自主导航技术发展现状与趋势

王巍,邢朝洋,冯文帅

1.中国航天科技集团有限公司,北京 100048

2.北京航天控制仪器研究所,北京 100094

3.北京航天时代光电科技有限公司,北京 100094

自主导航技术是指运动载体在不依赖外部支持的情况下,仅利用自身携带的测量设备实时确定自身相对某个坐标系的位置、姿态和速度,来引导航行的导航方法[1-2]。一般而言,自主导航可以分为两类: ① 从严格意义来讲,完全自主导航仅依赖自身的惯导设备,既不发射、也不吸收外界的任何声、光、电等信息,具有很好的隐蔽性和环境抵抗性[3]；② 从更广义的角度来讲,所有不需要外部支持设备,可自己测得或主动获取外部信息的导航方式均为自主导航。

常用的自主导航方法有惯性导航[4]、天文导航[5]、地磁(如磁罗经)导航等,广泛应用于航天器、航空器、舰艇、车辆、单兵等场景。根据不同的导航需要,有些运动载体仅用单一的自主导航手段就能够满足任务要求,许多运动载体则必须使用冗余或多种自主导航手段结合的方式以实现精准导航。惯性导航系统以其具有独立性、自主性,被普遍应用于运动载体的位姿检测与导航控制[6],因此组合导航通常是以惯性导航为基础,以其他导航手段如天文导航、视觉导航等技术为辅助,从而构成自主导航系统。

随着导航任务需求的日益提升,自主导航系统也越来越复杂,推动了自主导航技术的快速发展。本文针对自主导航技术的研究现状进行了系统总结,从陆海空天等多个领域,归纳并总结自主导航技术研究现状及应用特点；梳理并讨论自主导航关键技术及应用状况；分析并提出当前研究存在的主要问题及其后续展望,为中国未来自主导航技术的研究发展提供参考。

1 自主导航技术研究进展

1.1 航天器自主导航技术

自主导航技术是航天器自主运行的核心技术,是航天器实现轨道姿态自主控制,执行月球软着陆、在轨服务等空间任务的前提[7-8]。实现自主导航不仅能够降低航天器对地面测控的依赖程度,提高自主生存能力,还能缓解国土面积有限对地面测控站布局的制约,提升航天器在测控区外的任务能力。航天器自主导航系统大致可分为：惯性导航[9-11]、天文导航[12-16]和视觉导航[17-20]等。

无论是欧美国家还是中国,早期的运载火箭和远程导弹中,大都采用基于转子式陀螺的平台式惯性导航系统以实现自主导航控制,中国也为长征系列火箭自主研制了液浮陀螺平台、动力调谐陀螺四轴平台等惯性导航系统[21]。

随着对运载火箭运载能力和控制精度要求的不断提升,运载火箭对惯性导航系统的可靠性、安全性、质量与功耗提出了更高的要求。在提高单个惯性仪表精度的同时,采用多表冗余敏感器配置技术与系统冗余配置技术[22],保证运载火箭的入轨精度要求与稳定性要求。在惯测产品多冗余配置方面,一种方案是采用光纤/激光惯性测量组合系统作为平台惯导系统的辅助,配合火箭飞行过程中的控制、制导工作的主从冗余控制系统。另一种方案是光纤/激光双捷联惯组冗余系统成功应用于长征系列所有的运载火箭,为中国运载火箭的成功发射提供了有力保障。目前,以光纤/激光为主的冗余光学惯导已成为运载火箭自主导航的主流[23-24]。

高机动远程导弹采用的主流惯性仪器为平台式惯性导航系统[25-27]。随着技术发展,对高机动导弹的实时机动性能提出了更高需求。这就要求惯导平台系统的台体在全姿态工况下仍保持稳定,但原始的两框架三轴惯性系统平台其设计本身必然会限制姿态范围,因此一种在原有平台外增设随动框架结构的设计方案被提出,这种四轴平台可以避免“框架锁定”现象的发生[28]。其核心思想是在高机动远程导弹进行大姿态变轨或大姿态角飞行时,内框架的三轴的垂直状态保持不变,从而实现全姿态稳定平台[29]。近年来,随着“三自”(自标定、自瞄准、自检测)光学捷联惯导系统的发展,使得捷联系统改变了原有的“与载体固联”的固有认识。通过增加框架使捷联系统在发射前的地面上实现自标定功能,避免了定期拆弹标定的问题,提高了武器系统的实战化水平。“三自”光学捷联惯导系统相对于“三自”平台系统的优点在于小型化、重量轻、快速启动、误差模型简单等,使其很快在高机动中远程导弹系统中脱颖而出[30],但其长期稳定性和可靠性还有待全寿命周期的实际验证。

进入21世纪,各国对航天航空更加重视,并投入大量的人力、财力开展高性能、高精度航天器自主导航技术的研究,并逐渐形成了基于惯性测量单元、磁力/重力场测量元件、光学/星光敏感器件、激光雷达等多元件配置的航天器自主导航技术,且成功应用于国内外多个型号任务中[31-34]。美国一直处于航天器自主导航技术研究与应用的前列,美国国家航空航天局(NASA)早在研制“好奇号”火星探测车时便已形成集惯性导航、视觉导航等于一身的自主导航系统[35],而装备更先进导航系统的“毅力号”火星探测器已于2020年7月30日发射升空,“毅力号”在导航方面采用了美国最先进最新型号的导航设备,在火星车上配备有2个最新型号的Navcom导航相机,融合视觉和车轮里程测量与综合滑移估计算法实现组合导航。在提升导航性能的同时,美国也在积极开展新技术研究与成本控制,NASA的SEXTANT项目已经完成在轨完全自主的X射线脉冲星导航试验。中国航天自主导航技术现已步入世界先进水平,2020年7月23日中国首个火星探测器“天问一号”成功发射升空,截至目前已成功实现地火轨道的自主变轨,充分展示了中国航天器自主导航技术的实力水平。

灵活、低成本的进入空间是未来航天发射的主流趋势,美国SpaceX公司的猎鹰9号火箭发射成本已经降低到6 000万美元,远低于俄罗斯联盟号火箭的报价[36]。航天运输系统应支撑中国按需开展低成本、大规模进出空间活动；开展可重复天地往返航天运输系统研制,提供廉价、可靠、快速、便捷的空间运输服务,将大幅提升中国进出空间和利用空间能力,而重复使用运载器的航班化应用将是未来中国航天技术的发展方向。根据空天惯导系统的高精度、长航时的特点,应从传统的惯性导航扩展至天文导航、卫星导航等,从单一导航源扩展至综合导航及飞行管理,从运动信息感知扩展至导航定位授时一体化,从途中导航扩展至全程导航,最终为用户提供满足全时/空域应用的完整导航解决方案。关键技术包括惯性/卫星组合导航技术、惯性/天文组合导航技术、惯性/景象匹配组合导航技术、旋转调制系统技术、多惯导/多惯性传感器冗余导航技术、综合导航技术和飞行管理技术等。其中,不同高度载体的自主导航发展历程如图1所示。

图1 不同高度载体的自主导航发展历程示意图

1.2 航空器自主导航技术

在航空领域,飞机或航空飞行器能否安全、准确、准时到达目的地是航空领域最重要的指标,而导航系统是实现和保障飞行安全的关键。因此,航空器自主导航技术与航空领域的发展是同步的,从早期人类的目视导航,到通过机载仪表数据的人工计算导航方式,再到20世纪60年代具有自主导航能力的惯性导航系统在航空领域投入了使用[37-38]。随着中国北斗卫星导航系统成功组网,现已形成以美国GPS,俄罗斯GLONASS,中国BDS(北斗系统)、欧盟Galileo四大卫星定位系统为基础的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)[39-43]。GNSS导航系统的基本原理是根据4颗甚至更多卫星与用户接收机之间的伪距,通过加权最小二乘法或者卡尔曼滤波方法解算出用户接收机的具体位置和本地钟差信息。但由于卫星钟差、大气延迟、完好性黑洞以及接收机噪声等情况,现代航空器导航系统已经发展成为多种导航技术结合的组合系统。

惯性/卫星的组合导航是现今航空领域中最成熟、最广泛应用的自主导航技术,并已成为各类无人机导航技术的基础,例如美国的“全球鹰”无人机便是使用基于惯性/GPS的组合导航方式[44]。此外新的组合自主导航方式也得到快速发展。美国在这一领域一直保持领先,例如惯性/多普勒/天文的组合自主导航系统、惯性/GPS/大气数据/地形辅助4种方式的组合导航系统、惯性/天文/GPS/多普勒组合导航系统等,这些多技术融合的自主导航系统已被美军广泛应用于超音速运输机、超音速战斗机等军用飞机上[45-46]。此外其他国际大国也在此领域投入大量研究与实际应用,俄罗斯空军的苏34、苏35战斗机中使用了惯性/卫星/地形辅助组合导航系统,法国空军的幻影2000战斗机中也运用了惯性/卫星/地形辅助组合导航系统,以提高战机作战能力[47]。

由于空域中很难长时间设置标志性参照物,因此飞机自身必须依靠惯性导航系统获得自身位置姿态,再通过陆基无线电或星基导航进行定时校准与位置修正[48-49]。由于惯性导航系统的独立性与全时性、稳定性、数据更新实时性等特性使其成为解决飞行器自身位姿检测的关键[50],但惯性导航系统由于原理上的误差机理引起漂移或误差,低精度的惯导系统的误差甚至会造成飞行器飞行的严重偏离,因此针对超高速、射程远的飞行器,通常会在惯性系统之外,通过GPS、天文等导航系统对其进行定时修正。

中国惯性导航技术近年来飞速发展,新型捷联惯导系统如光纤惯导、激光惯导以及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)惯导等已经广泛应用于飞机、无人机等航空器控制系统中[51]。为了降低飞机重量简化机载设备,降低飞机制造成本、提高可靠性,在民航系统中,将更多的导航系统集中到了陆基无线电导航也就是地面导航台,并且形成了一套较为完整的民航交通管理系统,该系统包括无方向性无线电信标(Non-Directional Beacon, NDB)系统[52]、甚高频全向无线电信标(VHF Omni-directional Range, VOR)[53]和测距机(Distance Measuring Equipment, DME)系统[54]等。今年6月,中国北斗卫星导航系统成功组网,标志着中国在卫星定位导航领域实现了独立自主,提高了中国军用及民用航空航天导航信息的安全性,进而逐步摆脱对国外卫星导航系统的依赖,从而合理推进中国航空系统综合导航体制的建设。

1.3 舰船自主导航技术

随着经济社会发展和军用技术不断发展,海洋探索与开发已成为国际上的研究热点,远洋航行、远海捕捞、深海石油开发已经成为各国聚焦要点,并对舰船自主导航技术提出了越来越高的要求。海洋环境类似空域环境,并不具备显著标志物特征,因而其定位与导航具有动态性和不可重复性等特点。迄今为止已经发展了多种舰船自主导航系统,大致可根据在水深度分为两大类,即水面自主导航和水下自主导航[55]。

在水面自主导航中,早期的人类航海便是基于星象、罗盘等导航方式,而后船舶导航经历了海图-航速推演导航、陆标导航、天文导航等一系列技术的发展,现已发展出诸如船舶电子海图导航系统、卫星导航系统、船舶自动识别系统等自主导航方式并被广泛应用[56-57]。船舶电子海图导航系统可以从数据库中调出海图信息并呈现在显示器上,但是各国的电子海图格式兼容性不同,在转换使用过程中难免出现要素缺失等问题。卫星导航系统虽然使用最为广泛,但是影响其定位精度的因素很多,而且在海域上定位精度普遍低于陆域,因此现阶段对于水面自主导航系统性能仍存在很大提升空间。

作为新的热点研究方向,无人艇已开始应用于海洋环境调查、海洋资源探测、海事训练测试、警戒巡逻、反水雷和反潜等工作中。由于水面不同于路基的行驶稳定性,船舶自主导航技术直接决定了无人水面艇的航行能力[58]。各国在无人艇导航方面开展了丰富的研究,例如美国的“斯巴达侦察兵”无人艇、中国的“天象一号”无人艇等[59]。水面导航定位为了更加精确、可靠地进行安全导航定位,即插即用全源导航是无人水面艇可采用的一种导航方式,并在此基础上开展了组合导航完好性监测工作[60]。此外,数据挖掘、深度学习、信息融合等人工智能技术通过融入到多目标规划综合最优及基于分层策略的自适应路径规划中,解决水下动态时变环境下路径规划问题[61-62],提高了船舶自主导航系统的环境感知能力,包括信息特征表述、多元异构数据间有效信息分析等,以及在构建三维环境模型等方面起到更大作用[58]。

相比于水面导航技术,水下导航因为水介质对无线电的强烈吸收效应,卫星导航为代表的无线电导航技术使用受限,导致水下导航更加依赖自主导航技术,海水中的复杂海流和海洋生物为水下导航带来了挑战[63]。近年来,水下自主导航技术的研究得到快速发展,捷联惯导系统、水下声学定位与导航技术、地球物理场(地磁场、重力场)导航技术等多种导航方式纷纷被应用于水下自主航行器[64]。多普勒计程仪 (Doppler Velocity Log,DVL)是一种声呐测速设备,其利用多普勒效应能提供较高精度的载体速度信息,且其误差不随时间积累,具有较强的抗干扰性能。多种组合导航方式也应运而生,例如惯性导航系统/水声定位系统(Inetial Navigation System/Acoustic Position System, INS/APS)组合导航、应用于浅水区的INS/GPS组合导航、深水区的INS/DVL组合导航、INS/地球物理导航的组合导航等[65],组合导航显著提高了水下导航的灵活性和准确性,并已广泛应用于潜艇、深海探测水下机器人等领域[66]。

1.4 车辆自主导航技术

车辆自主导航技术是通过车载设备对车辆运动信息和周围环境进行自主感知,将感知数据通过定位导航方法与已有数字地图进行比较,进而采取合适的决策算法进行路径规划与车辆控制以完成导航任务。目前车辆自主导航研究主要集中于无人驾驶模式下的自主导航[67]。智能无人车自主导航大体可以分为惯性导航、卫星定位自主导航、激光雷达自主导航和机器视觉自主导航等[68]。其中涉及多种传感器融合,例如捷联惯性导航系统、卫星导航系统、里程计等[69]。

无人驾驶车辆导航技术要求车载计算机可以根据多种测量传感器信息,在已绘制好的数字地图上确定车辆的位置、方向、路径等信息,无需人为干预,军用和民用领域中,山地、隧道、楼宇与桥梁往往导致GPS信号阻挡,并有可能导致定位错误等问题,车体的自身位姿方向也无法通过GPS获得[70]。因此出现了多种导航系统组合的车辆自主导航方式,例如GNSS/INS组合导航系统能提供高频率位置估计,但其定位精度较低。因此无人驾驶车辆通常会增加视觉相机、激光雷达等传感器,结合视觉识别和算法使得无人驾驶汽车可以对周围实时环境进行感知[71]。此外,无人驾驶中数字地图信息需要包括道路信息、建筑物信息、交通标志等并能够及时根据城市规划进行更新。高精细数字地图与实时周围环境感知信息的实时、准确匹配,成为目前无人驾驶汽车的发展方向。近期,Google公司研发的无人驾驶汽车已经获得美国国防高级研究计划局(DARPA)项目的大力支持,车体去除方向盘等传统操控设备,转而配置摄像头、激光雷达,通过GPS以及路标等进行导航行驶[72]。中国以百度公司为代表的自动驾驶汽车企业开展了大量技术开发与实验,现已有百度自动驾驶出租车Apollo GO在北京等城市开展服务。

为克服无人驾驶汽车对地图的依赖,近年来即时定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)技术取得了很大发展[73-74]。SLAM技术的最大特点是无需事先绘制好数字地图,可以在车辆运动的同时,依照传感器实时测量环境信息数据,建立环境数字地图模型,并经过算法规划运动路径实现避障、巡线等操作[75]。SLAM技术同时解决了定位与地图构建问题,并已大量使用于机器人导航中[76]。

1.5 单兵自主导航技术

单兵自主导航技术是指面向单兵作战或行人个体的导航技术。一般而言,面向单兵作战的自主导航技术往往应用于缺失基础通讯设施等的恶劣战场环境下,单兵导航完全依靠自身传感器信息导航定位。当前最常用的方法是以卫星导航、地图匹配技术相结合的组合导航技术,例如美军在海湾战争中便为士兵提供了空旷户外场地下的高精度的导航定位。但是作为导航主体的单兵个体,往往体积较小,且作战环境常常位于室内、巷道、山区等卫星信号不良或缺失的环境下,以卫星导航作为主导的单兵自主导航技术难以完成导航任务,甚至会发生敌方信号干扰与位置窃取等情况,其自主导航性大大降低[77-78]。

近年来,以微惯性技术为基础的单兵自主导航得到了快速发展。MEMS惯性测量系统在成本、尺寸、质量、功耗等方面具有很大的优势,便于实现单兵个体携带,很好地适应了单兵自主导航作战需求[79],但其精度有限,致使其难以达到全方位解决室内定位的问题,为此单兵自主导航通常也会与其他导航方式组合,例如使用微惯性导航与低功耗蓝牙技术(Bluetooth Low Energy, BLE)[80]、短程无线电技术(ZigBee)、超宽带技术(Ultra-Wide Bandwidth, UWB)[81]、伪卫星室内定位技术(Pseudolites)[82]等技术相结合。

一般战场中,往往需要多兵协同作战,因而单兵协同导航应运而生,因为存在相对位置信息的发送或接收,从严格意义上不属于自主导航[83-84]。但从作战小队的整体来看,群组内信息并不必须与外界进行交流,而仅在组内互通,故整体上仍符合自主性要求,因此可以将单兵分队导航作为一种补充的自主导航手段。所以机器人协同导航技术、群体导航控制技术得到了广泛的研究与应用,例如无人机群、机器人群等,并且群体行为的研究已经成为现今控制领域研究的热点。

2 自主导航关键技术

目前占主导地位的导航技术有惯性导航和卫星导航,辅助性的导航技术有星光导航、地球物理场(地磁场、重力场)导航和无线电导航等。从应用要求和技术研究进展来看,自主导航技术在提高载体拒止环境下生存能力和满足任务特殊阶段导航需求等多方面具有明显优势,已成为未来导航领域技术发展的重要方向。

2.1 惯性导航技术

惯性导航系统是载体实现自主导航的核心敏感源,随着应用需求的日益发展,对惯性技术提出了更高的要求。比如：高精度长航时应用对惯性系统可靠性、精度及时间保持的更高要求；低精度大动态应用对量程、恶劣环境条件适应性的苛刻要求；宇航领域对惯性系统高精度、长寿命、低重量、小型化和低功耗的高要求；武器装备领域对带宽、测量范围、快速启动时间、复杂环境适应性、长期免标定方面的高要求等。上述需求对惯性导航技术提出了新的挑战,并促使惯性领域不断涌现出一批新原理、新方法、新技术的进步和创新[85]。

陀螺仪、加速度计等惯性仪表是海、陆、空、天各类运动载体导航定位、制导控制、姿态测量、稳瞄稳向的核心器件。各种不同类型的应用系统对惯性仪表的工作要求如图2所示。

图2 不同应用系统对陀螺仪的需求

传统惯性器件精度仍在不断提高,新原理、新结构的如核磁共振陀螺仪、冷原子陀螺仪、微半球谐振陀螺仪、谐振加速度计等不断涌现,并初步显露出发展潜力。

陀螺仪技术有以下发展特点和趋势,其精度及应用情况如图3所示。

图3 陀螺仪的应用及精度分布示意图

1) 在高精度惯性系统应用方面,静电陀螺仪、三浮陀螺仪等机械陀螺(自旋质量陀螺)仍是当前最高精度水平的陀螺,同时环形激光陀螺仪、光纤陀螺仪以及半球谐振陀螺仪正逐步接近和达到传统战略级应用精度。

2) 环形激光陀螺仪和光纤陀螺仪逐步在高性能应用领域受到半球谐振陀螺仪的挑战,但半球谐振陀螺实现0.000 1°/h(1σ)以上精度的难度也很大。

3) 随着光电子器件技术的快速发展,近十年来高精度光纤陀螺的零偏稳定性以及随机游走系数等性能已经超越激光陀螺,随着微弱信号调制解调技术等关键技术突破,标度因数性能已接近激光陀螺的精度,光纤陀螺有可能是未来10～20年实现工程应用精度最高的陀螺仪。

4) MEMS陀螺仪精度和可靠性逐步提高,并逐渐取代低端的光学陀螺,但要实现中高精度陀螺仪技术指标要求,仍需要突破较多关键技术。

5) 原子干涉陀螺仪和无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free, SERF)原子陀螺仪具有很高的理论精度,是新型惯性仪表的重要发展方向,有望在高精度惯性导航等领域发挥重要作用；核磁共振陀螺仪能够兼顾高精度和小体积,可能是实现芯片化导航级陀螺仪的重要技术途径,有望在军民领域发挥重要作用。原子陀螺技术在高精度等应用领域具有较大发展潜力,但研制难度大,工程化应用还需较长时间。

加速度计技术有以下发展特点和趋势:

1) 三浮摆式积分陀螺加速度计技术

针对军民领域对惯性系统高精度及高可靠性的要求,高精度三浮摆式积分陀螺加速度计需配合惯性平台系统完成仪表长期精度提升、仪表长期通电可靠性提升等技术攻关,重点突破新型浮子支承技术、浮油长期高温条件稳定性技术、三浮陀螺加速度计长期通电精度评价技术等关键技术,实现提升产品精度及长期通电稳定性的目标。

2) 石英挠性加速度计技术

针对军民领域高精度导航与制导需求,目前需重点开展加速度计偏值精度提升研究、加工实现方法及评估方法研究、加速度计技术成熟度提升研究等工作,突破高精度加速度计结构应力控制技术、高稳定性敏感结构制造技术、高精度加速度计精密装配技术等关键技术,实现提升加速度计设计及制造技术水平的目标,满足未来高精度导航与制导技术需求。

3) 石英振梁加速度计技术

针对军民领域对石英振梁加速度计的应用需求,开展石英振梁加速度计总体设计、石英振梁设计及微加工、高稳定性驱动电路及频率检测等研究工作,突破石英振梁微加工、挠性支撑精密加工、仪表精密装配等关键技关,实现高精度、低功耗、大量程加速度计研制目标。

4) MEMS加速度计技术

充分利用MEMS惯性仪表构成的惯性系统低成本、小型化、可大批量研制等特点,重点开展MEMS加速度计低温度系数三层硅键合技术、数字温度补偿专用集成电路(ASIC)集成技术、批量制造一致性、多通道数字信号测试技术和抗过载技术等研究工作,突破低应力三层硅片键合技术、高精度数字温度补偿技术、抗高过载集成设计技术等关键技术,实现MEMS加速度计的工程化和典型环境应用。同时,探索硅微振梁加速度计,向更高精度发展。

5) 原子加速度计技术

针对军民领域高精度惯性系统应用需求,原子干涉加速度计重点开展环境噪声补偿技术研究工作,突破超高精度加速度环境检测技术、环境噪声补偿技术等关键技术,满足未来高精度惯性平台系统应用需求。

惯性导航微系统技术是近十年来美国DARPA大力推进的新技术,它将多种先进传感器元器件通过三维异构集成技术制造成具有复杂功能的芯片级微小型电子系统。导航微系统将颠覆传统基于分立器件的惯性系统产品的形态,具有自主可控、尺寸小、功耗低、按需配置、扩展性强等特点,对于促进组合导航系统微小型化和智能化,加速系统性能的全面提升具有革命性的影响。

2.2 惯性基组合导航技术

由于各类导航需求的特点不同,单纯惯性导航往往不能满足任务需求,所以越来越多的场合将惯性与其他导航方式组合,构成组合导航系统。

1) 惯性+卫星组合导航

经过几十年的发展,目前导航型GNSS已经广泛搭载在对地观测小卫星上,为姿态控制系统、地观测设备实时提供高精度的卫星轨道参数,自主定轨精度优于10 m,速度精度优于1 cm/s[86]。

常规INS/GNSS组合导航应用的对象是低于GNSS卫星轨道的中、低轨航天器。近年来,利用GNSS信号的高轨航天器自主导航成为该领域的研究热点[87]。以地球另一侧的导航卫星作为有限信标,研制适用于微弱信号处理的星载多模GNSS接收机,是解决高轨INS/GNSS组合导航问题的基础。

国内INS/GNSS组合导航技术在高轨航天器应用方面也取得了长足的进步。2014年,在“嫦娥五号”飞行试验器任务中,首次将GNSS作为导航敏感器应用到再入返回过程,帮助返回器达到了落点精度500 m的世界最好水平。2016年,新型多星座高灵敏度星载高轨卫星导航单元实现了卫星搭载,成功完成了对中国北斗高轨导航信号的接收,评估表明高轨GNSS定轨精度优于50 m。目前,国产高轨GNSS接收机已应用到预警、遥感等多个高轨航天器平台,取得了良好的效果。

在航空领域,航空电子综合化技术水平不断提高,INS/GNSS组合导航与侦察、控制、监测等设备之间的信息耦合程度进一步加深,并从传统单一的导航设备逐步演变为机载参考信息源。因此,现代航空领域对INS/GNSS导航信息的依赖性更强,惯性信息在完成传统导航与制导的基础上,还可用来进行飞行辅助控制、精密进近引导、误差补偿、目标定位等功能,上述功能对于保证飞行着陆安全、提升任务系统的效能具有重要作用[88]。

在舰船综合导航系统中,INS/GNSS组合导航系统是核心关键技术,能够提供精确的导航、定位和授时等时空基准信息,同时能够满足舰船高性能、高可信远洋航行的需求,不仅能够保障舰船航行的安全,同时也是舰船平台和武器装备系统实现精确打击的重要组成部分。

在车辆导航领域中,高可靠的车辆自主导航是降低车辆意外事件及减少乘车人员危险的一项关键技术,将广泛应用于无人自动驾驶领域[89]。其中,导航系统定位的精确度和控制的稳定性是实现车辆自主导航的关键,将惯性/GNSS导航系统结合地图匹配技术来获取精确的定位信息,同时利用电子地图匹配技术进行误差校正,从而提高定位的精度和导航的可靠性,并根据行驶的不同需求,结合环境感知及建模技术、路径规划技术、导航定位技术、行为控制技术、学习自适应技术等,实现车辆的高精度自主导航[90]。

2) 惯性+测距/测速组合导航

惯性+测距/测速组合导航是航天器着陆过程的基本导航手段,主要应用于月球软着陆、火星进入、下降与着陆过程。惯性+测距/测速组合导航最早是针对月球着陆探测任务提出的,其中测距仪或测高仪用于测量航天器相对月面的高度,多普勒雷达用于测量航天器速度,并使用最小方差估计技术完成对导航的修正[91]。这也成为阿波罗登月任务的标准着陆导航方案。进入21世纪后,中国启动了探月工程,中国的月球着陆器使用的也是惯性+测距/测速修正的着陆组合导航方案,在“嫦娥三号”、“嫦娥四号”着陆任务中发挥了至关重要的作用,高程、速度的导航精度分别达到了分米和分米每秒量级水平,处于国际前列地位。未来,月球着陆任务将向着更高精度方向发展,美国国家航天局、日本、欧空局的最新月球着陆任务均提出了着陆偏差小于100 m的定点着陆要求。要实现定点着陆,导航系统必须融合新的测量手段以改善现有惯导+测距/测速组合导航方案在水平位置精度上的不足。但惯导+测距/测速组合导航仍然是着陆导航的基础,其作用不可替代[92]。

现代航空领域越来越依赖惯性+测距/测速组合导航进行精确导航和定位,尤其是在复杂电磁环境以及GPS拒止环境下,高精度自主导航已成为当前航空机载惯性导航技术的发展重点。惯性信息在辅助传统导航姿态保持需求的基础上,还可用于地形跟随、地形匹配及回避、传感器引导、潜在目标定位等,上述功能对于保证飞行安全、提升任务效能具有重要意义。

3) 惯性+雷达/视觉相对测量

在空间对接、在轨服务与操作以及空间对抗任务中,都需要获取2个航天器的相对运动状态,一般使用各类雷达、相机等相对测量敏感器对目标航天器进行测量。由于主动航天器需要频繁的机动控制,还需要通过惯性测量敏感器测量自身的加速度。因此在相对运动控制中,一般采用惯性+相对测量导航的方式[93]。在远距离上,相对测量敏感器一般包括微波雷达、激光测距仪、激光雷达、可见光相机、红外相机等[94]。中国的神舟飞船采用了差分GNSS、微波雷达、激光雷达、成像式交会对接敏感器构建了由远及近的相对测量系统。其中成像式交会对接敏感器经历了从目标主动发光、敏感器激光照明、激光点云成像3个发展阶段,敏感器的测量能力逐渐增强,适应的航天器从合作目标扩展到非合作目标,并实现了合作/非合作一体化[95]。此外,基于惯性+雷达/视觉相对测量技术,同时结合里程计等传感器,实现里程计误差在线标定、车轮打滑、滑行和侧滑故障检测与识别、运动学非完整约束传感器参数在线辨识等,广泛应用于车辆导航、导弹发射车、自行火炮、前线侦察车、无人驾驶等车载自主导航领域。

4) 惯性+天文组合导航

天文导航系统利用航天器自身携带的传感器进行天文实时观测,并通过星历解算得到当前航天探测器状态值,惯性+天文导航是深空探测器在距离太阳和各行星较远时进行导航定位的最有效手段之一[96]。

目前空间任务对航天器自主导航性能的要求越来越高,将惯性/天文组合导航系统进行信息融合,可实现多种导航方法之间的优势互补。典型实例是基于地球敏感器和惯性测量单元的自主导航方法,通过对地心矢量或其他天体方向矢量进行观测,结合轨道动力学方程和非引力加速度测量信息,可估计得到航天器的运动状态。此外,将星敏感器与惯性导航系统集成也是天文/惯性导航的一个发展方向。例如,将星敏感器与微机械陀螺组成的惯性恒星罗盘,能够使惯性系统在较低功耗和较小体积基础上实现较高精度,而且获得了更大动态范围。

2.3 地磁导航技术

地磁场作为一种重要的地球矢量场,是空间位置与时间的函数,具有全天候、全天时、全地域、中高精度、高隐蔽性和抗干扰性强等优点,已成为重要的辅助导航方法之一,并逐渐成为卫星、飞机、潜艇以及导弹技术领域的研究热点[97]。

目前地磁导航技术在实际应用中面临的问题及需求可归结为以下3个方面：

1) 高精度、实时修正的地磁场模型

目前,由于国际地磁参考场(IGRF)和世界磁场模型(WMM)等全球地磁场模型重点描述约占总磁场值95%左右的主磁场,中国地磁参考场(CGRF)等区域地磁场模型所依据的测量数据有限,分辨率很低,缺乏对地磁场时变特性、空间特性的深入分析以及地磁场延拓方法的研究,因此目前工程应用中地磁模型不能满足地磁导航对地磁模型和基准图高分辨率、高精度的要求,急需建立高精度、实时修正的地磁场模型。

2) 地磁场信息精确测量技术

空天飞行器和舰船、车辆等载体是各种无磁、有磁材料的组合体,其中有磁材料能够产生磁场,并和地磁场一起被磁敏感器测量到。由于磁敏感器并不能把这两种磁场区分开来,从而导致了对地磁场的测量精度偏低,因此对干扰磁场进行消除或补偿是很必要的,目前常用的地磁匹配算法包括地形轮廓匹配(TERCOM)算法和迭代最近等值线(ICCP)算法,而目前对于如何消除或补偿干扰磁场的研究尚未取得很大的突破。

3) 工程应用中有效的导航算法

地磁导航方法主要分为两类：卡尔曼滤波方法和匹配方法。实际工程中,若考虑应用背景,载体不能以“摄像”的形式获得地磁信息二维图,而仅能获得其航迹的一维“线图”,这种线图的方式比二维图携带的信息更少,导致地磁图的获取、匹配准则、寻优方法等方面产生了很大的误差。因此,必须寻求新的地磁匹配理论方法才能够进一步提高导航精度[98]。

虽然地磁导航技术还存在诸多问题,但是在导航、制导领域仍具有很大潜力,地磁导航在弥补传统导航手段不足方面仍然具有很大的优势。

2.4 重力梯度导航技术

地球重力场体现的是地球本身的内在特性,具有无源、稳定的特点,重力场会随着地理环境的改变而变化。重力梯度是重力场辅助导航的常用几何参数,重力梯度辅助导航由于不会向外界发射和接收电磁波信号,是一种隐蔽、稳定和无源的自主导航方式。重力梯度可以采用重力位在各坐标轴方向上的二阶导数求解,其数据中存在较多的高频成份,对浅层的异常体和突变的场源边界具有较高的分辨率,未来应用前景广阔[99]。

对于远程导弹和飞机等飞行器来说,其飞行过程中不可避免的会穿越高山等重力梯度变化大的区域,从而提高重力梯度辅助导航的精度,这对提高远程导弹的导航精度具有重要意义。重力场匹配导航系统通过重力梯度仪测量地球重力场进行定位,不需要发射和接收无线电信号,不易受外界干扰,作为导航信号源的地球重力场具有规律性强和覆盖率高的优点,能够满足“高精度、长航时、自主性、无源性”的导航需求,是自主导航领域未来重要研究方向。

对于水下潜器来说,高精度水下导航是水下潜器执行任务过程中必须突破的一项关键技术。传统惯性导航系统中的惯性测量单元会不可避免的产生测量误差,且误差会随着时间的积累而逐步累积,水下潜器在长航时条件下无法进行准确的定位,因此基于地球物理场的重力梯度导航方法受到越来越多的关注[100]。重力数据中含有较多的低频信息,重力梯度数据中拥有丰富的相对高频的信息,充分利用重力和重力梯度数据的高低频特性,对于提高水下潜器定位精度具有重要意义。

在导航算法方面,由于重力梯度传感器技术并未完全发展成熟,因此导航定位算法也没有得到非常深入的研究。目前所研究的多为基于匹配的轮廓匹配算法以及基于跟踪的卡尔曼滤波算法。

1) 高分辨率和高精度的重力梯度分布基准图技术

高分辨率和高精度重力梯度分布基准图构建是重力场辅助导航中一项关键技术。由于目前中国动基座重力梯度测量技术尚不成熟,而欧美等国家的该项技术对中国还实行封锁,难以获取实际测量的全张量重力梯度基准图。目前工程应用中重力梯度分布基准图不能满足重力梯度导航对基准图高分辨率、高精度的要求。

2) 高精度重力梯度测量技术

目前美国和澳大利亚重力梯度仪的测量精度可达1厄缶(Eotvos,1厄缶=10-9CGS单位),而国内重力梯度仪的测量精度为10厄缶甚至几十厄缶,难以满足高精度的导航需求。近年来国内诸多单位和学者对重力梯度测量的原理和方法进行探讨,并开展了重力梯度仪的相关理论设计与工程应用研究,但是,总体来说,国内的重力梯度测量精度还不能满足高精度惯性导航的要求,对重力梯度数据进行模拟计算成为了未来一段时间内进行重力辅助惯性导航的重要分析手段。

2.5 天文导航技术

天文导航是以已知准确空间位置的自然天体为基准,通过天体测量仪器被动探测天体位置,经解算确定测量点所在载体的导航信息。天文导航不需要其他地面设备的支持,所以具有自主导航特性,也不受人工或自然形成的电磁场的干扰,不向外辐射电磁波,隐蔽性好,定位、定向的精度比较高,定位误差不随时间积累,具有广泛应用。但是天文导航存在数据更新率低、受大气影响较大、独立导航定位精度较差等缺点。此外,高超声速飞行、高过载机动、环境剧烈变化引发的飞行气动耦合、气动光学效应又给天文导航的实际应用带来了新的难题[101]。

目前,天文导航主要采用星敏感器进行信息采集,结合星点在图像传感器上的投影,进行星图匹配与识别,进而获得导航星图库中相应星的赤经和赤纬。天文导航目前主要关键技术包括：恒星星图星点特征提取技术,通过扩展观测频谱,进一步提升星图采集效能；太阳图像边缘检测及质心提取技术,开展光学过程的误差模型构建与标校,降低气动效应误差；挖掘多视场、大视场观测解算机理,提升自主基准可行性；优化星图处理算法策略,提升天文观测解算的数据更新率；优化自主导航滤波及异步时滞信息组合导航算法,提升星光角距、脉冲到达时间、星光多普勒速度量测观测量,优化不同传感器敏感源采样时钟周期,解决天文组合导航中的异步时滞难题等。

随着脉冲星天文观测导航技术的不断发展,脉冲星导航技术的概念和方法逐步完善,研究者们逐步舍弃了红外、射电、可见光和紫外波段脉冲星导航的设想,将目标锁定在X射线波段上。美国NASA的脉冲星计划—XNAV计划主要进行脉冲星特征描述、导航算法开发、探测器原型设计、应用效果评估等,通过航天飞机、国际空间站或其他航天器上的搭载试验确认方案的有效性。2016年,中国在酒泉卫星发射中心成功发射全球首颗脉冲星导航专用试验卫星——XPNAV-1,其中X射线探测设备采用具有多层嵌套光学系统的掠入射式聚焦型X射线探测器,其时间分辨率小于1.5μs,有效探测面积为30 cm2,视场为15′,探测能谱范围为0.5～10 keV,能够有效测试X射线探测器性能,观测典型目标脉冲星和验证脉冲星导航系统体制[102]。

脉冲星导航技术在工程应用中面临的主要问题是X射线脉冲星探测器硬件设备研制难度大、设备复杂度高,同时需要结合高可靠模糊度求解方法以及基于真实观测的时间转换模型的精确建立方法。脉冲星导航方法存在整脉冲周期模糊数求解问题,目前主要方法包括空间搜索法、位置预报值快速确定整周模糊度法和零模糊数假设法。此外,在更多观测及实验数据的基础上,需要不断修正X射线脉冲星导航的量测模型,使其更准确的接近真实状态,也是X射线脉冲星导航领域需要解决的重要研究内容之一。

仿生导航已成为近年来自主导航领域的研究热点。仿生偏振光导航是以大气偏振模式为基础来获取载体的航向信息,具有全自主、抗干扰、测量误差不随时间积累等特点,适用于复杂环境下长航时、远距离的自主导航,在船舶、航空飞行器等领域具有广阔的应用前景。然而,在实际工程应用中,考虑到大气环境中大气粒子、水汽浓度、光影折射等复杂环境的干扰,偏振光传感器接收到的光强信号往往夹杂着大量无用杂波信息,导致传感器检测到的光强信息发生明显波动,致使输出的偏航角信息误差较大,进而导致制导精度下降。因此,构建精确的大气偏振态模型和有效的偏振光导航传感器物理模型,建立具有物理性质的随机特性偏振角解算模型,从大气偏振光模式中实时解算高精度航向信息是目前仿生偏振光导航方法中的关键技术难题。偏振光导航传感器误差不随时间积累,将偏振信息与惯性信息组合,充分利用偏振信息误差不随时间积累的优势,与传统的惯性/卫星组合导航相比,偏振光/惯性均是被动式导航传感器,几乎不受外界人为因素的影响,抗干扰性强,满足复杂环境下自主导航需求。

2.6 多源信息融合技术

多源信息融合技术充分利用多种惯性敏感源,将导航子系统和导航模式进行深度耦合并研究相应的误差匹配模型以及自适应滤波容错技术,构建空天飞行器多源信息融合自主导航系统,同时充分利用其他导航传感器信息对惯导系统相关参数进行误差校正和反馈,积极拓展惯性导航系统自主智能和协同执行算法,对于自主导航领域多种应用需求具有重要意义[103]。目前多源信息融合中关键技术主要包括：基于多源传感器的环境及载体运动感知技术,通过传感器信号特征选择、特征子集优化、感知算法实现以及载体行为建模,实现运动环境与载体行为的精确感知；异质鲁棒高效多源融合技术,根据不同场景进行传感器自动选择以及失效切换等；自主在线重构最优配置技术,根据载体环境以及运动状态快速收敛出最优多源组合导航方式；多源信息融合综合性能在线评估技术,包括导航精度、滤波鲁棒性、导航实时性以及组合导航容错能力等。随着载人航天、探月工程等国家重大任务深入开展,对于动态过程高、飞行时间短、精度要求高的特殊任务段导航,例如地球大气再入返回过程导航、月球着陆起飞上升过程导航、火星进入下降着陆导航等,需形成完备的组合导航理论方法和设计方案。

将多源信息融合技术与舰船导航控制和航空机载控制系统进行信息深度交叉耦合,满足未来蜂群无人机、高超声速飞行器、系留气球、临近空间飞行器、无人艇等系统初始对准、快速启动、运动误差补偿、效果控制、自主/协同制导、完好性监测等技术需求。

随着军民领域技术需求的发展,将惯性导航与其他传感器相结合构成多源信息融合组合导航系统,发挥各自优势,综合提高导航系统精度和鲁棒性。根据星图、测距、多普勒频移、脉冲星导航、惯性导航器件等传感参数,利用广义滤波、广义融合等算法,实现组合导航载体位置及运动参数的精确解算。未来可以通过建立太阳系内高精度引力场模型以及太阳风压模型,融合其他导航技术,进一步提高空天飞行器的导航定位精度。

3 未来发展方向

航空航天、深空探测、舰船导航、武器装备应用以及以无人驾驶为代表的军民用领域发展是自主导航技术发展的有力需求牵引。同时,以自主导航技术为代表的技术发展和突破,促进了航空、航天、航海、无人作战等军事应用与自动驾驶、智能化物流等民用需求的交叉融合和跨越式发展[104]。

经过多年发展,自主导航技术虽然取得了很大进展,但新的应用需求对其性能提出了更高要求,在未知环境下的自主导航问题并未完全解决,在复杂条件下的导航普适性和可靠性还有待加强。自主导航技术未来发展主要集中在以下几个方向：

1) 导航技术的高可靠性、高集成化

天地往返飞行器、作战飞机与舰艇编队等体系要求功能复杂、任务多样,同时重量、功耗、体积等约束严重,这些都对制导、导航与控制系统在高可靠系统设计、实时性故障检测等方面提出了更高的要求。现有成熟的制导、导航与控制系统架构多是通过简单的设备冗余备份关系提高制导、导航与控制系统的可靠性,但这都给系统的重量、功耗、体积、实时性等指标带来不利的影响。因此未来还需要从系统高可靠性、高集成化等方面设计适应于飞行器需求的导航系统体系,主要包括2个方面：一是硬件集成,基于新型集成工艺的感知、处理、通信、执行和能源等功能器件实现高密度集成挑战“摩尔定律”；二是软件融合,基于硬件平台的综合管理系统、多源信息融合、导航、制导与控制算法、协同组网软件模块等提升系统功能实现“功能倍增”[105]。具体需开展导航系统协同设计、三维异构集成、自标定和健康诊断、可靠性建模与试验等技术攻关,满足未来低成本、高可靠性和高集成化需求。

2) 导航技术的自主化、智能化

无人集群自主导航涉及卫星导航、惯性传感器、地磁、大气传感器、视觉、WIFI等传感器等多源信息,并对信息进行融合、智能分析与自主导航,来进一步提高无人集群的感知定位精度与可靠性。但是面对无人集群多源传感器海量数据的处理,在现有的中心节点式的无人集群导航技术还无法满足对海量可用导航信息的甄別筛选,以实现对感知准确定位信息的最优融合。

自主化、智能化导航体系依托卫星导航系统,以低轨星、空地伪卫星、地面5G等室内外通信网络以及惯性导航、天文导航等多种定位导航系统协同化导航,基于网络化时空资源统一管理与云端协同监测处理,以形成与全球导航卫星系统空间信号兼容、通导融合以及时空统一的智能化导航增强网络,构建从地下到深空,具有“泛在、精准、统一、融合、智能”等特征的自主化、智能化导航系统体系。

近年来,类脑感知和认知机理的研究迅猛发展对无人集群的自主导航提供了新技术途径。神经科学家通过揭示了人体大脑中位置细胞、头朝向细胞、网格细胞之间的作用机理,阐明了人体大脑进行位置定位和方向感知的方式。此外,科学家通过研究鸟群、蜂群、鱼群和蚁群等生物脑的感知定位机理,为类脑处理的人工智能发展提供了新的发展方向,为无人集群导航提供了新的思路和途径。

在受控环境中,拥有完整的数据集和明确定义的目标和环境参数使精确导航不再困难。而在现实的复杂、不可预测环境中,比如关于环境中风、海洋水文的数据完整性和可预测性通常较差,深度学习、自主学习已成为智能自主导航的主要发展趋势。根据英国《自然》杂志2020年发表的一项计算机科学最新突破,加拿大科学家团队完全由人工智能控制的气球,成功实现自主导航,在平流层一连数周待在原地[106]。通过深度强化学习可以训练人工智能系统以及无人集群系统进行复杂环境下的决策。

3) 导航器件的高精度、新型化

随着载人探月工程、行星探测任务的提出以及新一代海、陆、空、天防务装备的紧迫需求,长寿命和高可靠仍是惯性敏感器件主要关注的性能指标。

① 由于半球谐振陀螺具有质量轻、紧凑、工作在真空条件下、寿命高、对辐射和电磁扰动的影响有一定抵抗能力等独特的优点,在航天器应用领域将保持着一席之地,2018年法国赛峰公司报道其半球谐振陀螺在2 000 h内的零偏稳定性优于0.0001 °/h(1σ),标度因数非线性低至0.1 ppm(1 ppm=10-6),相比于其他陀螺具有明显的优势[107]。

② 光子晶体光纤是一种沿轴向均匀排列着气孔的新型石英光纤,其纤芯为纯石英或空气孔,包层由周期排列的空气孔构成。光子晶体具有更高的温度稳定性和更好的抗辐照特性,非常适合应用于空间领域。随着量子光脉冲以及超导探测器等新技术的突破,高精度光纤陀螺可实现10-5°/h(1σ) 及可能更高的精度量级[108]。若进一步突破非线性光波干涉技术、光原子混合干涉技术,高精度光纤陀螺仪理论精度可能达到10-6°/h(1σ) 精度水平[109]。

③ 以冷原子干涉技术为核心的原子惯性传感技术被视为下一代惯性技术,为惯性技术提供了新的前景和途径,但从理论研究走向现实,还要攻克很多技术难点。借助冷原子技术,可能研制出最精确的加速度计、陀螺仪(理论优于10-8°/h)、精密时钟及重力梯度仪,不借助外部辅助技术就可以达到超高精度导航水平。

④ 星敏感器是以恒星为测量对象的姿态测量仪器,磁强计、量子磁力仪等磁力敏感器则是以磁场为对象的姿态测量仪器。星敏感器和地磁敏感器的导航方案最大的特点是成本低、精度高、可靠性高,自主性强。随着星敏感器动态性能的逐渐提高和磁敏感器的关键技术突破,将大大扩展两者的应用范围和工程价值。

4) 生产制造个性化、快速化

自主导航技术近些年取得了飞速发展,但是其制造环节却成为制约其精度提高、性能提升、效率提高、成本降低的突出短板,一定程度上困扰着导航技术再进步的步伐。近些年迅猛发展的三维数字化增材制造(3D打印)等新技术颠覆了传统制造,从装备到工艺、从材料到设计的理念,对制造业形成了革命性的冲击。惯性仪表等自主导航仪器及系统对结构的加工精度和材料的严格要求,在传统的材料及工艺下,动辄周期达数个月至一年,3D打印技术使得产品的加工周期缩短至一周之内,甚至缩短至小时量级。

在轻质化、快速化等个性化需求下,诸如铝基碳化硅等无机非金属材料、非金属复合材料也逐渐在自主导航产品中大量应用。

综上,近年来导航技术不断发展,新体制、多功能、全弧段的自主导航系统不断涌现,惯性技术与其他导航技术的结合不断加强和深化,满足了国家载人航天、深空探测、军事装备等一系列任务的需要。随着军事以及民用需求的更高要求,自主导航技术面临着新任务带来的新挑战,高动态、高精度、长寿命、轻小型、多功能、组合化、协同化将成为未来自主导航技术发展的新目标。