表示鐘差；wON為高斯白噪聲。

顯然該導航方式與GNSS相似，如果可以獲取4組以上的機會信號，就可以計算出載體的導航信息。該導航方式的難點在于最佳信號的提取和基本估計方法[34]。

4 全源導航關鍵問題探討

4.1 時空對準問題

ASPN是一種有效集成眾多異類傳感器的新型導航體制。其中，涉及不同物理屬性的測量傳感器，在采樣周期和反應時間上存在較大差異。因此，有必要對各類傳感器進行時間對準。另外，由于各類傳感器獲取的信息種類不同，其安裝在載體上的位置或采用集成或分布式，要利用這些觀測信息得到精確的導航信息，必須對傳感器進行空間配準。

更為重要的是：由于ASPN根據載體實際運行環境，采用即插即用的模式，這也就要求不能采用目前組合導航傳統相對固定的時空對準方法。因此，ASPN對時空對準問題提出了新的、更高的要求。

4.2 新體制的測量方法

對于常用傳感器的研究比較全面，其優缺點眾所周知，便于設計傳感器針對性的拒止環境，限制其測量能力，因此有必要開展新型的測量方法的研究。如新的傳感器、新的觀測量、新的觀測方法等。增加新的觀測量可以有效擴充原有導航系統的冗余信息，提高導航系統的可靠性。在這些新增的觀測量中有常規傳感器獲得的信息，更需要以新的觀測體制和新型傳感器得到的觀測信息，從而提供非傳統的窄帶觀測信息，提高測量的精度。

4.3 硬件平臺架構問題

即插即用的模式是區別傳統組合導航的一個重要特征。這種模式依托于具有自主感知能力的硬件平臺架構。自主感知能力，即能夠根據載體運行的環境，自主選擇在該環境中具有良好測量性能的導航傳感器進行組合。這種方式的優點體現在，觀測傳感器不固定，并且是針對復雜環境有選擇性的組建組合系統，因此測量信息更為準確。另外，這種自主感知能力還有助于減小處理信息的負擔和計算量。當然構建這種硬件平臺也存在很多難點。比如對傳感器的尺寸、功耗、布局和快速響應等問題都需要進行深入研究。

4.4 可兼容的高效算法設計問題

正是由于引進這種即插即用的硬件框架，傳統組合導航算法也不再適用。隨著觀測量的改變、子導航系統狀態量維數的改變，要求導航算法能夠處理各類高斯、非高斯問題，線性與非線性問題。因此對可兼容的高效算法是ASPN的關鍵問題之一。

5 展望

ASPN技術不僅能夠為人民生活提供便利，其巨大的軍事應用潛能將改變傳統運載器執行作戰任務的方式。ASPN并不取代某種成熟的導航方式，而作為一種新型的導航體制，為載體快速提供可靠、精確的導航信息。

本文介紹了10余種導航方式，特別是一些已在組合導航系統中逐漸被使用的新型系統。伴隨著這些導航設備、傳感器的使用，對其研究不斷深入。但是，作為ASPN系統中的子系統仍然存在許多亟待解決的問題，特別是硬件框架構建、高效導航算法設計、低功耗問題和微授時系統等，需要得到快速發展。