協同導航技術研究綜述

謝啟龍 宋龍 魯浩 周本川

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0086

摘要：協同導航技術作為提升平臺協同作業性能的重要保障和關鍵技術，在軍用和民用方面正發揮著越來越大的作用。本文首先在多平臺協同作業背景下，從無人機、機器人、無人水下潛航器、導彈四個應用層面梳理了協同導航的國內外發展現狀;然后在技術應用層面，從初始組網編隊方式和編隊保持及重構方法兩方面對協同方式進行了分類分析;其次對協同導航中多傳感器的組合應用及多源導航信息處理方法在提高導航精度及導航穩定性方面的研究進行了歸納總結;最后從協同導航精度、系統穩定性、發展深度等方面，討論了未來協同導航領域的發展趨勢。

關鍵詞：協同導航;編隊方式;多傳感器組合應用;多源信息處理方法;武器協同技術

中圖分類號：TJ765;V249文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2019）04-0023-08

0引言

20世紀70年代著名物理學家哈肯（HermannHaken）提出的協同理論（Synergetics）又稱“協同學”，為處理復雜問題提供了新的思路：多運動平臺協同工作，可以實現簡單平臺“1+1>2”的性能提升。協同是未來聯合發展的必然趨勢，例如，多機器人協同作業、無人機群協同表演/偵察、導彈編隊協同打擊、海上艦艇編隊協同防空等都可以極大地提高工作效能。而協同導航技術作為協同系統的基礎和關鍵，方興未艾，受到國內外高校、科研機構的重視[1-2]。

協同導航是協同組網編隊中平臺間通過導航信息交互利用，實時解算并修正自身位置、速度、姿態等導航信息，保障協同編隊保持、隊形重構及后續協同任務順利完成的一種技術。如果無法得到協同平臺的精確導航信息，或者獲取的相對導航精度下降，則會導致編隊的控制精度變差，任務執行效果也會下降甚至出現錯誤。因此，單一傳感器導航已經難以滿足現代化作戰環境下的任務需求[3]。而協同導航大多利用捷聯慣導系統（StrapdownInertialNavigationSystem，SINS）、全球導航衛星系統（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）及超寬帶（UltraWideBand，UWB）、全向數據鏈（OmnidirectionalDateLink，ODL）、相對差分、雷達[4]、高度計、磁力計、視覺/圖像等技術，通過多傳感器的信息協同，提高協同導航準確性與可靠性，進而提高協同導航系統的精度與魯棒性。

1協同導航技術應用背景

近幾年，各科研機構越來越重視協同導航的相關研究，并投入了大量的人力、財力。在軍用方面，協同導航是實現對目標精確跟蹤、打擊的一個重要保障，又是現代化作戰中目標制信息權獲取的前提和關鍵。以美國為代表的西方國家起步較早，已經擁有較多的研究成果，如“蜂群作戰”等。同樣，該技術在民用方面也表現出廣闊的前景，如大型無人機群燈光秀、“菜鳥裹裹”物流機器人快遞分揀等。國內，如西北工業大學、南京航空航天大學、哈爾濱工程大學、北京航空航天大學等科研機構在協同導航研究中取得了一定的研究成果，甚至某些方面的科研水平已經走在世界前列，但是總的來看，由于國內研究起步較晚，整體科研水平仍然處于追趕階段。

協同導航技術服務于空中、地面、水下等各種平臺，有力支撐了軍民領域的現代化建設。本文從無人機（UnmannedAerialVehicle，UAV）、機器人、無人水下潛航器（UnmannedUnderwaterVehicle，UUV）、導彈四個方面，分析相關技術背景。

1.1無人機

近年來，國際民用航空組織（ICAO）、美國國防部（DOD）、美國聯邦航空管理局（FAA）、歐洲航空安全局（EASA）一致通過決議：采用UnmannedAircraftSystem（UAS）代替術語“UAV”，將機群系統的研究提升到新的層面。一般的協同導航結構，如圖1所示。

2012年，美國VijayKumar展示了基于運動捕捉系統提供高精度導航信息下的無人機集群飛行驗證，這些無人機能夠進行自行編隊和協同工作。由法國牽頭，瑞士、西班牙、瑞典、意大利和希臘參研的“神經元”無人機在2014年的試飛中驗證了編隊控制、信息融合、戰術決策與火力協同以及機間數據通信等技術，達到較高的智能化水平[5]。美國國防部高級研究計劃局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA）在2015年提出在拒止環境中協同作戰（CollaborativeOperationsinDenideEnvironment，CODE）項目，旨在使多無人飛行器在強信號干擾環境下通過信息協同對目標進行精確打擊。2018年4月，DARPA提出的“小精靈”（Gremlins）項目選擇了Dynetics公司團隊，進行第三階段的研究[6]。

美國海軍辦公室提出的通用軍備無人機集群項目“山鶉”進展神速，在2017年使用戰機釋放的103架“山鶉”微型折疊翼偵察無人機，達到能夠自行調整進入穩定飛行狀態的“類實戰”水平。

與國外相比，國內科研團隊緊跟國際先進技術的步伐，對無人機編隊導航等技術的研究較為深入。民用方面，大多停留在小型旋翼無人機編隊表演等層面，如2018年9月，南京航空航天大學團隊成功進行了300架無人機的燈光秀。軍用方面，實物飛行試驗能在簡單通信情況下做到編隊、任務分配及航跡規劃，但在面對復雜環境時，協同感知能力及魯棒性較差;中國電子科技集團公司分別在2017年和2018年完成了119架和200架固定翼無人機集群飛行試驗，雖然集群數量上獲得優勢，但無人機投放等關鍵技術仍然相對落后。

1.2機器人

航空兵器2019年第26卷第4期

謝啟龍，等：協同導航技術研究綜述從二十世紀七八十年代開始，加速度計、激光測距儀等傳感器被應用到機器人導航定位上。隨著科技的進步，UWB、CCD圖像傳感器和微型計算機等被用于提高機器人的定位精度。Kurazume等人基于計算機技術的發展和信息融合技術的啟發，提出了機器人協同定位的概念。Luo和Kay最早提出基于機器人的多傳感器集成、信息融合的研究[7]。

國內各相關科研機構都在積極跟進機器人未來發展趨勢，提早布局智能材料、深度學習、多機協同等前瞻性技術研究。

相比于單機器人，編隊導航的多機器人系統具有可提高任務完成能力，提高成員可靠性，降低整體成本消耗等優點。如美軍在平臺研發、協同技術、算法設計等方面展開了一系列研究。2017年，美國陸軍

啟動“僚機”項目，發展武裝機器人作戰車輛，使其能夠與士兵進行編隊作戰;2018年7月，美陸軍研究實驗室、開發與工程司令部研究實驗室聯合卡內基梅隆大學機器人研究所，共同發布了利用機器人智能學習使其成為士兵的可靠隊友的一項新技術。美國《未來學家》雜志預測：到2020年，戰場上的機器人數量將超過士兵數量，一種高智能、多功能、可協作的機器人群體將逐步接管某些軍事戰斗崗位。

1.3無人水下潛航器

由于人類對海洋研究的不斷深入，多UUV的協同導航成為該領域的一個重要研究方向。國外的多UUV協同導航技術已經發展了三十多年，形成了一系列關鍵技術和研究成果，并在多次實戰中發揮了良好的作戰效能。而國內起步較晚，大多研究還處于理論分析和試驗仿真驗證階段。

國外，大多為主從式多UUV協同導航系統，如美國麻省理工學院（MIT）海洋機器人實驗室研究的“自主協同的分散偵察與探測系統”（CooperativeAutonomyforDistributedReconnaissanceandExplorationSystem，CADRES）[8];美國的自主海洋采樣網絡（AutonomousOceanSamplingNetwork，AOSN）2014年開展的“自主認知潛水協同作業項目”（CognitiveAutonomousDivingBuddy，CADDY）。美國海軍和美國國防科學委員會（DBS）發布的《2025年自主水下航行器需求》、《自主性》、《下一代無人水下系統》研究報告，都從不同層面和角度反映出美軍關于UUV等無人系統的總體發展思路。還有歐盟第七科技框架計劃（FP7）開展的歐盟“GREX”項目[9]等。

國內，中國科學院沈陽自動化所進行了多UUV協作系統涉及的導航、通信和控制等技術的研究;西北工業大學開展了多UUV編隊策略及數據融合算法等方面的協同導航研究。

1.4導彈

20世紀70年代中期，美國提出信息化協同作戰的概念，80年代初提出研究協同作戰能力（CooperativeEngagementCapability，CEC）系統的設想，隨后又提出構建全球信息網格（GlobalInformationGrid，GIG），旨在從未來的信息化戰爭中及時獲得信息優勢和決策優勢，對全球范圍內的任意突發事件及時做出反應。

導彈作為快速打擊武器的代表，是實現協同作戰設想的重要工具。目前關于導彈協同的研究大多集中于防空導彈和反艦導彈，而在空空導彈協同導航方面少有相關文獻及報道。

導彈由于其自身狀態及作戰環境的特殊性，目前多采用SINS/GNSS，并考慮加入ODL、彈載雷達、紅外成像技術等[10]，以提高導彈的位姿精度。20世紀70年代蘇聯的“花崗巖”反艦導彈，采用“領彈-從彈”的攻擊模式[11]，而后，美國的“網火”（NetFires）導彈武器系統（如圖2所示），即后來發展的非直瞄發射系統（NonLineofSightLaunchSystem，NLOSLS），采用了巡邏攻擊導彈與精確打擊導彈協同作戰的模式[12]，這些是多導彈協同的早期代表。2016年9月，美國海軍將具有協同作戰能力的標準-6防空導彈（SM-6）配備于“宙斯盾”作戰系統，并與F-35B聯合攻擊戰斗機配合，成功進行了實彈測試，這標志著美軍網絡化作戰體系的進一步擴展，推進了未來戰場的協同化、智能化水平。

國內，沈培志等人從隱身技術、超聲速飛行技術、復合制導技術、超低空突防技術、多變彈道技術、航路規劃技術、彈載干擾技術、領彈從彈技術8個方面，系統總結了提高反艦導彈協同能力的主要技術手段[13]。徐勝利等人探討了信息化條件下面向防空的多彈協同作戰體系及協同作戰策略，提出面向防空的多彈協同關鍵技術設計理念[14]。

近些年國內外協同技術的發展基本上都是從實際需求出發，涉及范圍廣泛，運用技術眾多。對于協同導航技術，其根本在于及時有效的網內通信和精確的相對導航，但目前的相關技術缺少系統化的歸納，本文將進行梳理、總結。

2協同導航技術

多平臺協同導航技術可以分為導航方法與協同方式兩個方面。導航方法主要是多傳感器應用、信息處理和算法設計等，不區分單平臺或者多平臺系統;協同方式是研究系統內各平臺的初始組網編隊方式、隊形保持及重構方法等，對象是多運動平臺。導航方法的創新推動了協同方式的發展，而協同方式的內在需求又對導航方法不斷提出發展要求，兩者之間的關系如圖3所示。

2.1協同方式

協同方式主要有基于Leader-Follower方法的集中式編隊方法和基于行為法、虛擬結構法和循環法的分布式編隊方法。但是，在初步的編隊自組網完成后，隨著協同環境和協同任務的變化，系統平臺需要不斷更新定位信息，保持或者改變編隊方式，保證后續協同任務的順利進行。

2.1.1編隊方式

編隊方式主要分為集中式（領航式）和分布式，Deming等人提出了一種分布式導航結構，利用多目標探測和定位的概率技術，將多個視覺傳感器從不同角度提供的圖像傳輸給計算機，完成數據分析和自主導航定位[15];文獻[16]采用一種雙層結構控制器，其內環控制器控制導彈飛行姿態角，外環控制器控制導彈飛行位置，實現分布式導彈編隊飛行控制;文獻[17]提出了一種有限中央控制的分布式有人/無人機協同編隊指揮控制系統體系結構。相比于分布式編隊，領航式編隊可以在領航體和跟隨體上安裝不同精度的導航設備，通過GPS或ODL完成初始對準和時間校正等，提高協同控制能力，如Shao等人基于Leader-Follower編隊控制方法，使用圖方法進行編隊模型和隊形之間的變換[18]。目前UUV協同多采用領航式編隊方式。但由于高動態、大過載等特殊性，基于領彈的多彈協同模式在工程實現上依然難度較大。

2.1.2編隊保持及重構

在基本隊形確定后，Inalhan等人通過多機與決策系統的協同分析，對無人機集群控制進行離散式最優研究[19]，在可辨識性和線性無關約束條件的假設下，證明了該方法的全局收斂性，并將其應用于一個多無人機系統，驗證了在一個共同空域內滿足協調飛機之間的分離要求。Thrun等人基于蒙特卡洛方法提出了一種當編隊內機器人從編隊其他成員處獲得自身相對信息時，及時更新概率分布情況，調整位姿信息的協同導航定位概率算法[20]。Jo等人通過GPS差分把協同編隊內機器人的相對距離信息進行關聯，完成協同定位[21]。李聞白等人提出了基于單領航者的多UUV在考慮未知定常、不定常洋流估計情況下，將UUV相關問題轉化為非線性極小平方優化模型求解，提高初始化精度，并進一步將洋流干擾等作為狀態變量參與濾波估計，提高協同導航精度的方法[22]。在此基礎上劉明雍研究了多UUV協同導航、單領航者協同導航體系并考慮到海洋環境的未知性和復雜性，提出了洋流干擾下的單領航者測距協同導航方法[23]。文獻[24]將不同飛航導彈組網，通過領彈和攻擊彈的優化布站、協同配合，實現導彈生存能力和攻擊能力的提高，但缺少考慮多目標時的導航情況。王芳根據協同估計得到攔截彈及攻擊目標的運動信息的“突防-攻擊一體化”概念，提出導彈編隊協同，在能量消耗最小的前提下提高導彈編隊協同過程中的作戰能力[25]。

2.2導航方法

2.2.1多傳感器的組合應用

多傳感組合導航的引入提高了協同導航編隊的導航精度。部分學者利用擴展卡爾曼濾波（EKF）融合單目視覺傳感器，輔助INS導航，或者提前布設采樣點，利用UWB/地形匹配/地磁輔助導航。Agrawal等人融合慣性測量裝置、GPS與主體視覺信息進行機器人協同導航[26]。蔣榮欣提出了一種基于里程計、陀螺儀和視覺、激光測距的多傳感器融合機器人協同定位方法[27]，提高協同定位導航精度。隨著計算機視覺、圖像處理和攝影測量技術的發展，采用雙目或者多目相機，在圖像處理上運用更多先進的技術，如高精度的基于視覺的即時定位與地圖構建（SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM）技術[28]等。

多傳感器在無人機協同導航上的應用已經比較廣泛。曲法義等人結合編隊飛行問題，提出了一種由INS、GPS和視覺導航組成的高精度無人機編隊相對導航系統[29]。UUV編隊中領航UUV上大多裝備了高精度慣性導航設備、多普勒速度儀、差分GPS、水聲通信設備等，其他UUV上安裝相對低精度的航位推算導航設備、GPS接收器、水聲通信設備、水下測距傳感器等。導彈則在SINS/GPS的基礎上增加ODL、星敏感器等估計位姿，SINS/空速管估計速度，氣壓表估計高度，在末制導階段，利用彈載前視裝置（TV、紅外成像）進行精確制導。

2.2.2多源導航信息處理方法

（1）基于傳統KF的算法

慣性導航與測程法是最早出現的導航方法，也是應用于機器中的經典方法。Li等人提出了基于多無人機協同的自適應UKF來實現數據融合，得到最優位置[30];Williamson等人利用車載試驗研究了GPS/INS組合導航飛行編隊使用EKF得到絕對狀態值再進行差分處理、兩輛車使用不同精度的信息測量及處理方式、增加載波相位測量的相對狀態估計濾波三種相對導航方法[31]，驗證了方法三的高精度;金紅新等人提出了基于分布式信息融合結構方法和容積信息濾波算法對無人機的SINS、視覺以及GNSS進行信息融合的相對導航狀態估計方法[32];樊建文等人構建了相對導航信息的處理架構，通過建立KF方程，研究了利用偽距差分方式獲得相對觀測信息的計算方法[33];

Maczka利用時間同步和水聲測距及通信一體化測量UUV相對位置，對系統模型和分布式KF進行研究，得出在低帶寬條件下可以有效進行通信及協同導航的試驗結果[5];強明輝等人針對目前SINS/BDS組合導航系統問題，提出了基于衰減因子和噪聲加權的自適應KF技術，研究了組合導航系統在不確定性噪聲干擾下的組合新算法[34]。

對于提高協同導航信息融合精度及時間同步等問題，崔乃剛等人提出了一種基于SINS和GPS的相對導航系統，通過導彈之間的ODL共享導航信息，采用KF融合相對慣導信息和相對GPS信息，從而實現相對導航[35];花江在分析了ODL往返計時（RTT）時間同步算法的基礎上，提出了差分GNSS與ODL時間同步算法，利用KF構建時間同步計算算法模型，實現高精度的時間同步[36]。

（2）其他創新算法

Trawny在僅測量距離情況下，利用非線性加權最小二乘算法計算相對距離問題，保持全局最優，然后考慮在通信帶寬受限情況下，利用自適應量化測量方法，采用最優閾值選擇結果和最優比重分配原則對機器人定位[37];李朕陽運用SLAM技術，提出了基于平方根容積卡爾曼濾波（SRCKF）的分布式機器人協同定位算法[38]。

在基于幾何解算的協同導航研究中，張福斌等人提出了一種基于虛擬移動長基線的多UUV協同導航算法[39]。在多UUV相對距離的水聲測量基礎之上，一些學者在協同導航設計中融合了多學科方法，并對多種濾波方法的適用性進行了分析研究。Tan等人結合了海洋測深學，研究了多UUV協同定位，并利用粒子濾波（PF）進行信息融合算法設計[40]。

近年來，基于SINS的組合導航技術在單個導彈上得到了較多的應用[41]，但多彈協同導航性能和相關協同作戰等還需不斷優化[42]。崔樹林等人針對多飛航導彈對目標協同跟蹤精度較低的問題，提出了一種基于彈載雷達組網和GPS/INS組合導航的無偏不敏自適應融合跟蹤算法[43]。

同時，在保證導航精度的前提下，部分學者從改進融合濾波算法的數學模型著手，致力于減小計算量，優化導航性能。如周召發等人借鑒三子樣旋轉矢量法思想，提出三子樣四元數法[44]，簡化計算過程;閔艷玲等人基于對偶四元數的INS/GPS/天文組合導航系統改進聯邦濾波方法[45]，簡化計算量，提高系統魯棒性等。

3協同導航的發展趨勢

從國內外的大量研究成果中可歸納出協同導航的一些發展趨勢。

（1）導航精度不斷提升。突破傳感器的使用限制，如在無人機上使用雙目視覺傳感器;空空導彈上使用星敏感器等。更多傳感器的組合應用，甚至新型傳感器的研制及應用（如激光雷達、無陀螺捷聯慣性導航系統，集成光波導陀螺[46]）。對于組合導航傳感器誤差分析與補償方法的突破，這些都從硬件層面上提高了導航精度。

（2）協同導航系統穩定性及智能化水平不斷提高。神經網絡、模糊算法等技術的應用，在獲得信息冗余度高和智能信息處理技術驅動下，自主編隊、智能檢測和診斷故障、及導航容錯處理等能力進一步增強。以上從軟件層面改善系統的導航穩定性。

（3）協同導航深度、導航對象數量不斷提升。協同導航的區域范圍不斷擴大，并向協同體系“去中心化”方向發展。目前除了類似于“蜂群式”的小型多對象協同外，其余協同導航系統的子對象相對較少，因此，未來會在保證良好信息交流與導航性能的前提下，向大型集群系統的協同導航方向發展。

4結論

本文以協同導航在無人機、機器人、無人水下潛航器、導彈四個應用方面的發展為背景，總結了相應的初始組網編隊方式、隊形保持及重構方法、多傳感器組合應用和多源導航信息融合等國內外研究現狀，并預測了未來一段時間協同導航的發展趨勢。不難看出，雖然近些年來有大量關于協同導航方面的研究，可協同技術發展仍處于初始階段。但是隨著制造工藝的突破（如MEMS）和相關科技水平的快速發展（如隱身技術、電磁干擾對抗技術、協同攻擊-突防理論等），一定能夠克服現存的協同導航相關技術問題，以及因不同協同對象和不同使用環境造成的技術隔閡等一系列問題，使各領域協同導航技術在工程應用與理論指導上融會貫通、相輔相成，并且日趨成熟。

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