全源定位与导航的发展与建议

宋丽君，薛连莉，董燕琴，吴亚明，陈效真

（1.西安建筑科技大学信息与控制工程学院，西安710055；2.北京海鹰科技情报研究所，北京100074；3.火箭军装备研究院，北京100085；4.中国航天科技集团第十六研究所，西安710100；5.北京航天控制仪器研究所，北京100039）

全源定位与导航的发展与建议

宋丽君1，薛连莉2，董燕琴3，吴亚明4，陈效真5

（1.西安建筑科技大学信息与控制工程学院，西安710055；2.北京海鹰科技情报研究所，北京100074；3.火箭军装备研究院，北京100085；4.中国航天科技集团第十六研究所，西安710100；5.北京航天控制仪器研究所，北京100039）

介绍了全源定位与导航项目（ASPN）与定位、导航与授时（PNT）体系之间关系，概述了ASPN项目的研究背景、目标、技术指标及发展历程等，继而分别重点阐述了全源定位与导航系统的各项关键技术、导航系统当前面临的5大挑战，最后结合我国全源定位与导航的发展现状，提出了4点建议。

全源定位导航；导航、定位与授时；惯性导航系统；全球定位导航系统

0 引言

随着科学技术的进步和时代的发展，导航系统的应用领域已经深入到国民体系各个行业。尤其在军事领域，导航系统所提供的定位、导航与授时（Positioning，Navigation and Timing，PNT）服务更是不可或缺。采用组合导航能够有效克服单独使用各导航系统的缺点，充分利用各自的优势，明显提高组合系统的导航性能。但是，组合导航针对特定传感器和测量源进行了优化，导致部分解决方案无法适应新使用环境的威胁和挑战，尤其是组合导航系统中的全球定位系统（GPS）经常面临被攻击、被干扰的威胁情况。因此，导航系统迫切需要寻求一种在不使用GPS服务背景下的高精度PNT技术。

而ASPN系统正是一种可为用户提供无GPS信号时的高精度PNT功能，满足不断变化的任务需求与环境要求，实现低成本、快速系统重构、在线配置和即插即用的新兴组合导航系统。该系统以惯性导航技术为基础，通过天文、卫星、无线电、激光测距仪、相机、磁力计和电台等多种辅助传感器信息集成融合协同，形成能克服单一导航系统缺点和弊端的组合导航系统，提高导航系统的容错性与自适应性。

1 PNT体系与ASPN项目

PNT体系是2006年美国国家安全航天办公室（NSSO）实施的国家层、综合性的定位导航授时体系结构，是作为未来发展导航授时能力及其相关支持设施的框架，涵盖国防部、情报界以及支持美国全球利益的民用、商用和国际用户的系统，其结构示意图如图1所示。2010年，美国加大实施PNT体系的力度。2011年，美国加利福尼亚大学微系统实验室主任Addrei指出：“至少一千年内，导航与精密授时能力将一直是衡量国家军事与经济实力的一个重要因素。”

而作为PNT体系的一部分，ASPN是一种多传感器组合的全自主导航解决方案，是PNT体系可用性、完好性和强健性的重要支撑。ASPN以 “高精度微惯性系统＋高精度时钟”为基础，按环境、任务和需求，灵活融合相应、可匹配的传感器，形成的多信息融合全自主导航定位系统，其结构示意图如图2所示。

图2 ASPN系统结构示意图Fig.2 Diagram of ASPN system

相对传统单一导航模式而言，ASPN根据不同应用任务环境，灵活快速地融合配置多种现有或新颖导航传感器，采用稳健的组合滤波算法及最优估计理论，将多种原始敏感数据及特征数据库进行融合处理。针对不同应用平台、不同用户环境，提供小型低成本、精确无缝、自主强健、灵活插拔的导航系统。

2 全源定位导航发展情况及关键技术

复合导航研究早在20世纪末期就已经展开，随着GPS的建立，复合导航的应用变得更加普遍。在复合导航研究的基础上，国内外一直都在开展多源传感器信息融合框架和算法研究，形成了全源导航的初步雏形和想法，为全源导航的提出奠定了基础。2010年，全源定位导航的概念正式提出，随即美国DARPA设立ASPN项目。

2.1 美国ASPN项目概况

全源定位导航将多种可用信息资源整合起来，从而弥补单一系统能力不足的缺陷，解决GPS可能遭遇被干扰、被阻断的固有脆弱性和危险。其目标是在开发新型导航融合滤波算法与抽象方法的基础上，通过利用各种导航资源、方法和途径，构建开放型、可重构、组合灵活、即插即用、协同增效的快速、高精度自主导航系统，解决精度与精度保持问题，体积、质量、功耗、成本（SWaP）问题，反应时间问题以支撑IMU等导航传感器、敏感器的即插即用特性。ASPN系统的技术组合、指南发布时间以及目标如表1所示。

表1 ASPN系统的关键技术、指南发布时间以及目标Table 1 Key technology，BAA release time and goals of the ASPN program

2.2 美国ASPN项目发展历程

2010年，全源定位导航的概念正式提出，随即美国DARPA设立ASPN项目。该项目分为3个阶段实施，分别致力于导航算法与软件架构、系统集成与方案测试以及演示验证等方面的研究，ASPN系统各阶段性能评估要求如表2所示。

表2 ASPN系统各阶段性能评估要求Table 2 Performance requirements for each stage of ASPN

第一阶段为2011年5月到2012年5月，持续时间约 12个月。2010年 11月，DARPA发布ASPN项目第一阶段方案征求书 《DARPA-BAA-11-14》。2011年5月，与马萨诸塞州剑桥的Draper实验室和弗吉尼亚州费尔法克斯的Argon ST公司分别签订合同。此阶段需要演示一种具备自适应、即插即用能力的导航系统，证实实时导航算法及软件体系架构的可行性。目前，参与方已完成了整个系统的体系架构设计、抽象方法设计以及快速导航传感器融合与重构的导航滤波算法设计，同时对该导航系统的适配性和即插即用性进行了验证。

2012年6月，DARPA发布ASPN项目第二阶段方案征求书 《DARPA-BAA-12-45》，预计为期18个月。第二阶段将继续开发实时算法并研制出一台用于验证和评估的ASPN系统原型机，用于在典型应用环境中（非实验室中）验证实时导航算法，演示和评估自适应导航系统、方案的优化与实时运行，展示传感器和IMU的即插即用能力，如图3所示。此阶段重点是新型传感器的引入，以实现现有产品标准组件的快速配置和集成，且最后的解决方案不能影响即插即用功能的准确性。诺格公司、维斯皮瑞斯公司、系统与技术研究公司、斯坦福国际研究所、科学应用国际公司以及参与第一阶段的Argon ST公司参与了ASPN项目第二阶段研制。研究成果不仅要满足ASPN第二阶段对精度、质量的要求，还要为进一步的开发和研究提供坚实的基础。

第三阶段，主要任务是完成ASPN系统的演示和验证，预计为期12个月。本阶段将在第二阶段的基础上，研究小尺寸、轻质、低功耗（低SWaP）的ASPN系统硬件框架架构与软件体系架构，在真实环境中具备更加稳健的性能。

图3 第二阶段的技术领域和测试验证线路图Fig.3 Phase 2 technical field and associated testing and demonstration events

2.3 美国ASPN项目最新进展

2017年5月22日，英国 《简氏防务周刊》报道，美国空军研究实验室成功开发出ASPN装置，该系统可有效帮助战斗机在无GPS信号时进行导航，如图4所示。美国空军研究实验所导航和通信部传感器局的马克·斯米尔切克说：“空军研究实验所已建成一套系统，让备用传感器的信息可以导入飞机标准导航系统，从而帮助战斗机在没有GPS信号的环境中飞行。”

图4 美国空军研究实验室的ASPN装置Fig.4 ASPN device of US Air Force Research Lab

该系统包含：用于测量加速度和角速度的惯性导航传感器、摄像头、磁强计、GPS接收器以及高精准度的时钟和气压计。目前，ASPN已在空中、陆地和海上平台完成多次现场试验。斯米尔切克表示，ASPN系统已在塞斯纳182 Skylane商用螺旋桨飞机、美国海军舰艇、便携式背包和斯派克战车上进行了演示验证。

3 ASPN系统解决的关键技术

3.1 导航融合算法

导航融合算法是推导和开发新的导航滤波算法以解决载体的定位与导航问题。目前，大多数导航滤波器需要在效率和完备性之间做出选择。因此，ASPN需要开发新的滤波算法，使其不仅能在真实环境中运行，并且能够全面兼容各类导航算法，如高斯、非高斯统计算法，线性、非线性测量模型算法等。新的导航滤波算法必须满足真实环境下实时运行的要求，能够处理平台运动和测量可用性之间产生的时变状态空间问题；同时需要对所有导航测量结果进行统计，并在执行任务时，灵活调整各类传感器及其测量值，实现各种传感器、敏感器和机会信号的快速组合，并将其引入到可用的滤波方案，以提供准确可靠的导航解决方案。

3.2 软件体系架构

软件体系结构需要开发新的处理方法和架构，支持导航系统中各种传感器及IMU的重新配置和即插即用，如图5所示。具体来说就是需要发展新的模型，满足各种测量源和导航信息数据库的要求；提出新的处理方案以适应不同环境、不同平台的要求；解决与实时传递相关的多传感器和数据库的组合、多系统协同、时间和空间的相对和绝对测量。

图5 ASPN架构支持的传感器Fig.5 Sensors used in ASPN

3.3 导航硬件架构

如图5和表3所示，导航硬件架构主要致力于发展支持可重新配置且即插即用的各类传感器的导航系统硬件架构，支持快速响应、多数据融合的导航软件方案以及低SWaP要求，具有感知环境变化，并做出合理调整的能力。

3.4 实时导航算法

实时导航算法重点集中于为定位、导航方案开发ASPN导航滤波算法。ASPN所有信息源和自适应导航系统需要新的能在实时环境下运行的滤波算法，以适应高斯和非高斯统计、线性和非线性模型，并将各种传感器、机会信号快速组合，引入到可用滤波方案中，这是实时导航算法的关键。另外在导航硬件架构中，实时导航算法也需要进行一系列的试验验证活动，但主要试验场所已从第一阶段的模拟环境转移到了第二阶段ASPN原型系统的野外测试，具体情况如表4所示。

表3 可用于ASPN的传感器Table 3 Potential sources and measurements for ASPN

表4 测试和试验验证活动安排Table 4 Schedule of test and demonstration events

3.5 新型传感器和新颖高效的导航测量方法

引入新颖高效的传感器、测量量和测量方法，通过向导航滤波器提供独特的测量结果，增强系统测量精度和稳健性，将极大地提高ASPN系统的精度。通过一种新颖高效的处理或测量方法，向导航滤波器提供独特的测量结果，增强即插即用导航能力。同时，从现有导航测量方法中研究新型传感器和测量量处理技术，将为ASPN方案提供巨大的帮助（提供新测量类型，增强系统鲁棒性；提供鲁棒性强的新测量量；有效提供大量非常规的窄带测量）。

4 导航系统面临的挑战

全源定位与导航技术作为美国发展的一项前沿研究技术，是确保惯性导航精度的关键技术。该技术可利用一切可能用于导航的要素，以提供高精度定位、导航与授时能力，为满足鲁棒性强、可靠性高以及成本效益高等要求，导航系统还面临以下5大挑战。

1）大量异类传感器信息整合，系统结构复杂。各种不同的导航方式都存在自身缺陷，如惯性导航技术的精度随误差累积、卫星导航系统面临被攻击和干扰的威胁、地形/景象辅助导航受到地球物理特征的约束、无线电导航传输距离有限，容易受到干扰和中断。因此，全源定位导航系统必须融合多种异形传感器信息，必须有复杂的异形结构和多模式算法软件的衔接支撑，必须有各导航系统重新配置和即插即用结构支撑，必须有多种复杂环境的适应性。

2）多传感器信息交融衔接，导航系统配置最优问题。由于全源导航系统传感器实时动态配置，可以综合利用所有可用导航传感器，实现实时精确无缝衔接，发挥每种可用导航系统的优势特点。

3）多任务剖面随机不确定适应性，能处理多假设和环境特征不唯一的实时应用。全源导航传感器在线误差建模与评估、自适应重构框架及算法、系统的智能主动容错处理方法能处理多假设和环境特征不唯一的实时应用和不同故障模式下导航系统故障传播机理的分析和不同传感器及导航系统的故障模式判别，形成数字滤波、智能决策理论、神经网络、模糊推理，提高容错结构对干扰的自适应性，保证异类导航系统在良好的稳定性、连续性、抗干扰性和高精度的导航性能。

4）系统误差模型试验验证研究的扎实支撑性。通过误差模型验证，精度及可靠性验证实现激励各项外部干扰并降低环境函数矩阵的复杂性；通过不断优化系统误差模型，实现导航和定位的最大功效、多种导航传感器同时工作的可靠性判别、异常数据剔除等。利用一切可能用于导航的要素，设计基于多源异构信息融合的自适应调节准则，采用多尺度故障建模方法，建立系统和部件的层型故障机理模型，构建导航系统运行可靠性的评估体系。

5）算法软件的有效、兼容和可拓展性。系统制定了故障诊断和智能主动容错方案，全面兼容各类导航算法，灵活调整异类传感器及其量值，实现多系统协同；通过导航器件与系统数据库的最优组合，整合可利用资源，实现导航系统在多种飞行模态下异类导航信息无缝智能融合与容错；考虑系统模型不确定和非线性、噪声特性的不精确性和时变性，采用新颖高效的测量处理算法，提高系统计算效率和鲁棒性，使系统能够感知工作环境的变化做出相应的调整，提高系统的可扩展性。

5 对我国发展的建议

自20世纪60年代开始，我国各类导航传感器从仿制到试制，从研制到不断创新。目前，传统机械式导航传感器（10－3/h、10－6g）已发展为光学固态导航传感器（10－4/h），MEMS 导航传感器（10/h、10－4g）进入应用阶段。随着传感器技术的进步和国防需求的牵引，组合导航系统于20世纪末开始使用。21世纪，随着我国北斗卫星导航系统的完善以及地磁、雷达、影像等传感器的应用，不同的导航组合如雨后春笋般兴起，各种组合导航算法随着应用而不断改进与完善，并且有新的突破，但目前仍然处于多源复合导航系统阶段。

针对中国当前全源定位导航系统的发展和建设，提出以下建议：

1）紧跟国际技术发展趋势，尽快开展顶层统筹论证、筹划设计。以建设国家PNT体系战略需求为牵引，解决卫星导航系统的局限性问题为核心，策划开展中国全源定位系统（C-ASPN）的研究，形成以服务航天卫星、空间攻防及深空探测为主的小型化、高精度、强健型自主导航定位系统；以导航资源配置高效化、系统体系结构通用化、装置应用方式多样化为目标，建立高精度、高可靠全源导航技术研发、产品生产、应用推广等一体化产业平台；大力推进相关技术和产品的标准化，形成成熟、稳定且多用途的基本型。

2）开展多种传感器及其组合技术的研究。目前，我国能够生产具有高精度、低功耗、宽带宽、小体积和高可靠性等突出优点的角速率传感器，小体积、低质量、高动态加速度的传感器以及微机械惯性测量组件和 GNSS/IMU组合导航组件，基本实现产品型谱化、系列化和产业化，可以满足工程应用要求。在型号牵引下，新兴MEMS惯性技术、光/机/电多种传感器技术、组合导航技术以及计算机技术稳步提高，为我国航天探测和空间对接、安全定点着陆、多种武器装备精确打击提供了有利支撑。但是，能适应多任务剖面复杂环境要求的多种异型高精度传感器亟待开展配套创新拓展和实用型研究。

3）充分利用大数据和云平台技术，建立多任务剖面系统误差模型数据库。多任务剖面系统误差模型是全源导航适应性的基础，是多模型算法创新的源头，必须重视系统误差数据的甄别积累应用，重视系统到分系统误差模型和实验验证的研究，尽快形成多测量源和多信息数据库的建立协同应用，进而集成为多任务剖面（多复杂环境）适应型模型，满足不同环境、不同平台的即插即用。

4）在现有基础上互通有无，挖掘拓展，尽快形成有效的多维导航算法软件。目前，我国各个行业都有自己可行的、满足工程应用的算法软件。每一种算法在相应飞行条件下各有优缺点，它们性能各异、各有特色、优缺点共存，但是它们在改变任务剖面单独使用时，很难完成高精度、高可靠性的连续自主导航定位。为了满足无卫星导航情况下的高精度高性能导航的要求，必须加快多剖面任务导航算法软件的开发应用，实现全源定位导航系统中惯导系统与其他导航系统有机结合，全面提高导航系统的整体性能，满足不断变化的任务需求与环境要求。

6 结论

导航技术随着信息技术的发展不断深入和拓展，在军事以及民用领域中应用越来越广泛。随着新原理新方法的出现，导航技术的微型化、集成化和智能化的趋势越来越明显。本文通过梳理美国ASPN项目的产生背景、发展状况、特点以及其中的一些技术问题，为我国C-ASPN系统的研制提供参考，以解决卫星导航系统的局限性问题。

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Development and Suggestions of All Sources Position and Navigation

SONG Li-jun1，XUE Lian-li2，DONG Yan-qin3，WU Ya-ming4，CHEN Xiao-zhen5
（1.Electronic Information and Control Engineering College，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055；2.Beijing HIWING Scientific and Technology Information Institute，Beijing 100074；3.The Equipment Academy of the Rocket Force，Beijing 100085；4.The 16thInstitute，China Aerospace Science and Technology Corporation，Xi'an 710100；5.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

This paper introduces the relationship between all sources position and navigation program and positioning，navigation and timing，summarizes the background，objectives，specifics and developments of all source positioning and navigation program.Then，key technologies and five major challenges are emphasized.Finally，some suggestions are put forward about the development of all sources position and navigation in China.

all source positioning and navigation； positioning，navigation and timing； inertial navigation system；global navigation satellite system

U666.1

A

1674-5558（2017）07-01476

10.3969/j.issn.1674-5558.2017.06.017

2017-09-28

陕西省教育厅专项科研计划资助（编号：15JK1416）

宋丽君，女，博士，讲师，研究方向为惯性导航及组合导航算法。