趙 巖，高關(guān)根，葉繼坤，高育鵬

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

0 引言

組合導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為社會生活、航空航天和武器系統(tǒng)的共性關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)[1]。隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的突破性發(fā)展，對飛行器的導(dǎo)航系統(tǒng)提出了新的要求，特別是武器系統(tǒng)，對其自主性、隱蔽性、可靠性、導(dǎo)航精度和不同環(huán)境中的導(dǎo)航能力都有了更高的標準。尤其當(dāng)載體處于拒止環(huán)境中，機載導(dǎo)航設(shè)備的性能將削弱，甚至喪失，嚴重威脅載體的導(dǎo)航定位精度和武器系統(tǒng)精確打擊能力[2]。顯然，傳統(tǒng)導(dǎo)航方式難以勝任拒止環(huán)境下的導(dǎo)航任務(wù)，急需一種新的導(dǎo)航體制和導(dǎo)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(dǎo)航(all source position navigation，ASPN)計劃，初衷想研制一種當(dāng)全球定位系統(tǒng)(global position system，GPS)暫時失效時，能夠繼續(xù)穩(wěn)定輸出可靠導(dǎo)航信息的系統(tǒng)[3]。2014年，DARPA進一步明確了下一代導(dǎo)航技術(shù)將自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)定為長期發(fā)展項目，其中包括精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和全源定位與導(dǎo)航2個方向[4-5]。

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

1 美國全源導(dǎo)航研究進展

1.1 全源導(dǎo)航

ASPN即全源定位與導(dǎo)航，指利用多種導(dǎo)航系統(tǒng)、導(dǎo)航設(shè)備甚至導(dǎo)航傳感器，根據(jù)實際運行的環(huán)境進行快速集成，構(gòu)成低成本導(dǎo)航系統(tǒng)，并利用先進的智能導(dǎo)航算法，對飛行器的導(dǎo)航參數(shù)進行估計，得到可靠性好、導(dǎo)航精度高的導(dǎo)航信息的新技術(shù)[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(jù)運行環(huán)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(dǎo)航算法對臨時構(gòu)建的組合系統(tǒng)進行解算。不同于常規(guī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)傳感器的固定選擇方式，ASPN必須具有強兼容性，構(gòu)建的導(dǎo)航系統(tǒng)將具有較好的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性和系統(tǒng)可靠性。顯然傳感器的智能選擇、快速重構(gòu)和高兼容性的導(dǎo)航算法是ASPN技術(shù)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(shù)攻關(guān)[7]。

第1階段主要研究軟件構(gòu)架和導(dǎo)航算法，目標是設(shè)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(dǎo)航解算算法[8]。與傳統(tǒng)組合導(dǎo)航不同，考慮ASPN設(shè)計理念的兼容性，其導(dǎo)航算法具有處理線性與非線性系統(tǒng)模型、高斯與非高斯統(tǒng)計變量的能力，能夠根據(jù)實際環(huán)境選擇傳感器的類型優(yōu)化算法。ASPN的軟件構(gòu)架應(yīng)給予可快速重構(gòu)傳感器的能力，使其實現(xiàn)即插即用的功能。

第2階段實現(xiàn)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(guān)鍵技術(shù)難點有：導(dǎo)航傳感器硬件的小型化和集成化；導(dǎo)航算法的兼容性和全能性；新穎的測量設(shè)備和方法。

目前美國研究了不同載體在多種環(huán)境中的全源導(dǎo)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(dǎo)航傳感器和聲學(xué)敏感器等不同物理屬性的導(dǎo)航傳感器(如圖1所示)。

2 常見全源導(dǎo)航方式

2.1 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertia navigation system，INS)以牛頓力學(xué)定理為基礎(chǔ)，采用力學(xué)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(tài)[10]。INS具有導(dǎo)航參數(shù)全面、自主性強、采樣周期快等優(yōu)點，能夠為載體連續(xù)提供三維速度、位置和姿態(tài)導(dǎo)航信息，是一種可靠性高的自主導(dǎo)航方式[11]。但INS高度通道發(fā)散，且誤差隨時間累積，長期導(dǎo)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(tǒng)模型和誤差模型進行了分析，該導(dǎo)航系統(tǒng)已成為各類載體導(dǎo)航系統(tǒng)中不可或缺的重要子系統(tǒng)之一[13]。隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了多種非力學(xué)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(yōu)勢不斷提升INS的導(dǎo)航精度。

2.2 衛(wèi)星導(dǎo)航

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global satellite navigation system，GNSS)按照無線電波在空間均勻介質(zhì)傳播的直行、勻速性質(zhì)，通過測量無線電波從載體到衛(wèi)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(yōu)勢，但也存在信號易被遮擋、干擾的問題。該系統(tǒng)的主要誤差分為與衛(wèi)星有關(guān)、與信號傳播有關(guān)和與觀測接收有關(guān)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)、歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)遍及海、陸、空、天，發(fā)揮著重要作用。

2.3 無線電導(dǎo)航

作為一種早期的導(dǎo)航方式，無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(radio navigation system，RNS)的導(dǎo)航原理與GNSS相似，通過測量發(fā)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(dǎo)航方式設(shè)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，F(xiàn)DOA)、接收信號強度定位(receive signal strength indicator，RSSI)和聯(lián)合定位技術(shù)。目前仍然使用的RNS主要有近程的TACAN系統(tǒng)和遠程的羅蘭-C系統(tǒng)。

2.4 天文導(dǎo)航

現(xiàn)代天文導(dǎo)航系統(tǒng)(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(tài)。該導(dǎo)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(tài)矩陣法[19]。該導(dǎo)航系統(tǒng)的核心測量器件是星敏感器，根據(jù)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(huán)境[20]。另外，最為CNS中的一個重要分支，X-射線脈沖星導(dǎo)航(X-ray pulsar-based navigation，XRPN)已成為衛(wèi)星、航天器等深空飛行器重要導(dǎo)航系統(tǒng)[21]。XRPN的導(dǎo)航原理與GNSS相似，通過測量X-射線脈沖星輻射的穩(wěn)定的周期性脈沖信號，疊加形成穩(wěn)定的脈沖輪廓，并與已知的脈沖模板進行比對，實現(xiàn)導(dǎo)航信息的獲取。XRPN兼具GNSS導(dǎo)航的優(yōu)點，且不需要建立和維護衛(wèi)星星座，而且信號持續(xù)穩(wěn)定，是未來一種具有重要研究價值和良好應(yīng)用前景的導(dǎo)航系統(tǒng)[22]。

2.5 拒止環(huán)境

拒止環(huán)境(denial environment，DE)，即在特定的區(qū)域內(nèi)限制或阻止外部勢力介入干預(yù)的條件[23]。該概念源于美國提出的“反進入和區(qū)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(dǎo)航設(shè)備的功能將受到限制，導(dǎo)致其性能削弱甚至喪失。對于上述幾種常用導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是基于無線電導(dǎo)航方式的系統(tǒng)，由于對其導(dǎo)航模型和信號格式的深入研究，易于設(shè)計針對性的DE，實現(xiàn)對其設(shè)備的干擾和攻擊，則含有受干擾設(shè)備的組合導(dǎo)航系統(tǒng)性能必將下降，導(dǎo)致無法完成導(dǎo)航任務(wù)。因此，有必要研究新型的非傳統(tǒng)導(dǎo)航(non-traditional navigation，NTN)技術(shù)應(yīng)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(dǎo)航系統(tǒng)(geomagnetic navigation，GMN)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)(air data system，ADS)、氣壓高度計(barometric altimeter，BA)、重力導(dǎo)航(gravitational navigation，GN)、視覺導(dǎo)航(visual navigation，VN)、無線導(dǎo)航(wireless navigation，WN)等導(dǎo)航系統(tǒng)和傳感器。

3 新興的全源導(dǎo)航子系統(tǒng)模型

3.1 大氣數(shù)據(jù)子系統(tǒng)

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(fēng)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(jīng)推導(dǎo)可以得到導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測方程

z=v-vADSwADS

(3)

該系統(tǒng)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(tǒng)

BA通過測量相對海平面壓力與當(dāng)?shù)氐膲毫Λ@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(dāng)?shù)馗叨?；htrue為當(dāng)?shù)卣鎸嵏叨?；bbaro是由大氣環(huán)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(yīng)的補償，可以得到

(5)

將式(4)及式(5)聯(lián)立，經(jīng)推導(dǎo)可以得到子系統(tǒng)的觀測方程為

(6)

總的來說，BA測量易受到外界環(huán)境，特別是氣溫及其垂直變化率的影響，但仍然是一種結(jié)構(gòu)簡單易行，無需任何外界供能的自主式測量設(shè)備[26]。

3.3 磁羅盤子系統(tǒng)

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(tài)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(tài)信息；bCI為測量姿態(tài)偏差；wCI為高斯白噪聲。

利用四元數(shù)法可以得到姿態(tài)角的觀測方程為

(8)

一些隨機的磁暴現(xiàn)象會影響外源場的磁力分布，導(dǎo)致地磁場與地磁數(shù)據(jù)的差異，影響導(dǎo)航定位精度。

3.4 三軸磁力計子系統(tǒng)

三軸磁力計(tri-axial magnetometer，TAM)同樣利用地球磁場匹配實現(xiàn)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(jīng)、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(dǎo)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(dǎo)航子系統(tǒng)

GN是另一種利用地球自然屬性的自主導(dǎo)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(dǎo)航計算機中事先存儲重力特征圖進行匹配，從而實現(xiàn)對載體的導(dǎo)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(tǒng)測量得到的重力；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；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(shè)計高精度實時重力測量系統(tǒng)、制作高精度重力場數(shù)據(jù)庫、實現(xiàn)重力圖匹配技術(shù)和防虛假定位技術(shù)，在此基礎(chǔ)上才能保證輸出信息的精度[30]。

3.6 激光束掃描子系統(tǒng)

激光束掃描(laser scanner，LS)導(dǎo)航是利用激光掃描儀捕獲激光反射光程，實現(xiàn)導(dǎo)航信息的獲取。根據(jù)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(tài)信息，但三維激光掃描設(shè)備昂貴、成像速度慢應(yīng)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(tǒng)并加裝相應(yīng)的機械設(shè)備可以實現(xiàn)三維信息的獲取[31]。對于激光束掃描觀測模型為

(11)

LS導(dǎo)航裝置結(jié)構(gòu)簡單，掃描速度快、測量精度高，且對環(huán)境光線不敏感，但要與其他導(dǎo)航設(shè)備進行融合，激光掃描儀與其他設(shè)備必須實現(xiàn)高精度聯(lián)合標定才能得到優(yōu)良的融合效果[32]。

3.7 機會導(dǎo)航子系統(tǒng)

機會導(dǎo)航(opportunity navigation，ON)是應(yīng)對衛(wèi)星導(dǎo)航信號弱、易被遮擋和干擾的缺陷產(chǎn)生的一種新型導(dǎo)航體制。該體制利用載體周圍充斥的無線電環(huán)境尋找適合的機會信號(signal of opportunity，SOP)，解算獲得載體需要的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)航信息。該導(dǎo)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(dǎo)航關(guān)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(jù)載體實際運行環(huán)境，采用即插即用的模式，這也就要求不能采用目前組合導(dǎo)航傳統(tǒng)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(yōu)缺點眾所周知，便于設(shè)計傳感器針對性的拒止環(huán)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(dǎo)航系統(tǒng)的冗余信息，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。在這些新增的觀測量中有常規(guī)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(tǒng)的窄帶觀測信息，提高測量的精度。

4.3 硬件平臺架構(gòu)問題

即插即用的模式是區(qū)別傳統(tǒng)組合導(dǎo)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(gòu)。自主感知能力，即能夠根據(jù)載體運行的環(huán)境，自主選擇在該環(huán)境中具有良好測量性能的導(dǎo)航傳感器進行組合。這種方式的優(yōu)點體現(xiàn)在，觀測傳感器不固定，并且是針對復(fù)雜環(huán)境有選擇性的組建組合系統(tǒng)，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(dān)和計算量。當(dāng)然構(gòu)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(yīng)等問題都需要進行深入研究。

4.4 可兼容的高效算法設(shè)計問題

正是由于引進這種即插即用的硬件框架，傳統(tǒng)組合導(dǎo)航算法也不再適用。隨著觀測量的改變、子導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)量維數(shù)的改變，要求導(dǎo)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(guān)鍵問題之一。

5 展望

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

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