全源導航——國家綜合定位導航授時（PNT）體系下的用戶側框架

■ 文/裴 凌

在國家綜合定位導航授時體系泛在的信號源覆蓋之下，高可靠、高可信的用戶終端需要具有更加靈活和智能的導航架構。

2020年7月31日，中國北斗三號全球衛星導航系統正式開通，這標志著北斗事業進入全球服務新時代，未來中國將建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時（PNT）體系。所有的全球導航衛星系統（GNSS），包括北斗衛星導航系統、全球定位系統（GPS）在內，都具有天然的脆弱性，即無線電信號弱、穿透力差、易受干擾，在深空、水下、地下、室內等特別地形環境以及復雜電磁環境下的應用能力不足。因此，全球衛星導航系統并不能滿足所有用戶的定位導航需求，用戶在不同的應用場合需要不同的定位手段以滿足自身的導航需求。針對北斗等衛星導航系統的脆弱性、盲區以及單一PNT 技術的不足，國家提出建設以北斗為核心、多源互補與信息融合的國家綜合PNT 體系。在國家綜合PNT 體系泛在的信號源覆蓋之下，高可靠、高可信的用戶終端需要具有更加靈活和智能的導航架構。

導航定位技術國內外研究進展

導航定位技術在最近20年得到迅猛發展，以衛星導航、慣性導航、地形輔助導航、天文導航、組合導航等為代表的導航方式把導航定位技術的發展不斷推向新的高度。當然，在實際應用中新的問題與挑戰也在大量涌現，用戶對下一代的導航定位技術提出了新的要求，即在任意環境、任意時刻、任意平臺都能具備可靠的導航能力。為此，美國國防部提出了一種融合一切可用的信號源，進行高可靠性、高可用性導航定位的新一代導航系統——全源融合定位導航系統（All Source Positioning and Navigation，ASPN）。ASPN 作為國家綜合PNT 體系的關鍵技術，我國在“十三五”期間啟動了相關的研究。

如何充分利用不同模態的傳感器、敏感器、信號源進行更具有韌性的導航定位？國內外相關研究包括信號機會導航、環境感知的自適應導航定位、全源融合定位導航等幾個方向。

信號機會（Signal of opportunity，SOP），亦稱隨機信號導航技術，是利用幾百個不同的已有信號進行準確定位的技術。信號機會不局限于衛星導航信號，還包括無線通信信號，如Wi-Fi、藍牙、數字電視、移動通信、電臺廣播以及空中交通管制等信號。從廣義上說，光信號、聲音信號、磁場信號等都是潛在的信號機會。

英國倫敦大學學院的研究人員提出魯棒的情境自適應多源融合導航，目標是利用低成本的實時定位解決方案，實現無論何時何地3 m 以內的定位精度。為實現該目標，研究人員設計了一種情境自適應導航系統架構，該系統基于環境感知的系統集成策略，融合了相機、慣性器件、GNSS 以及其他無線信號實現高可用性的導航定位，并對系統的完整性進行監測。

美國俄亥俄州立大學以及空軍技術學院的研究人員在全源融合定位導航項目中開發了一個測試床，實現了多種傳感器集成、數據采集、真實軌跡生產、傳感器數據處理、擴展卡爾曼濾波等功能，并為全源導航提供用于架構設計和算法驗證的原始數據。來自美國麻省理工學院、佐治亞理工學院、卡內基梅隆大學的研究團隊,以及國內大量研究團隊采用同步定位與建圖（SLAM）的思路，為地面無人系統開發了全源融合定位導航算法。主要架構分為兩個部分：前端的視覺特征/點云提取與位姿估計以及后端的位姿優化。后端優化具有兩種技術路線：一種是濾波，另一種是優化。除此之外，后端優化的過程還承擔著對已知環境的識別與檢測，也就是回環檢測。代表性系 統 有VINS、OKVIS 和ORB-SLAM3、LOAM、LINS和LIO-SAM 等。

從載體平臺的角度看，越來越多的無人系統開始采用標準化、即插即用的平臺化通用組合導航框架。例如，大疆、拓攻、Pixhawk 等無人機飛控系統，思嵐科技SLAM-Cube 機器人導航套件，百度Apollo 無人駕駛平臺等，都采用了通用化的導航平臺設計，使系統能夠快速適應不同載體平臺與感知系統配置的需求。

針對不同的應用場景、不同的載體、不同的精度要求如何選擇導航組件、統一數據標準、融合導航信息，目前國內外的研究都不夠深入，這也是國家綜合PNT 體系需要解決的關鍵問題。在國家綜合PNT 體系中，全源導航可以被視作用戶側的一個子體系框架，并具備以下能力：多種異構異質傳感器/信號源的即插即用能力；環境感知和載體運動感知能力；傳感器/信號源的在線優化選擇能力；多源融合導航濾波能力；場景自適應的導航定位能力。同時，全源導航也是一種設計依據：面向導航任務、平臺、場景的最優化設計依據；導航系統傳感器/信號源配置依據；導航系統算法選擇依據。

全源導航關鍵技術

全源導航關鍵技術包括即插即用終端體系結構、環境與載體行為感知、全源導航融合算法等幾個方面。

●即插即用終端體系結構

（1）不同類型導航源導航信號特征抽象與標準化表達設計

針對全源融合導航定位算法中所需的位置、姿態、時間、航向、速度等觀測量輸入，篩選國家綜合PNT 體系中各種可用于導航的傳感器與信號源，梳理其工作原理和適應工作環境，研究其功能特征和性能指標，并對信號特征進行抽象，基于統一的時空基準，進行標準化方式表達。

（2）即插即用的信號通信機制設計

設計全源定位導航終端中各類傳感器、濾波器、功能處理單元之間高效靈活的數據交互機制，通過設計合理的消息傳遞機制，降低系統數據之間的耦合程度，從而在數據交互層面達到即插即用的效果。

（3）功能模塊設計

針對全源定位導航終端的需求，設計傳感器數據預處理模塊、環境感知模塊、載體行為感知模塊、全源融合濾波模塊、系統控制模塊、時間同步模塊等功能模塊，通過即插即用通信機制形成全源定位導航終端系統體系架構，支持應用場景分類、環境識別（工作環境、載體環境）以及導航融合方式切換的應用策略。

●環境與載體行為感知

環境與載體平臺運動狀態的不同在兩個方面影響整個導航系統中傳感器的配置與算法的選擇。一是環境特性，諸如基于計算機視覺的圖像定位，不同的應用環境對算法的特征選擇會產生很大的區別；二是載體行為特性，載體的運動狀態會影響傳感器的定位結果，如較快的載體運動會使相機采集的圖像模糊，導致定位失敗。這兩個特征會影響傳感器信號的可用性。例如，衛星導航信號在室外大多數環境下是可以作為信號源的，但在室內環境甚至地下隧道等環境則完全失效。

導航系統要想能夠合理地融合利用各種傳感器，需要具有情境自適應性。這就需要對場景的三維結構以及環境中光、電、聲、磁、風、溫等物理特性進行研究，對傳感器觀測受環境特性的影響進行分析，并進行場景的物理空間分類定義和場景的環境變量分類定義，開發研制場景感知與識別相關算法，基于場景識別的結果實現在任意時刻滿足系統約束條件和精度需求的最佳導航組件融合方案。

融合導航發展趨勢

●全源導航融合算法

目前，對于多源信號的融合方法有很多，一般都是針對特定的傳感器組合。全源導航目的是實現多種傳感器的自動融合，其中包括根據不同的場景進行傳感器的自動選擇、傳感器的即插即用、傳感器的失效切換。實現這些功能，都要求融合濾波算法有較高的自適應和魯棒性，在使用數目眾多的傳感器的同時，也不能額外地增加算法運行的復雜度。在這種需求下，全源導航系統需要對傳感器信號建模處理，對導航信息進行抽象，設計一種集成傳感器誤差模型、環境感知模型、載體運動模型（3M-based），具有自適應性、魯棒性、高效性的融合濾波/優化算法。

未來的趨勢

定位導航技術從指南針、天文信息、衛星、慣性等單一的信源開始，隨著慣性與衛星導航技術的成熟，這兩種技術的松組合、緊組合、超緊組合等組合導航技術迅速發展。考慮到衛星導航的脆弱性以及慣性導航的漂移問題，其他傳感器如視覺、激光、里程計等開始被引入組合導航系統中，形成多源融合的導航系統。隨著傳感器技術的迅速發展，導航場景的日益復雜、導航平臺的算力提高、能夠實現快速場景切換，軟硬即插即用的全源融合導航開始被研究與關注，重點解決全源導航體系框架與接口標準等問題。融合導航是全源導航的一種具體實現，組合導航是融合導航的一個特例，通常指的是衛星/慣性的組合導航。

深度學習快速崛起，在計算機視覺等領域已經體現出其強大的潛力，多模態感知技術能夠充分挖掘和利用不同特性的信號，實現信息的互補或增強，完成對場景的更多維度、更加全面、更加深入的描述。定位導航本身是一個不斷探索環境、理解環境、自我定位、規劃導航的過程，深度學習對環境感知和定位導航等環節都具有非常重要的作用，通過深度融合挖掘不同模態的數據，可實現信息更加深入、全面的利用，提升惡劣環境中導航系統的堅韌性。

虛擬現實、增強現實、混合現實、數字孿生等技術的發展，在數字世界中克隆一個真實世界，并且將數字世界與現實世界映射關聯，交互操作，類似技術已經在智能制造、無人駕駛等領域展現強大的效率。利用混合現實技術可以有效解決多源導航系統在復雜場景中的適應性問題，集成虛擬場景、虛擬傳感器、真實采集數據、真實硬件設備，構建混合現實的仿真測試平臺，形成特殊場景與極端環境中載體平臺定位導航驗證評估能力，將為多源導航仿真提供全新的技術途徑。

未來所有的定位導航模塊都采用復雜的全源導航架構，接入大量信號源，從成本、功耗、算力等各方面看都是不現實的。群體智能或者協同導航可以在單一導航模塊出現部分能力不足時，利用信號和數據共享的方式，在云平臺上實現宏觀層面上的分布式全源導航。