抗拒止环境的全源导航子系统模型综述

赵 岩，高关根，叶继坤，高育鹏

(1.空军工程大学 防空反导学院，西安710051；2.飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室 航空工业自控所，西安 710065)

0 引言

组合导航技术已经成为社会生活、航空航天和武器系统的共性关键基础技术[1]。随着信息化、网络化技术的突破性发展，对飞行器的导航系统提出了新的要求，特别是武器系统，对其自主性、隐蔽性、可靠性、导航精度和不同环境中的导航能力都有了更高的标准。尤其当载体处于拒止环境中，机载导航设备的性能将削弱，甚至丧失，严重威胁载体的导航定位精度和武器系统精确打击能力[2]。显然，传统导航方式难以胜任拒止环境下的导航任务，急需一种新的导航体制和导航方式。

2010年底，美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)筹划开展全源定位与导航(all source position navigation，ASPN)计划，初衷想研制一种当全球定位系统(global position system，GPS)暂时失效时，能够继续稳定输出可靠导航信息的系统[3]。2014年，DARPA进一步明确了下一代导航技术将自适应导航系统定为长期发展项目，其中包括精确惯性导航系统和全源定位与导航2个方向[4-5]。

全源导航技术为拒止环境中的飞行器精确导航提供了理论依据和技术支撑，但目前该技术方兴未艾，有众多的技术难点亟待解决。本文就全源导航系统中的导航子系统模型展开分析，探讨即插即用式的新型导航方式，为拒止环境中的飞行器建立性能可靠、测量精确的ASPN系统提供思路。

1 美国全源导航研究进展

1.1 全源导航

ASPN即全源定位与导航，指利用多种导航系统、导航设备甚至导航传感器，根据实际运行的环境进行快速集成，构成低成本导航系统，并利用先进的智能导航算法，对飞行器的导航参数进行估计，得到可靠性好、导航精度高的导航信息的新技术[6]。ASPN涉及力、光、电、磁、声等物理属性的传感器，依靠即插即用的方式，根据运行环境，有效选择合理配置最佳的组合方案，并通过高兼容性的导航算法对临时构建的组合系统进行解算。不同于常规组合导航系统传感器的固定选择方式，ASPN必须具有强兼容性，构建的导航系统将具有较好的复杂环境适应性和系统可靠性。显然传感器的智能选择、快速重构和高兼容性的导航算法是ASPN技术的重点和难点。

1.2 美国的ASPN计划

DARPA作为ASPN的先行者，计划分2个阶段实施，就其概念与体系、软件与算法、硬件集成和方案测试与验证进行技术攻关[7]。

第1阶段主要研究软件构架和导航算法，目标是设计出能够支持10种以上传感器相互兼容、即插即用的软件框架和导航解算算法[8]。与传统组合导航不同，考虑ASPN设计理念的兼容性，其导航算法具有处理线性与非线性系统模型、高斯与非高斯统计变量的能力，能够根据实际环境选择传感器的类型优化算法。ASPN的软件构架应给予可快速重构传感器的能力，使其实现即插即用的功能。

第2阶段实现第1阶段涉及算法、软件的集成，并进行实时验证[9]。该阶段关键技术难点有：导航传感器硬件的小型化和集成化；导航算法的兼容性和全能性；新颖的测量设备和方法。

目前美国研究了不同载体在多种环境中的全源导航性能，涉及到的异类传感器主要包含陀螺仪、加速度计、磁罗盘、测距仪、无线电接收机、测距仪、星敏感器、红外敏感器、无线导航传感器和声学敏感器等不同物理属性的导航传感器(如图1所示)。

2 常见全源导航方式

2.1 惯性导航

惯性导航系统(inertia navigation system，INS)以牛顿力学定理为基础，采用力学属性的传感器(如陀螺仪和加速度计)获得载体的线加速度和角变量，通过积分运算，获得载体的实时位置和姿态[10]。INS具有导航参数全面、自主性强、采样周期快等优点，能够为载体连续提供三维速度、位置和姿态导航信息，是一种可靠性高的自主导航方式[11]。但INS高度通道发散，且误差随时间累积，长期导航精度差[12]。INS的主要误差来自传感器误差、安装误差、初始条件误差、计算误差和扰动误差，其中传感器误差包括陀螺漂移和加计零偏。大量文献对INS的系统模型和误差模型进行了分析，该导航系统已成为各类载体导航系统中不可或缺的重要子系统之一[13]。随着科技的发展，出现了多种非力学惯性传感器，如激光陀螺、光纤陀螺、微机电陀螺、原子陀螺(在研)、压电加计、光纤加计和微机电加计等，以其独特的性能优势不断提升INS的导航精度。

2.2 卫星导航

全球卫星导航系统(global satellite navigation system，GNSS)按照无线电波在空间均匀介质传播的直行、匀速性质，通过测量无线电波从载体到卫星之间的传播时间推算载体的位置[14]。GNSS利用三球交汇原理，同时测量载体到4颗可见星伪距，获取载体在三维空间位置和钟差信息。GNSS具有全天候、全天时、高精度等优势，但也存在信号易被遮挡、干扰的问题。该系统的主要误差分为与卫星有关、与信号传播有关和与观测接收有关的误差，其中重要的误差是各类延时误差[15]。定位方法主要有伪距法、载波相位法和差分法[16]。目前GNSS主要有美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system，GLONASS)、欧洲的伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system，Galileo)和中国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)，其应用领域已经遍及海、陆、空、天，发挥着重要作用。

2.3 无线电导航

作为一种早期的导航方式，无线电导航系统(radio navigation system，RNS)的导航原理与GNSS相似，通过测量发射天线和接收天线之间的距离或角度信息，获得载体接收天线的三维空间位置[17]。该导航方式设备易于维护、成本相对较低，但存在超视距限制。常用的定位方法有角度定位(angle of arrival，AOA)、时间定位(time of arrival，TOA)、时差定位(time difference of arrival，TDOA)、频差定位(frequency difference of arrival，FDOA)、接收信号强度定位(receive signal strength indicator，RSSI)和联合定位技术。目前仍然使用的RNS主要有近程的TACAN系统和远程的罗兰-C系统。

2.4 天文导航

现代天文导航系统(celestial navigation system，CNS)通过星敏感器观测天体，利用几何方法确定载体位置和姿态。该导航方式自主性强，测姿精度高，且误差不随时间积累，抗干扰能力强[18]。CNS的定位原理有单星、双星、三星定位法和高度差法，测角原理有姿态矩阵法[19]。该导航系统的核心测量器件是星敏感器，根据敏感光谱分为红外敏感器、可见光敏感器和紫外敏感器，这些敏感器分别适用于不同的环境[20]。另外，最为CNS中的一个重要分支，X-射线脉冲星导航(X-ray pulsar-based navigation，XRPN)已成为卫星、航天器等深空飞行器重要导航系统[21]。XRPN的导航原理与GNSS相似，通过测量X-射线脉冲星辐射的稳定的周期性脉冲信号，叠加形成稳定的脉冲轮廓，并与已知的脉冲模板进行比对，实现导航信息的获取。XRPN兼具GNSS导航的优点，且不需要建立和维护卫星星座，而且信号持续稳定，是未来一种具有重要研究价值和良好应用前景的导航系统[22]。

2.5 拒止环境

拒止环境(denial environment，DE)，即在特定的区域内限制或阻止外部势力介入干预的条件[23]。该概念源于美国提出的“反进入和区域拒止”(anti-access and area denial，A2/AD)威胁问题。进入DE中的载体，其部分导航设备的功能将受到限制，导致其性能削弱甚至丧失。对于上述几种常用导航系统，特别是基于无线电导航方式的系统，由于对其导航模型和信号格式的深入研究，易于设计针对性的DE，实现对其设备的干扰和攻击，则含有受干扰设备的组合导航系统性能必将下降，导致无法完成导航任务。因此，有必要研究新型的非传统导航(non-traditional navigation，NTN)技术应对蓄意破坏。直接有效的方式加入新的异类传感器，增加冗余信息，以克服被干扰传感器获取信息污染的问题。主要包括地磁导航系统(geomagnetic navigation，GMN)、大气数据系统(air data system，ADS)、气压高度计(barometric altimeter，BA)、重力导航(gravitational navigation，GN)、视觉导航(visual navigation，VN)、无线导航(wireless navigation，WN)等导航系统和传感器。

3 新兴的全源导航子系统模型

3.1 大气数据子系统

ADS能够为载体提供真空速的测量信息[24]。其传感器测量模型为

vADS=vAS+Bwind+wADS

(1)

式中：vADS为测量得到的真空速；vAS为实际真空速；Bwind为风速偏差；wADS表示观测噪声，且为高斯白噪声。

为了得到准确的vAS，必须将vADS中的Bwind排除掉。又有

vAS=v+Bwind

(2)

式中v表示载体的速度，可由其他传感器获得，如INS。

将式(2)带入式(1)，经推导可以得到导航系统的观测方程

z=v-vADSwADS

(3)

该系统只适用于在大气层中飞行载体的信息测量。

3.2 气压高度子系统

BA通过测量相对海平面压力与当地的压力获得载体所在的高度[25]。其传感器测量模型为

hBA=htrue+bbaro+wBA

(4)

式中：htrue表示测量得到的当地高度；htrue为当地真实高度；bbaro是由大气环境变化引起的高度误差，wBA表示观测噪声，且为高斯白噪声。

通过对气压计杆臂效应的补偿，可以得到

(5)

将式(4)及式(5)联立，经推导可以得到子系统的观测方程为

(6)

总的来说，BA测量易受到外界环境，特别是气温及其垂直变化率的影响，但仍然是一种结构简单易行，无需任何外界供能的自主式测量设备[26]。

3.3 磁罗盘子系统

地球周围存在一种特殊的自然属性，即地球磁场。通过磁罗盘(compass and inclinometer，CI)可以获得载体的姿态信息[27]。其传感器测量模型为

(7)

式中：ψCI、θCI、φCI分别表示测量得到的航向角、俯仰角和横滚角；下标true表示载体真实姿态信息；bCI为测量姿态偏差；wCI为高斯白噪声。

利用四元数法可以得到姿态角的观测方程为

(8)

一些随机的磁暴现象会影响外源场的磁力分布，导致地磁场与地磁数据的差异，影响导航定位精度。

3.4 三轴磁力计子系统

三轴磁力计(tri-axial magnetometer，TAM)同样利用地球磁场匹配实现测定的特殊地理位置，从而为载体提供位置信息[28]。其观测模型为

(9)

式中：LTMA、λTMA、hTMA分别表示测量得到载体的经、纬、高信息；RE表示地球椭球半径的长半轴；下标true表示载体真实位置信息；wTMA为高斯白噪声。

利用TAM进行导航，要求事先进行准确的测量得到匹配地图信息，才能获得较准确的载体位置信息。

3.5 重力导航子系统

GN是另一种利用地球自然属性的自主导航方式。地球的重力场分布于地球表面及附近空间中，GN借助测量得到的重力垂线偏差、重力异常和重力梯度[29]等信息，与导航计算机中事先存储重力特征图进行匹配，从而实现对载体的导航定位功能。GN具有自主性强、隐蔽性好、全天候、全地域的特点，通常用于辅助INS，弥补INS误差随时间累积的缺陷。其观测模型为

gGN=gcosδ+Δg+T

(10)

式中：gGN为系统测量得到的重力；g为当地重力加速度；δ表示载体所在位置与载体在重力位面的投影点连线与载体所在位置重力方向的夹角；Δg为该投影点与载体在正常椭球面投影处重力之差；T表示重力梯度。

但是要得到高精度的GN信息，需要设计高精度实时重力测量系统、制作高精度重力场数据库、实现重力图匹配技术和防虚假定位技术，在此基础上才能保证输出信息的精度[30]。

3.6 激光束扫描子系统

激光束扫描(laser scanner，LS)导航是利用激光扫描仪捕获激光反射光程，实现导航信息的获取。根据测量维度分为一维、二维和三维激光扫描。一维激光扫描只能获取距离信息；三维激光扫描可以获取位置和姿态信息，但三维激光扫描设备昂贵、成像速度慢应用较少；二维激光扫描可以获取水平位置信息和载体的航向角信息。通过该系统并加装相应的机械设备可以实现三维信息的获取[31]。对于激光束扫描观测模型为

(11)

LS导航装置结构简单，扫描速度快、测量精度高，且对环境光线不敏感，但要与其他导航设备进行融合，激光扫描仪与其他设备必须实现高精度联合标定才能得到优良的融合效果[32]。

3.7 机会导航子系统

机会导航(opportunity navigation，ON)是应对卫星导航信号弱、易被遮挡和干扰的缺陷产生的一种新型导航体制。该体制利用载体周围充斥的无线电环境寻找适合的机会信号(signal of opportunity，SOP)，解算获得载体需要的导航信息[33]。对于单个机会信号获得的观测模型为

DON=c·TON+bON+wON

(12)

式中：DON为测量得到机会信号与载体之间的距离；c为光速；TON为机会信号到达载体的时间；bON表示钟差；wON为高斯白噪声。

显然该导航方式与GNSS相似，如果可以获取4组以上的机会信号，就可以计算出载体的导航信息。该导航方式的难点在于最佳信号的提取和基本估计方法[34]。

4 全源导航关键问题探讨

4.1 时空对准问题

ASPN是一种有效集成众多异类传感器的新型导航体制。其中，涉及不同物理属性的测量传感器，在采样周期和反应时间上存在较大差异。因此，有必要对各类传感器进行时间对准。另外，由于各类传感器获取的信息种类不同，其安装在载体上的位置或采用集成或分布式，要利用这些观测信息得到精确的导航信息，必须对传感器进行空间配准。

更为重要的是：由于ASPN根据载体实际运行环境，采用即插即用的模式，这也就要求不能采用目前组合导航传统相对固定的时空对准方法。因此，ASPN对时空对准问题提出了新的、更高的要求。

4.2 新体制的测量方法

对于常用传感器的研究比较全面，其优缺点众所周知，便于设计传感器针对性的拒止环境，限制其测量能力，因此有必要开展新型的测量方法的研究。如新的传感器、新的观测量、新的观测方法等。增加新的观测量可以有效扩充原有导航系统的冗余信息，提高导航系统的可靠性。在这些新增的观测量中有常规传感器获得的信息，更需要以新的观测体制和新型传感器得到的观测信息，从而提供非传统的窄带观测信息，提高测量的精度。

4.3 硬件平台架构问题

即插即用的模式是区别传统组合导航的一个重要特征。这种模式依托于具有自主感知能力的硬件平台架构。自主感知能力，即能够根据载体运行的环境，自主选择在该环境中具有良好测量性能的导航传感器进行组合。这种方式的优点体现在，观测传感器不固定，并且是针对复杂环境有选择性的组建组合系统，因此测量信息更为准确。另外，这种自主感知能力还有助于减小处理信息的负担和计算量。当然构建这种硬件平台也存在很多难点。比如对传感器的尺寸、功耗、布局和快速响应等问题都需要进行深入研究。

4.4 可兼容的高效算法设计问题

正是由于引进这种即插即用的硬件框架，传统组合导航算法也不再适用。随着观测量的改变、子导航系统状态量维数的改变，要求导航算法能够处理各类高斯、非高斯问题，线性与非线性问题。因此对可兼容的高效算法是ASPN的关键问题之一。

5 展望

ASPN技术不仅能够为人民生活提供便利，其巨大的军事应用潜能将改变传统运载器执行作战任务的方式。ASPN并不取代某种成熟的导航方式，而作为一种新型的导航体制，为载体快速提供可靠、精确的导航信息。

本文介绍了10余种导航方式，特别是一些已在组合导航系统中逐渐被使用的新型系统。伴随着这些导航设备、传感器的使用，对其研究不断深入。但是，作为ASPN系统中的子系统仍然存在许多亟待解决的问题，特别是硬件框架构建、高效导航算法设计、低功耗问题和微授时系统等，需要得到快速发展。