全源定位與導航的發展與建議

宋麗君，薛連莉，董燕琴，吳亞明，陳效真

（1.西安建筑科技大學信息與控制工程學院，西安710055；2.北京海鷹科技情報研究所，北京100074；3.火箭軍裝備研究院，北京100085；4.中國航天科技集團第十六研究所，西安710100；5.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

全源定位與導航的發展與建議

宋麗君1，薛連莉2，董燕琴3，吳亞明4，陳效真5

（1.西安建筑科技大學信息與控制工程學院，西安710055；2.北京海鷹科技情報研究所，北京100074；3.火箭軍裝備研究院，北京100085；4.中國航天科技集團第十六研究所，西安710100；5.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

介紹了全源定位與導航項目（ASPN）與定位、導航與授時（PNT）體系之間關系，概述了ASPN項目的研究背景、目標、技術指標及發展歷程等，繼而分別重點闡述了全源定位與導航系統的各項關鍵技術、導航系統當前面臨的5大挑戰，最后結合我國全源定位與導航的發展現狀，提出了4點建議。

全源定位導航；導航、定位與授時；慣性導航系統；全球定位導航系統

0 引言

隨著科學技術的進步和時代的發展，導航系統的應用領域已經深入到國民體系各個行業。尤其在軍事領域，導航系統所提供的定位、導航與授時（Positioning，Navigation and Timing，PNT）服務更是不可或缺。采用組合導航能夠有效克服單獨使用各導航系統的缺點，充分利用各自的優勢，明顯提高組合系統的導航性能。但是，組合導航針對特定傳感器和測量源進行了優化，導致部分解決方案無法適應新使用環境的威脅和挑戰，尤其是組合導航系統中的全球定位系統（GPS）經常面臨被攻擊、被干擾的威脅情況。因此，導航系統迫切需要尋求一種在不使用GPS服務背景下的高精度PNT技術。

而ASPN系統正是一種可為用戶提供無GPS信號時的高精度PNT功能，滿足不斷變化的任務需求與環境要求，實現低成本、快速系統重構、在線配置和即插即用的新興組合導航系統。該系統以慣性導航技術為基礎，通過天文、衛星、無線電、激光測距儀、相機、磁力計和電臺等多種輔助傳感器信息集成融合協同，形成能克服單一導航系統缺點和弊端的組合導航系統，提高導航系統的容錯性與自適應性。

1 PNT體系與ASPN項目

PNT體系是2006年美國國家安全航天辦公室（NSSO）實施的國家層、綜合性的定位導航授時體系結構，是作為未來發展導航授時能力及其相關支持設施的框架，涵蓋國防部、情報界以及支持美國全球利益的民用、商用和國際用戶的系統，其結構示意圖如圖1所示。2010年，美國加大實施PNT體系的力度。2011年，美國加利福尼亞大學微系統實驗室主任Addrei指出：“至少一千年內，導航與精密授時能力將一直是衡量國家軍事與經濟實力的一個重要因素。”

而作為PNT體系的一部分，ASPN是一種多傳感器組合的全自主導航解決方案，是PNT體系可用性、完好性和強健性的重要支撐。ASPN以 “高精度微慣性系統＋高精度時鐘”為基礎，按環境、任務和需求，靈活融合相應、可匹配的傳感器，形成的多信息融合全自主導航定位系統，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 ASPN系統結構示意圖Fig.2 Diagram of ASPN system

相對傳統單一導航模式而言，ASPN根據不同應用任務環境，靈活快速地融合配置多種現有或新穎導航傳感器，采用穩健的組合濾波算法及最優估計理論，將多種原始敏感數據及特征數據庫進行融合處理。針對不同應用平臺、不同用戶環境，提供小型低成本、精確無縫、自主強健、靈活插拔的導航系統。

2 全源定位導航發展情況及關鍵技術

復合導航研究早在20世紀末期就已經展開，隨著GPS的建立，復合導航的應用變得更加普遍。在復合導航研究的基礎上，國內外一直都在開展多源傳感器信息融合框架和算法研究，形成了全源導航的初步雛形和想法，為全源導航的提出奠定了基礎。2010年，全源定位導航的概念正式提出，隨即美國DARPA設立ASPN項目。

2.1 美國ASPN項目概況

全源定位導航將多種可用信息資源整合起來，從而彌補單一系統能力不足的缺陷，解決GPS可能遭遇被干擾、被阻斷的固有脆弱性和危險。其目標是在開發新型導航融合濾波算法與抽象方法的基礎上，通過利用各種導航資源、方法和途徑，構建開放型、可重構、組合靈活、即插即用、協同增效的快速、高精度自主導航系統，解決精度與精度保持問題，體積、質量、功耗、成本（SWaP）問題，反應時間問題以支撐IMU等導航傳感器、敏感器的即插即用特性。ASPN系統的技術組合、指南發布時間以及目標如表1所示。

表1 ASPN系統的關鍵技術、指南發布時間以及目標Table 1 Key technology，BAA release time and goals of the ASPN program

2.2 美國ASPN項目發展歷程

2010年，全源定位導航的概念正式提出，隨即美國DARPA設立ASPN項目。該項目分為3個階段實施，分別致力于導航算法與軟件架構、系統集成與方案測試以及演示驗證等方面的研究，ASPN系統各階段性能評估要求如表2所示。

表2 ASPN系統各階段性能評估要求Table 2 Performance requirements for each stage of ASPN

第一階段為2011年5月到2012年5月，持續時間約 12個月。2010年 11月，DARPA發布ASPN項目第一階段方案征求書 《DARPA-BAA-11-14》。2011年5月，與馬薩諸塞州劍橋的Draper實驗室和弗吉尼亞州費爾法克斯的Argon ST公司分別簽訂合同。此階段需要演示一種具備自適應、即插即用能力的導航系統，證實實時導航算法及軟件體系架構的可行性。目前，參與方已完成了整個系統的體系架構設計、抽象方法設計以及快速導航傳感器融合與重構的導航濾波算法設計，同時對該導航系統的適配性和即插即用性進行了驗證。

2012年6月，DARPA發布ASPN項目第二階段方案征求書 《DARPA-BAA-12-45》，預計為期18個月。第二階段將繼續開發實時算法并研制出一臺用于驗證和評估的ASPN系統原型機，用于在典型應用環境中（非實驗室中）驗證實時導航算法，演示和評估自適應導航系統、方案的優化與實時運行，展示傳感器和IMU的即插即用能力，如圖3所示。此階段重點是新型傳感器的引入，以實現現有產品標準組件的快速配置和集成，且最后的解決方案不能影響即插即用功能的準確性。諾格公司、維斯皮瑞斯公司、系統與技術研究公司、斯坦福國際研究所、科學應用國際公司以及參與第一階段的Argon ST公司參與了ASPN項目第二階段研制。研究成果不僅要滿足ASPN第二階段對精度、質量的要求，還要為進一步的開發和研究提供堅實的基礎。

第三階段，主要任務是完成ASPN系統的演示和驗證，預計為期12個月。本階段將在第二階段的基礎上，研究小尺寸、輕質、低功耗（低SWaP）的ASPN系統硬件框架架構與軟件體系架構，在真實環境中具備更加穩健的性能。

圖3 第二階段的技術領域和測試驗證線路圖Fig.3 Phase 2 technical field and associated testing and demonstration events

2.3 美國ASPN項目最新進展

2017年5月22日，英國 《簡氏防務周刊》報道，美國空軍研究實驗室成功開發出ASPN裝置，該系統可有效幫助戰斗機在無GPS信號時進行導航，如圖4所示。美國空軍研究實驗所導航和通信部傳感器局的馬克·斯米爾切克說：“空軍研究實驗所已建成一套系統，讓備用傳感器的信息可以導入飛機標準導航系統，從而幫助戰斗機在沒有GPS信號的環境中飛行。”

圖4 美國空軍研究實驗室的ASPN裝置Fig.4 ASPN device of US Air Force Research Lab

該系統包含：用于測量加速度和角速度的慣性導航傳感器、攝像頭、磁強計、GPS接收器以及高精準度的時鐘和氣壓計。目前，ASPN已在空中、陸地和海上平臺完成多次現場試驗。斯米爾切克表示，ASPN系統已在塞斯納182 Skylane商用螺旋槳飛機、美國海軍艦艇、便攜式背包和斯派克戰車上進行了演示驗證。

3 ASPN系統解決的關鍵技術

3.1 導航融合算法

導航融合算法是推導和開發新的導航濾波算法以解決載體的定位與導航問題。目前，大多數導航濾波器需要在效率和完備性之間做出選擇。因此，ASPN需要開發新的濾波算法，使其不僅能在真實環境中運行，并且能夠全面兼容各類導航算法，如高斯、非高斯統計算法，線性、非線性測量模型算法等。新的導航濾波算法必須滿足真實環境下實時運行的要求，能夠處理平臺運動和測量可用性之間產生的時變狀態空間問題；同時需要對所有導航測量結果進行統計，并在執行任務時，靈活調整各類傳感器及其測量值，實現各種傳感器、敏感器和機會信號的快速組合，并將其引入到可用的濾波方案，以提供準確可靠的導航解決方案。

3.2 軟件體系架構

軟件體系結構需要開發新的處理方法和架構，支持導航系統中各種傳感器及IMU的重新配置和即插即用，如圖5所示。具體來說就是需要發展新的模型，滿足各種測量源和導航信息數據庫的要求；提出新的處理方案以適應不同環境、不同平臺的要求；解決與實時傳遞相關的多傳感器和數據庫的組合、多系統協同、時間和空間的相對和絕對測量。

圖5 ASPN架構支持的傳感器Fig.5 Sensors used in ASPN

3.3 導航硬件架構

如圖5和表3所示，導航硬件架構主要致力于發展支持可重新配置且即插即用的各類傳感器的導航系統硬件架構，支持快速響應、多數據融合的導航軟件方案以及低SWaP要求，具有感知環境變化，并做出合理調整的能力。

3.4 實時導航算法

實時導航算法重點集中于為定位、導航方案開發ASPN導航濾波算法。ASPN所有信息源和自適應導航系統需要新的能在實時環境下運行的濾波算法，以適應高斯和非高斯統計、線性和非線性模型，并將各種傳感器、機會信號快速組合，引入到可用濾波方案中，這是實時導航算法的關鍵。另外在導航硬件架構中，實時導航算法也需要進行一系列的試驗驗證活動，但主要試驗場所已從第一階段的模擬環境轉移到了第二階段ASPN原型系統的野外測試，具體情況如表4所示。

表3 可用于ASPN的傳感器Table 3 Potential sources and measurements for ASPN

表4 測試和試驗驗證活動安排Table 4 Schedule of test and demonstration events

3.5 新型傳感器和新穎高效的導航測量方法

引入新穎高效的傳感器、測量量和測量方法，通過向導航濾波器提供獨特的測量結果，增強系統測量精度和穩健性，將極大地提高ASPN系統的精度。通過一種新穎高效的處理或測量方法，向導航濾波器提供獨特的測量結果，增強即插即用導航能力。同時，從現有導航測量方法中研究新型傳感器和測量量處理技術，將為ASPN方案提供巨大的幫助（提供新測量類型，增強系統魯棒性；提供魯棒性強的新測量量；有效提供大量非常規的窄帶測量）。

4 導航系統面臨的挑戰

全源定位與導航技術作為美國發展的一項前沿研究技術，是確保慣性導航精度的關鍵技術。該技術可利用一切可能用于導航的要素，以提供高精度定位、導航與授時能力，為滿足魯棒性強、可靠性高以及成本效益高等要求，導航系統還面臨以下5大挑戰。

1）大量異類傳感器信息整合，系統結構復雜。各種不同的導航方式都存在自身缺陷，如慣性導航技術的精度隨誤差累積、衛星導航系統面臨被攻擊和干擾的威脅、地形/景象輔助導航受到地球物理特征的約束、無線電導航傳輸距離有限，容易受到干擾和中斷。因此，全源定位導航系統必須融合多種異形傳感器信息，必須有復雜的異形結構和多模式算法軟件的銜接支撐，必須有各導航系統重新配置和即插即用結構支撐，必須有多種復雜環境的適應性。

2）多傳感器信息交融銜接，導航系統配置最優問題。由于全源導航系統傳感器實時動態配置，可以綜合利用所有可用導航傳感器，實現實時精確無縫銜接，發揮每種可用導航系統的優勢特點。

3）多任務剖面隨機不確定適應性，能處理多假設和環境特征不唯一的實時應用。全源導航傳感器在線誤差建模與評估、自適應重構框架及算法、系統的智能主動容錯處理方法能處理多假設和環境特征不唯一的實時應用和不同故障模式下導航系統故障傳播機理的分析和不同傳感器及導航系統的故障模式判別，形成數字濾波、智能決策理論、神經網絡、模糊推理，提高容錯結構對干擾的自適應性，保證異類導航系統在良好的穩定性、連續性、抗干擾性和高精度的導航性能。

4）系統誤差模型試驗驗證研究的扎實支撐性。通過誤差模型驗證，精度及可靠性驗證實現激勵各項外部干擾并降低環境函數矩陣的復雜性；通過不斷優化系統誤差模型，實現導航和定位的最大功效、多種導航傳感器同時工作的可靠性判別、異常數據剔除等。利用一切可能用于導航的要素，設計基于多源異構信息融合的自適應調節準則，采用多尺度故障建模方法，建立系統和部件的層型故障機理模型，構建導航系統運行可靠性的評估體系。

5）算法軟件的有效、兼容和可拓展性。系統制定了故障診斷和智能主動容錯方案，全面兼容各類導航算法，靈活調整異類傳感器及其量值，實現多系統協同；通過導航器件與系統數據庫的最優組合，整合可利用資源，實現導航系統在多種飛行模態下異類導航信息無縫智能融合與容錯；考慮系統模型不確定和非線性、噪聲特性的不精確性和時變性，采用新穎高效的測量處理算法，提高系統計算效率和魯棒性，使系統能夠感知工作環境的變化做出相應的調整，提高系統的可擴展性。

5 對我國發展的建議

自20世紀60年代開始，我國各類導航傳感器從仿制到試制，從研制到不斷創新。目前，傳統機械式導航傳感器（10－3/h、10－6g）已發展為光學固態導航傳感器（10－4/h），MEMS 導航傳感器（10/h、10－4g）進入應用階段。隨著傳感器技術的進步和國防需求的牽引，組合導航系統于20世紀末開始使用。21世紀，隨著我國北斗衛星導航系統的完善以及地磁、雷達、影像等傳感器的應用，不同的導航組合如雨后春筍般興起，各種組合導航算法隨著應用而不斷改進與完善，并且有新的突破，但目前仍然處于多源復合導航系統階段。

針對中國當前全源定位導航系統的發展和建設，提出以下建議：

1）緊跟國際技術發展趨勢，盡快開展頂層統籌論證、籌劃設計。以建設國家PNT體系戰略需求為牽引，解決衛星導航系統的局限性問題為核心，策劃開展中國全源定位系統（C-ASPN）的研究，形成以服務航天衛星、空間攻防及深空探測為主的小型化、高精度、強健型自主導航定位系統；以導航資源配置高效化、系統體系結構通用化、裝置應用方式多樣化為目標，建立高精度、高可靠全源導航技術研發、產品生產、應用推廣等一體化產業平臺；大力推進相關技術和產品的標準化，形成成熟、穩定且多用途的基本型。

2）開展多種傳感器及其組合技術的研究。目前，我國能夠生產具有高精度、低功耗、寬帶寬、小體積和高可靠性等突出優點的角速率傳感器，小體積、低質量、高動態加速度的傳感器以及微機械慣性測量組件和 GNSS/IMU組合導航組件，基本實現產品型譜化、系列化和產業化，可以滿足工程應用要求。在型號牽引下，新興MEMS慣性技術、光/機/電多種傳感器技術、組合導航技術以及計算機技術穩步提高，為我國航天探測和空間對接、安全定點著陸、多種武器裝備精確打擊提供了有利支撐。但是，能適應多任務剖面復雜環境要求的多種異型高精度傳感器亟待開展配套創新拓展和實用型研究。

3）充分利用大數據和云平臺技術，建立多任務剖面系統誤差模型數據庫。多任務剖面系統誤差模型是全源導航適應性的基礎，是多模型算法創新的源頭，必須重視系統誤差數據的甄別積累應用，重視系統到分系統誤差模型和實驗驗證的研究，盡快形成多測量源和多信息數據庫的建立協同應用，進而集成為多任務剖面（多復雜環境）適應型模型，滿足不同環境、不同平臺的即插即用。

4）在現有基礎上互通有無，挖掘拓展，盡快形成有效的多維導航算法軟件。目前，我國各個行業都有自己可行的、滿足工程應用的算法軟件。每一種算法在相應飛行條件下各有優缺點，它們性能各異、各有特色、優缺點共存，但是它們在改變任務剖面單獨使用時，很難完成高精度、高可靠性的連續自主導航定位。為了滿足無衛星導航情況下的高精度高性能導航的要求，必須加快多剖面任務導航算法軟件的開發應用，實現全源定位導航系統中慣導系統與其他導航系統有機結合，全面提高導航系統的整體性能，滿足不斷變化的任務需求與環境要求。

6 結論

導航技術隨著信息技術的發展不斷深入和拓展，在軍事以及民用領域中應用越來越廣泛。隨著新原理新方法的出現，導航技術的微型化、集成化和智能化的趨勢越來越明顯。本文通過梳理美國ASPN項目的產生背景、發展狀況、特點以及其中的一些技術問題，為我國C-ASPN系統的研制提供參考，以解決衛星導航系統的局限性問題。

[1]Patt D.Adaptable navigation systems（ANS）[EB/OL].http： //www.darpa.mil/program/adaptable-navigation-systems.

[2]DARPA seeks PNT robustness，flexibility with all source positioning and navigation program[EB/OL].http： //www.insidegnss.com/node/3112.

[3]Allsource positioning and navigation（ASPN）phase 2，DARPA-BAA-12-45[EB/OL].https：//www.fbo.gov/index？ s＝opportunity＆mode＝form＆id＝3fbaf7f56cc073f9ff0 1d8a50d9d2138＆tab＝core＆＿cview＝1.

[4]All source positioning and navigation（ASPN），DARPABAA-11-14[EB/OL].https：//govtribe.com/project/allsource-positioning-and-navigation-aspn.

[5]Chiu H P，Das A，Miller P，et al.Precise vision-aided aerial navigation[C].IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems（IROS），2014：688-695.[6]Chiu H P，Zhou X S，Carlone L，et al.Constrained optimal selection for multi-sensor robot navigation using plugand-play factor graphs[C].IEEE International Conference on Robotics and Automation（ICRA），2014：669-670.

[7]Chiu H P，Williams S，Dellaert F，et al.Robust visionaided navigation using sliding-window factor graphs[C].IEEE International Conference on Robotics and Automation（ICRA），2013：46-53.

[8]Trinh N H，Zhou X S，Chiu H P，et al.A general approach to online sensor calibration for navigation using factor graphs[C].ION International Technical Meeting，2013：901-908.

[9]Kumar R，Samarasekera S，Chiu H P，et al.Plug-andplay navigation algorithms using factor graphs[C].Joint Navigation Conference（JNC），2012.

[10]Keller J.Three join DARPA ASPN navigation sensorfusion program to reduce US need for GPS[EB/OL].http： //www.militaryaerospace.com/articles/2013/02/Threejoin-ASPN.html.

[11]US AFRL develops sensor pod to navigate in GPS-deniedenvironments[EB/OL]. http： //www.janes.com/article/70619/us-afrl-develops-sensor-pod-to-navigate-in-gps-deniedenvironments.

[12]王慧哲，曾慶化，劉建業，等.基于因子圖的無人機全源導航關鍵技術研究[J].導航與控制，2017，16（2）： 1-5.WANG Hui-zhe，ZENG Qing-hua，LIU Jian-ye，et al.Research on the key technology of UAV of all sources position navigation based on factor graph[J].Navigation and Control，2017，16（2）： 1-5.

[13]谷俊豪，蔡春龍，王國棟，等.SINS/GNSS組合導航測試系統用慣導模擬源技術研究[J].導航與控制，2014，13（5）： 12-16.GU Jun-hao，CAI Chun-long，WANG Guo-dong，et al.The technical research of SINS simulation source used for SINS/GNSS integrated navigation testing system[J].Navigation and Control，2014，13（5）： 12-16.

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

陜西省教育廳專項科研計劃資助（編號：15JK1416）

宋麗君，女，博士，講師，研究方向為慣性導航及組合導航算法。