關於「複雜環境下無人系統可信導航」這個主題，本次報告我們主要從三個方面進行介紹：首先是問題的提出；然後是國內外研究現狀介紹，特別是目前國內在國家項目支持下的最新進展；最後是發展趨勢簡介。
文 ｜ 吳光輝
北京衛星導航中心 高級工程師
一、問題的提出
無人系統的發展通常包括無人車、無人機、無人艇和無人潛航器，能夠完成軍事上武裝打擊的任務，其主要優勢體現在物理環境適應能力強、風險小、價格低、非接觸、無人傷亡、長續航、多功能、自主可控等方面。無人系統的發展也影響著商業應用模式的發展。
在軍事領域，無人機的發展在世界各國特別是軍事強國中的發展，都是大家關注的焦點。根據本國的發展需求，未來無人系統將成為信息化裝備體系的重要組成部分，並和有人系統形成編隊協同作戰能力，在信息支援、特種支援及武器打擊等領域發揮重要作用。
無人系統面臨的技術難點首先包括定位導航，也就會我們所說的問題——無人系統在哪裡、去哪裡、怎麼去；第二是環境感知，即對周邊環境的認知，為路徑規劃導航提供支撐。另外，還有要控制，即任務的執行和對無人系統的操控問題，可見定位導航是一切無人系統的基礎。
目前室外和室內定位手段有很多，室外主要有衛星導航、慣性導航、偽衛星導航等，室內則有UWB、LED、藍、WIFI等各顯神通。
導航面對的主要問題有：衛星導航系統易被干擾、被欺騙，室內環境中無法使用；慣性導航體積大、成本高、精度低、存在漂移問題、累計誤差大；地磁導航、天文導航、聲納導航精度差；視覺導航受到環境的影響大；室內定位需要布設專用系統，不適合廣泛使用。
二、國內外研究現壯
可信導航的主要解決手段主要為：採用組合導航以及多源或全源融合導航、信號機會導航、環境自適應導航、彈性PNT,以及國內的微PNT。
組合導航是指若干導航系統的聯合使用，最典型的便是GNSS+INS，也可以再加地磁或者重力進行拓展，結合不同場景靈活組合。GNSS+INS可以很好地克服自身的缺點，是目前主要的導航手段。組合導航過去這麼多年來大多採用松組合和緊組合的方式，利用數據融合的算法，在GNSS和INS數據基礎上得出最優估算結果。在松組合中，GNSS提供的是速度等最終導航結果，但是因為速度和位置是相關的，相關性的干擾尤其嚴重，精度便會受到影響。當導航星少於4顆，且無法定位解算時，系統的組合將完全被破壞。緊組合中GNSS提供的量測數據是偽距，克服了松組合方式中量測信息的相關性問題。松組合和緊組合都是GNSS對INS的輔助，缺少對GNSS接收機的輔助。深組合是對INS、GNSS進行更深層次的信息融合，一方面為INS提供誤差校正信息以提高導航精度，另一方面利用校正後的INS量測信息為GNSS跟蹤環路提供輔助信息。深組合導航技術正逐步成為應用和實驗的重點。雖然GNSS+INS可以解決不少問題，但是無法兼顧低成本下實現抗干擾和抗欺騙。
現在提出了多源或全源融合導航的概念，主要原理是利用不同的傳感器、信號源實現傳感器信息的融合。同一個平台無論有多少台傳感器，只能輸出唯一的導航信息，而組合導航只能是切來切去。融合導航把所有的東西融合後可以提煉出唯一的導向信息。全源融合導向定位由美國提出，目標是任何平台、任何環境下實現低成本無縫導航，具有如下特點：兼容大範圍多樣化傳感器和敏感器、對於各種實時應用更易於優化、開放式架構的協同和增效作用。
以下是一個項目的架構，把全源無所不在、可以利用的信息資源綜合在一起，可以滿足在任何平台上實現低成本無縫導航的需求。
全源導航分為兩個階段，第一是要完成基於即插即用的能力，也稱為信號機會導航，或隨機信號導航技術，是美國軍方為了提高導航定位可靠性提出的一種全新的導航體制概念。還有一個就是環境自適應導航。英國的一位博士為了實現無論何時何地都能達到3米以內的定位精度目標，提出了一種未來可能應用的多源融合系統結構。還有一種提法是彈性PNT，實際上要適應各種變化條件，耐受各種各樣的供給，而且具備恢復能力。關於彈性PNT，我們北斗三號的副總設計師有這樣幾個解釋：以綜合PNT信息為基礎，以多源PNT傳感器優化集成為平台，以函數模型彈性調整和隨機模型彈性優化為手段，使其具備高可用性、高連續性和高可靠性。彈性PNT也是一個新提出的概念，國外主要開展GNSS異常探測，對於非正常的探測進行收集和總結。對於風險管理，異常情況下我們需要使用備份手段，反數據欺騙，有些條款中增加了一些信息，同時要加強環境威脅條件下的檢測能力。
對於國內，我們的提法是PNT的預研動向。目前，我們為預研項目進行的第一階段的驗收工作已經結束。提出微PNT也是為了解決可信導航問題。終端將微慣性的測量單元，包括無線電的一些PNT信息收發，還有傳感器繼承為一個小型化的模塊。後期可能會發展成晶片，但目前是小型化的模塊。通過多源的PNT融合，實現全空域、全時域、全信息、高動態和高效費比的PNT服務能力。我們今年3月份在蘇州做了一次中期檢查，得到了一些指標，目前來看其精度要求還不能進入實用化角度，因此還處於初級階段，穩定度和精度都有上升空間。
關於國內的微PNT動態，硬體的架構上仍然是把GNSS放進去了，作為一個預研項目，可以隨時關斷，通過我們人為的意願重新組合。硬體的框架結構和軟體框架架構形成了全集型的綜合。主要有三家成員單位，今年已經作為第一階段的驗收通過了，後面要開展下一階段的研製工作。
三、發展趨勢
下面我們談談對於微PNT發展趨勢的看法。可信導航需要解決的問題首先是發現，即發現導航存在的異常和異常導致的原因，然後是抵禦，第三是報警，也就是在導航性能無法滿足需求時給出警示信息，在異常消失之後要得到快速恢復。
可信導航是智能時代的導航發展方向。彈性PNT是可信導航的解決手段。達成目標的解決手段要落實在微集成技術上，也就是傳感器的小型化和多傳感器的集成上。不解決小型化問題，終端的使用會受到影響。但小型化是對指標的限制，下面要突破微集成技術，通過小型化指標的跨越。干擾探測技術和干擾抑制技術是相輔相成的，天線是干擾探測技術首要提出來的問題，然後要對環境建模提出一整套解決方案。首先是空域濾波，然後是進入射頻之後的濾波，這對器件也提出了很高的要求，它的體積和性能是成反比的，我們現在要在小型化的體積條件下，做到好的指標，所以一定要解決晶片化濾波器的應用。現在我們的一些濾波器已經進入使用階段，北斗的信道濾波也是大有可為的。同時我們還要處理基站信號，可以使用時頻濾波，提升GNSS的抗干擾能力效果。此外，還有全員融合算法，能夠實現彈性調整與優化。