王巍,邢朝洋,馮文帥

1.中國航天科技集團(tuán)有限公司,北京 100048

2.北京航天控制儀器研究所,北京 100094

3.北京航天時代光電科技有限公司,北京 100094

自主導(dǎo)航技術(shù)是指運動載體在不依賴外部支持的情況下,僅利用自身攜帶的測量設(shè)備實時確定自身相對某個坐標(biāo)系的位置、姿態(tài)和速度,來引導(dǎo)航行的導(dǎo)航方法[1-2]。一般而言,自主導(dǎo)航可以分為兩類: ① 從嚴(yán)格意義來講,完全自主導(dǎo)航僅依賴自身的慣導(dǎo)設(shè)備,既不發(fā)射、也不吸收外界的任何聲、光、電等信息,具有很好的隱蔽性和環(huán)境抵抗性[3]；② 從更廣義的角度來講,所有不需要外部支持設(shè)備,可自己測得或主動獲取外部信息的導(dǎo)航方式均為自主導(dǎo)航。

常用的自主導(dǎo)航方法有慣性導(dǎo)航[4]、天文導(dǎo)航[5]、地磁(如磁羅經(jīng))導(dǎo)航等,廣泛應(yīng)用于航天器、航空器、艦艇、車輛、單兵等場景。根據(jù)不同的導(dǎo)航需要,有些運動載體僅用單一的自主導(dǎo)航手段就能夠滿足任務(wù)要求,許多運動載體則必須使用冗余或多種自主導(dǎo)航手段結(jié)合的方式以實現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以其具有獨立性、自主性,被普遍應(yīng)用于運動載體的位姿檢測與導(dǎo)航控制[6],因此組合導(dǎo)航通常是以慣性導(dǎo)航為基礎(chǔ),以其他導(dǎo)航手段如天文導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等技術(shù)為輔助,從而構(gòu)成自主導(dǎo)航系統(tǒng)。

隨著導(dǎo)航任務(wù)需求的日益提升,自主導(dǎo)航系統(tǒng)也越來越復(fù)雜,推動了自主導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展。本文針對自主導(dǎo)航技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié),從陸?？仗斓榷鄠€領(lǐng)域,歸納并總結(jié)自主導(dǎo)航技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用特點；梳理并討論自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用狀況；分析并提出當(dāng)前研究存在的主要問題及其后續(xù)展望,為中國未來自主導(dǎo)航技術(shù)的研究發(fā)展提供參考。

1 自主導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 航天器自主導(dǎo)航技術(shù)

自主導(dǎo)航技術(shù)是航天器自主運行的核心技術(shù),是航天器實現(xiàn)軌道姿態(tài)自主控制,執(zhí)行月球軟著陸、在軌服務(wù)等空間任務(wù)的前提[7-8]。實現(xiàn)自主導(dǎo)航不僅能夠降低航天器對地面測控的依賴程度,提高自主生存能力,還能緩解國土面積有限對地面測控站布局的制約,提升航天器在測控區(qū)外的任務(wù)能力。航天器自主導(dǎo)航系統(tǒng)大致可分為：慣性導(dǎo)航[9-11]、天文導(dǎo)航[12-16]和視覺導(dǎo)航[17-20]等。

無論是歐美國家還是中國,早期的運載火箭和遠(yuǎn)程導(dǎo)彈中,大都采用基于轉(zhuǎn)子式陀螺的平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以實現(xiàn)自主導(dǎo)航控制,中國也為長征系列火箭自主研制了液浮陀螺平臺、動力調(diào)諧陀螺四軸平臺等慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[21]。

隨著對運載火箭運載能力和控制精度要求的不斷提升,運載火箭對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性、安全性、質(zhì)量與功耗提出了更高的要求。在提高單個慣性儀表精度的同時,采用多表冗余敏感器配置技術(shù)與系統(tǒng)冗余配置技術(shù)[22],保證運載火箭的入軌精度要求與穩(wěn)定性要求。在慣測產(chǎn)品多冗余配置方面,一種方案是采用光纖/激光慣性測量組合系統(tǒng)作為平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助,配合火箭飛行過程中的控制、制導(dǎo)工作的主從冗余控制系統(tǒng)。另一種方案是光纖/激光雙捷聯(lián)慣組冗余系統(tǒng)成功應(yīng)用于長征系列所有的運載火箭,為中國運載火箭的成功發(fā)射提供了有力保障。目前,以光纖/激光為主的冗余光學(xué)慣導(dǎo)已成為運載火箭自主導(dǎo)航的主流[23-24]。

高機動遠(yuǎn)程導(dǎo)彈采用的主流慣性儀器為平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[25-27]。隨著技術(shù)發(fā)展,對高機動導(dǎo)彈的實時機動性能提出了更高需求。這就要求慣導(dǎo)平臺系統(tǒng)的臺體在全姿態(tài)工況下仍保持穩(wěn)定,但原始的兩框架三軸慣性系統(tǒng)平臺其設(shè)計本身必然會限制姿態(tài)范圍,因此一種在原有平臺外增設(shè)隨動框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案被提出,這種四軸平臺可以避免“框架鎖定”現(xiàn)象的發(fā)生[28]。其核心思想是在高機動遠(yuǎn)程導(dǎo)彈進(jìn)行大姿態(tài)變軌或大姿態(tài)角飛行時,內(nèi)框架的三軸的垂直狀態(tài)保持不變,從而實現(xiàn)全姿態(tài)穩(wěn)定平臺[29]。近年來,隨著“三自”(自標(biāo)定、自瞄準(zhǔn)、自檢測)光學(xué)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展,使得捷聯(lián)系統(tǒng)改變了原有的“與載體固聯(lián)”的固有認(rèn)識。通過增加框架使捷聯(lián)系統(tǒng)在發(fā)射前的地面上實現(xiàn)自標(biāo)定功能,避免了定期拆彈標(biāo)定的問題,提高了武器系統(tǒng)的實戰(zhàn)化水平?！叭浴惫鈱W(xué)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)相對于“三自”平臺系統(tǒng)的優(yōu)點在于小型化、重量輕、快速啟動、誤差模型簡單等,使其很快在高機動中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈系統(tǒng)中脫穎而出[30],但其長期穩(wěn)定性和可靠性還有待全壽命周期的實際驗證。

進(jìn)入21世紀(jì),各國對航天航空更加重視,并投入大量的人力、財力開展高性能、高精度航天器自主導(dǎo)航技術(shù)的研究,并逐漸形成了基于慣性測量單元、磁力/重力場測量元件、光學(xué)/星光敏感器件、激光雷達(dá)等多元件配置的航天器自主導(dǎo)航技術(shù),且成功應(yīng)用于國內(nèi)外多個型號任務(wù)中[31-34]。美國一直處于航天器自主導(dǎo)航技術(shù)研究與應(yīng)用的前列,美國國家航空航天局(NASA)早在研制“好奇號”火星探測車時便已形成集慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等于一身的自主導(dǎo)航系統(tǒng)[35],而裝備更先進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)的“毅力號”火星探測器已于2020年7月30日發(fā)射升空,“毅力號”在導(dǎo)航方面采用了美國最先進(jìn)最新型號的導(dǎo)航設(shè)備,在火星車上配備有2個最新型號的Navcom導(dǎo)航相機,融合視覺和車輪里程測量與綜合滑移估計算法實現(xiàn)組合導(dǎo)航。在提升導(dǎo)航性能的同時,美國也在積極開展新技術(shù)研究與成本控制,NASA的SEXTANT項目已經(jīng)完成在軌完全自主的X射線脈沖星導(dǎo)航試驗。中國航天自主導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)已步入世界先進(jìn)水平,2020年7月23日中國首個火星探測器“天問一號”成功發(fā)射升空,截至目前已成功實現(xiàn)地火軌道的自主變軌,充分展示了中國航天器自主導(dǎo)航技術(shù)的實力水平。

靈活、低成本的進(jìn)入空間是未來航天發(fā)射的主流趨勢,美國SpaceX公司的獵鷹9號火箭發(fā)射成本已經(jīng)降低到6 000萬美元,遠(yuǎn)低于俄羅斯聯(lián)盟號火箭的報價[36]。航天運輸系統(tǒng)應(yīng)支撐中國按需開展低成本、大規(guī)模進(jìn)出空間活動；開展可重復(fù)天地往返航天運輸系統(tǒng)研制,提供廉價、可靠、快速、便捷的空間運輸服務(wù),將大幅提升中國進(jìn)出空間和利用空間能力,而重復(fù)使用運載器的航班化應(yīng)用將是未來中國航天技術(shù)的發(fā)展方向。根據(jù)空天慣導(dǎo)系統(tǒng)的高精度、長航時的特點,應(yīng)從傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航擴展至天文導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等,從單一導(dǎo)航源擴展至綜合導(dǎo)航及飛行管理,從運動信息感知擴展至導(dǎo)航定位授時一體化,從途中導(dǎo)航擴展至全程導(dǎo)航,最終為用戶提供滿足全時/空域應(yīng)用的完整導(dǎo)航解決方案。關(guān)鍵技術(shù)包括慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航技術(shù)、慣性/天文組合導(dǎo)航技術(shù)、慣性/景象匹配組合導(dǎo)航技術(shù)、旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)技術(shù)、多慣導(dǎo)/多慣性傳感器冗余導(dǎo)航技術(shù)、綜合導(dǎo)航技術(shù)和飛行管理技術(shù)等。其中,不同高度載體的自主導(dǎo)航發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 不同高度載體的自主導(dǎo)航發(fā)展歷程示意圖

1.2 航空器自主導(dǎo)航技術(shù)

在航空領(lǐng)域,飛機或航空飛行器能否安全、準(zhǔn)確、準(zhǔn)時到達(dá)目的地是航空領(lǐng)域最重要的指標(biāo),而導(dǎo)航系統(tǒng)是實現(xiàn)和保障飛行安全的關(guān)鍵。因此,航空器自主導(dǎo)航技術(shù)與航空領(lǐng)域的發(fā)展是同步的,從早期人類的目視導(dǎo)航,到通過機載儀表數(shù)據(jù)的人工計算導(dǎo)航方式,再到20世紀(jì)60年代具有自主導(dǎo)航能力的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在航空領(lǐng)域投入了使用[37-38]。隨著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成功組網(wǎng),現(xiàn)已形成以美國GPS,俄羅斯GLONASS,中國BDS(北斗系統(tǒng))、歐盟Galileo四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)[39-43]。GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)4顆甚至更多衛(wèi)星與用戶接收機之間的偽距,通過加權(quán)最小二乘法或者卡爾曼濾波方法解算出用戶接收機的具體位置和本地鐘差信息。但由于衛(wèi)星鐘差、大氣延遲、完好性黑洞以及接收機噪聲等情況,現(xiàn)代航空器導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為多種導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合的組合系統(tǒng)。

慣性/衛(wèi)星的組合導(dǎo)航是現(xiàn)今航空領(lǐng)域中最成熟、最廣泛應(yīng)用的自主導(dǎo)航技術(shù),并已成為各類無人機導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ),例如美國的“全球鷹”無人機便是使用基于慣性/GPS的組合導(dǎo)航方式[44]。此外新的組合自主導(dǎo)航方式也得到快速發(fā)展。美國在這一領(lǐng)域一直保持領(lǐng)先,例如慣性/多普勒/天文的組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性/GPS/大氣數(shù)據(jù)/地形輔助4種方式的組合導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性/天文/GPS/多普勒組合導(dǎo)航系統(tǒng)等,這些多技術(shù)融合的自主導(dǎo)航系統(tǒng)已被美軍廣泛應(yīng)用于超音速運輸機、超音速戰(zhàn)斗機等軍用飛機上[45-46]。此外其他國際大國也在此領(lǐng)域投入大量研究與實際應(yīng)用,俄羅斯空軍的蘇34、蘇35戰(zhàn)斗機中使用了慣性/衛(wèi)星/地形輔助組合導(dǎo)航系統(tǒng),法國空軍的幻影2000戰(zhàn)斗機中也運用了慣性/衛(wèi)星/地形輔助組合導(dǎo)航系統(tǒng),以提高戰(zhàn)機作戰(zhàn)能力[47]。

由于空域中很難長時間設(shè)置標(biāo)志性參照物,因此飛機自身必須依靠慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲得自身位置姿態(tài),再通過陸基無線電或星基導(dǎo)航進(jìn)行定時校準(zhǔn)與位置修正[48-49]。由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的獨立性與全時性、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)更新實時性等特性使其成為解決飛行器自身位姿檢測的關(guān)鍵[50],但慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于原理上的誤差機理引起漂移或誤差,低精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差甚至?xí)斐娠w行器飛行的嚴(yán)重偏離,因此針對超高速、射程遠(yuǎn)的飛行器,通常會在慣性系統(tǒng)之外,通過GPS、天文等導(dǎo)航系統(tǒng)對其進(jìn)行定時修正。

中國慣性導(dǎo)航技術(shù)近年來飛速發(fā)展,新型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)如光纖慣導(dǎo)、激光慣導(dǎo)以及微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)慣導(dǎo)等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機、無人機等航空器控制系統(tǒng)中[51]。為了降低飛機重量簡化機載設(shè)備,降低飛機制造成本、提高可靠性,在民航系統(tǒng)中,將更多的導(dǎo)航系統(tǒng)集中到了陸基無線電導(dǎo)航也就是地面導(dǎo)航臺,并且形成了一套較為完整的民航交通管理系統(tǒng),該系統(tǒng)包括無方向性無線電信標(biāo)(Non-Directional Beacon, NDB)系統(tǒng)[52]、甚高頻全向無線電信標(biāo)(VHF Omni-directional Range, VOR)[53]和測距機(Distance Measuring Equipment, DME)系統(tǒng)[54]等。今年6月,中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成功組網(wǎng),標(biāo)志著中國在衛(wèi)星定位導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了獨立自主,提高了中國軍用及民用航空航天導(dǎo)航信息的安全性,進(jìn)而逐步擺脫對國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴,從而合理推進(jìn)中國航空系統(tǒng)綜合導(dǎo)航體制的建設(shè)。

1.3 艦船自主導(dǎo)航技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和軍用技術(shù)不斷發(fā)展,海洋探索與開發(fā)已成為國際上的研究熱點,遠(yuǎn)洋航行、遠(yuǎn)海捕撈、深海石油開發(fā)已經(jīng)成為各國聚焦要點,并對艦船自主導(dǎo)航技術(shù)提出了越來越高的要求。海洋環(huán)境類似空域環(huán)境,并不具備顯著標(biāo)志物特征,因而其定位與導(dǎo)航具有動態(tài)性和不可重復(fù)性等特點。迄今為止已經(jīng)發(fā)展了多種艦船自主導(dǎo)航系統(tǒng),大致可根據(jù)在水深度分為兩大類,即水面自主導(dǎo)航和水下自主導(dǎo)航[55]。

在水面自主導(dǎo)航中,早期的人類航海便是基于星象、羅盤等導(dǎo)航方式,而后船舶導(dǎo)航經(jīng)歷了海圖-航速推演導(dǎo)航、陸標(biāo)導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等一系列技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)已發(fā)展出諸如船舶電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、船舶自動識別系統(tǒng)等自主導(dǎo)航方式并被廣泛應(yīng)用[56-57]。船舶電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)可以從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出海圖信息并呈現(xiàn)在顯示器上,但是各國的電子海圖格式兼容性不同,在轉(zhuǎn)換使用過程中難免出現(xiàn)要素缺失等問題。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)雖然使用最為廣泛,但是影響其定位精度的因素很多,而且在海域上定位精度普遍低于陸域,因此現(xiàn)階段對于水面自主導(dǎo)航系統(tǒng)性能仍存在很大提升空間。

作為新的熱點研究方向,無人艇已開始應(yīng)用于海洋環(huán)境調(diào)查、海洋資源探測、海事訓(xùn)練測試、警戒巡邏、反水雷和反潛等工作中。由于水面不同于路基的行駛穩(wěn)定性,船舶自主導(dǎo)航技術(shù)直接決定了無人水面艇的航行能力[58]。各國在無人艇導(dǎo)航方面開展了豐富的研究,例如美國的“斯巴達(dá)偵察兵”無人艇、中國的“天象一號”無人艇等[59]。水面導(dǎo)航定位為了更加精確、可靠地進(jìn)行安全導(dǎo)航定位,即插即用全源導(dǎo)航是無人水面艇可采用的一種導(dǎo)航方式,并在此基礎(chǔ)上開展了組合導(dǎo)航完好性監(jiān)測工作[60]。此外,數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)、信息融合等人工智能技術(shù)通過融入到多目標(biāo)規(guī)劃綜合最優(yōu)及基于分層策略的自適應(yīng)路徑規(guī)劃中,解決水下動態(tài)時變環(huán)境下路徑規(guī)劃問題[61-62],提高了船舶自主導(dǎo)航系統(tǒng)的環(huán)境感知能力,包括信息特征表述、多元異構(gòu)數(shù)據(jù)間有效信息分析等,以及在構(gòu)建三維環(huán)境模型等方面起到更大作用[58]。

相比于水面導(dǎo)航技術(shù),水下導(dǎo)航因為水介質(zhì)對無線電的強烈吸收效應(yīng),衛(wèi)星導(dǎo)航為代表的無線電導(dǎo)航技術(shù)使用受限,導(dǎo)致水下導(dǎo)航更加依賴自主導(dǎo)航技術(shù),海水中的復(fù)雜海流和海洋生物為水下導(dǎo)航帶來了挑戰(zhàn)[63]。近年來,水下自主導(dǎo)航技術(shù)的研究得到快速發(fā)展,捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、水下聲學(xué)定位與導(dǎo)航技術(shù)、地球物理場(地磁場、重力場)導(dǎo)航技術(shù)等多種導(dǎo)航方式紛紛被應(yīng)用于水下自主航行器[64]。多普勒計程儀 (Doppler Velocity Log,DVL)是一種聲吶測速設(shè)備,其利用多普勒效應(yīng)能提供較高精度的載體速度信息,且其誤差不隨時間積累,具有較強的抗干擾性能。多種組合導(dǎo)航方式也應(yīng)運而生,例如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/水聲定位系統(tǒng)(Inetial Navigation System/Acoustic Position System, INS/APS)組合導(dǎo)航、應(yīng)用于淺水區(qū)的INS/GPS組合導(dǎo)航、深水區(qū)的INS/DVL組合導(dǎo)航、INS/地球物理導(dǎo)航的組合導(dǎo)航等[65],組合導(dǎo)航顯著提高了水下導(dǎo)航的靈活性和準(zhǔn)確性,并已廣泛應(yīng)用于潛艇、深海探測水下機器人等領(lǐng)域[66]。

1.4 車輛自主導(dǎo)航技術(shù)

車輛自主導(dǎo)航技術(shù)是通過車載設(shè)備對車輛運動信息和周圍環(huán)境進(jìn)行自主感知,將感知數(shù)據(jù)通過定位導(dǎo)航方法與已有數(shù)字地圖進(jìn)行比較,進(jìn)而采取合適的決策算法進(jìn)行路徑規(guī)劃與車輛控制以完成導(dǎo)航任務(wù)。目前車輛自主導(dǎo)航研究主要集中于無人駕駛模式下的自主導(dǎo)航[67]。智能無人車自主導(dǎo)航大體可以分為慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星定位自主導(dǎo)航、激光雷達(dá)自主導(dǎo)航和機器視覺自主導(dǎo)航等[68]。其中涉及多種傳感器融合,例如捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、里程計等[69]。

無人駕駛車輛導(dǎo)航技術(shù)要求車載計算機可以根據(jù)多種測量傳感器信息,在已繪制好的數(shù)字地圖上確定車輛的位置、方向、路徑等信息,無需人為干預(yù),軍用和民用領(lǐng)域中,山地、隧道、樓宇與橋梁往往導(dǎo)致GPS信號阻擋,并有可能導(dǎo)致定位錯誤等問題,車體的自身位姿方向也無法通過GPS獲得[70]。因此出現(xiàn)了多種導(dǎo)航系統(tǒng)組合的車輛自主導(dǎo)航方式,例如GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)能提供高頻率位置估計,但其定位精度較低。因此無人駕駛車輛通常會增加視覺相機、激光雷達(dá)等傳感器,結(jié)合視覺識別和算法使得無人駕駛汽車可以對周圍實時環(huán)境進(jìn)行感知[71]。此外,無人駕駛中數(shù)字地圖信息需要包括道路信息、建筑物信息、交通標(biāo)志等并能夠及時根據(jù)城市規(guī)劃進(jìn)行更新。高精細(xì)數(shù)字地圖與實時周圍環(huán)境感知信息的實時、準(zhǔn)確匹配,成為目前無人駕駛汽車的發(fā)展方向。近期,Google公司研發(fā)的無人駕駛汽車已經(jīng)獲得美國國防高級研究計劃局(DARPA)項目的大力支持,車體去除方向盤等傳統(tǒng)操控設(shè)備,轉(zhuǎn)而配置攝像頭、激光雷達(dá),通過GPS以及路標(biāo)等進(jìn)行導(dǎo)航行駛[72]。中國以百度公司為代表的自動駕駛汽車企業(yè)開展了大量技術(shù)開發(fā)與實驗,現(xiàn)已有百度自動駕駛出租車Apollo GO在北京等城市開展服務(wù)。

為克服無人駕駛汽車對地圖的依賴,近年來即時定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)技術(shù)取得了很大發(fā)展[73-74]。SLAM技術(shù)的最大特點是無需事先繪制好數(shù)字地圖,可以在車輛運動的同時,依照傳感器實時測量環(huán)境信息數(shù)據(jù),建立環(huán)境數(shù)字地圖模型,并經(jīng)過算法規(guī)劃運動路徑實現(xiàn)避障、巡線等操作[75]。SLAM技術(shù)同時解決了定位與地圖構(gòu)建問題,并已大量使用于機器人導(dǎo)航中[76]。

1.5 單兵自主導(dǎo)航技術(shù)

單兵自主導(dǎo)航技術(shù)是指面向單兵作戰(zhàn)或行人個體的導(dǎo)航技術(shù)。一般而言,面向單兵作戰(zhàn)的自主導(dǎo)航技術(shù)往往應(yīng)用于缺失基礎(chǔ)通訊設(shè)施等的惡劣戰(zhàn)場環(huán)境下,單兵導(dǎo)航完全依靠自身傳感器信息導(dǎo)航定位。當(dāng)前最常用的方法是以衛(wèi)星導(dǎo)航、地圖匹配技術(shù)相結(jié)合的組合導(dǎo)航技術(shù),例如美軍在海灣戰(zhàn)爭中便為士兵提供了空曠戶外場地下的高精度的導(dǎo)航定位。但是作為導(dǎo)航主體的單兵個體,往往體積較小,且作戰(zhàn)環(huán)境常常位于室內(nèi)、巷道、山區(qū)等衛(wèi)星信號不良或缺失的環(huán)境下,以衛(wèi)星導(dǎo)航作為主導(dǎo)的單兵自主導(dǎo)航技術(shù)難以完成導(dǎo)航任務(wù),甚至?xí)l(fā)生敵方信號干擾與位置竊取等情況,其自主導(dǎo)航性大大降低[77-78]。

近年來,以微慣性技術(shù)為基礎(chǔ)的單兵自主導(dǎo)航得到了快速發(fā)展。MEMS慣性測量系統(tǒng)在成本、尺寸、質(zhì)量、功耗等方面具有很大的優(yōu)勢,便于實現(xiàn)單兵個體攜帶,很好地適應(yīng)了單兵自主導(dǎo)航作戰(zhàn)需求[79],但其精度有限,致使其難以達(dá)到全方位解決室內(nèi)定位的問題,為此單兵自主導(dǎo)航通常也會與其他導(dǎo)航方式組合,例如使用微慣性導(dǎo)航與低功耗藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth Low Energy, BLE)[80]、短程無線電技術(shù)(ZigBee)、超寬帶技術(shù)(Ultra-Wide Bandwidth, UWB)[81]、偽衛(wèi)星室內(nèi)定位技術(shù)(Pseudolites)[82]等技術(shù)相結(jié)合。

一般戰(zhàn)場中,往往需要多兵協(xié)同作戰(zhàn),因而單兵協(xié)同導(dǎo)航應(yīng)運而生,因為存在相對位置信息的發(fā)送或接收,從嚴(yán)格意義上不屬于自主導(dǎo)航[83-84]。但從作戰(zhàn)小隊的整體來看,群組內(nèi)信息并不必須與外界進(jìn)行交流,而僅在組內(nèi)互通,故整體上仍符合自主性要求,因此可以將單兵分隊導(dǎo)航作為一種補充的自主導(dǎo)航手段。所以機器人協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)、群體導(dǎo)航控制技術(shù)得到了廣泛的研究與應(yīng)用,例如無人機群、機器人群等,并且群體行為的研究已經(jīng)成為現(xiàn)今控制領(lǐng)域研究的熱點。

2 自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)

目前占主導(dǎo)地位的導(dǎo)航技術(shù)有慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航,輔助性的導(dǎo)航技術(shù)有星光導(dǎo)航、地球物理場(地磁場、重力場)導(dǎo)航和無線電導(dǎo)航等。從應(yīng)用要求和技術(shù)研究進(jìn)展來看,自主導(dǎo)航技術(shù)在提高載體拒止環(huán)境下生存能力和滿足任務(wù)特殊階段導(dǎo)航需求等多方面具有明顯優(yōu)勢,已成為未來導(dǎo)航領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的重要方向。

2.1 慣性導(dǎo)航技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是載體實現(xiàn)自主導(dǎo)航的核心敏感源,隨著應(yīng)用需求的日益發(fā)展,對慣性技術(shù)提出了更高的要求。比如：高精度長航時應(yīng)用對慣性系統(tǒng)可靠性、精度及時間保持的更高要求；低精度大動態(tài)應(yīng)用對量程、惡劣環(huán)境條件適應(yīng)性的苛刻要求；宇航領(lǐng)域?qū)T性系統(tǒng)高精度、長壽命、低重量、小型化和低功耗的高要求；武器裝備領(lǐng)域?qū)挕y量范圍、快速啟動時間、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性、長期免標(biāo)定方面的高要求等。上述需求對慣性導(dǎo)航技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn),并促使慣性領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出一批新原理、新方法、新技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新[85]。

陀螺儀、加速度計等慣性儀表是海、陸、空、天各類運動載體導(dǎo)航定位、制導(dǎo)控制、姿態(tài)測量、穩(wěn)瞄穩(wěn)向的核心器件。各種不同類型的應(yīng)用系統(tǒng)對慣性儀表的工作要求如圖2所示。

圖2 不同應(yīng)用系統(tǒng)對陀螺儀的需求

傳統(tǒng)慣性器件精度仍在不斷提高,新原理、新結(jié)構(gòu)的如核磁共振陀螺儀、冷原子陀螺儀、微半球諧振陀螺儀、諧振加速度計等不斷涌現(xiàn),并初步顯露出發(fā)展?jié)摿Α?/p>

陀螺儀技術(shù)有以下發(fā)展特點和趨勢,其精度及應(yīng)用情況如圖3所示。

圖3 陀螺儀的應(yīng)用及精度分布示意圖

1) 在高精度慣性系統(tǒng)應(yīng)用方面,靜電陀螺儀、三浮陀螺儀等機械陀螺(自旋質(zhì)量陀螺)仍是當(dāng)前最高精度水平的陀螺,同時環(huán)形激光陀螺儀、光纖陀螺儀以及半球諧振陀螺儀正逐步接近和達(dá)到傳統(tǒng)戰(zhàn)略級應(yīng)用精度。

2) 環(huán)形激光陀螺儀和光纖陀螺儀逐步在高性能應(yīng)用領(lǐng)域受到半球諧振陀螺儀的挑戰(zhàn),但半球諧振陀螺實現(xiàn)0.000 1°/h(1σ)以上精度的難度也很大。

3) 隨著光電子器件技術(shù)的快速發(fā)展,近十年來高精度光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性以及隨機游走系數(shù)等性能已經(jīng)超越激光陀螺,隨著微弱信號調(diào)制解調(diào)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)突破,標(biāo)度因數(shù)性能已接近激光陀螺的精度,光纖陀螺有可能是未來10～20年實現(xiàn)工程應(yīng)用精度最高的陀螺儀。

4) MEMS陀螺儀精度和可靠性逐步提高,并逐漸取代低端的光學(xué)陀螺,但要實現(xiàn)中高精度陀螺儀技術(shù)指標(biāo)要求,仍需要突破較多關(guān)鍵技術(shù)。

5) 原子干涉陀螺儀和無自旋交換弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free, SERF)原子陀螺儀具有很高的理論精度,是新型慣性儀表的重要發(fā)展方向,有望在高精度慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用；核磁共振陀螺儀能夠兼顧高精度和小體積,可能是實現(xiàn)芯片化導(dǎo)航級陀螺儀的重要技術(shù)途徑,有望在軍民領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。原子陀螺技術(shù)在高精度等應(yīng)用領(lǐng)域具有較大發(fā)展?jié)摿?但研制難度大,工程化應(yīng)用還需較長時間。

加速度計技術(shù)有以下發(fā)展特點和趨勢:

1) 三浮擺式積分陀螺加速度計技術(shù)

針對軍民領(lǐng)域?qū)T性系統(tǒng)高精度及高可靠性的要求,高精度三浮擺式積分陀螺加速度計需配合慣性平臺系統(tǒng)完成儀表長期精度提升、儀表長期通電可靠性提升等技術(shù)攻關(guān),重點突破新型浮子支承技術(shù)、浮油長期高溫條件穩(wěn)定性技術(shù)、三浮陀螺加速度計長期通電精度評價技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)提升產(chǎn)品精度及長期通電穩(wěn)定性的目標(biāo)。

2) 石英撓性加速度計技術(shù)

針對軍民領(lǐng)域高精度導(dǎo)航與制導(dǎo)需求,目前需重點開展加速度計偏值精度提升研究、加工實現(xiàn)方法及評估方法研究、加速度計技術(shù)成熟度提升研究等工作,突破高精度加速度計結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制技術(shù)、高穩(wěn)定性敏感結(jié)構(gòu)制造技術(shù)、高精度加速度計精密裝配技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)提升加速度計設(shè)計及制造技術(shù)水平的目標(biāo),滿足未來高精度導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)需求。

3) 石英振梁加速度計技術(shù)

針對軍民領(lǐng)域?qū)κ⒄窳杭铀俣扔嫷膽?yīng)用需求,開展石英振梁加速度計總體設(shè)計、石英振梁設(shè)計及微加工、高穩(wěn)定性驅(qū)動電路及頻率檢測等研究工作,突破石英振梁微加工、撓性支撐精密加工、儀表精密裝配等關(guān)鍵技關(guān),實現(xiàn)高精度、低功耗、大量程加速度計研制目標(biāo)。

4) MEMS加速度計技術(shù)

充分利用MEMS慣性儀表構(gòu)成的慣性系統(tǒng)低成本、小型化、可大批量研制等特點,重點開展MEMS加速度計低溫度系數(shù)三層硅鍵合技術(shù)、數(shù)字溫度補償專用集成電路(ASIC)集成技術(shù)、批量制造一致性、多通道數(shù)字信號測試技術(shù)和抗過載技術(shù)等研究工作,突破低應(yīng)力三層硅片鍵合技術(shù)、高精度數(shù)字溫度補償技術(shù)、抗高過載集成設(shè)計技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)MEMS加速度計的工程化和典型環(huán)境應(yīng)用。同時,探索硅微振梁加速度計,向更高精度發(fā)展。

5) 原子加速度計技術(shù)

針對軍民領(lǐng)域高精度慣性系統(tǒng)應(yīng)用需求,原子干涉加速度計重點開展環(huán)境噪聲補償技術(shù)研究工作,突破超高精度加速度環(huán)境檢測技術(shù)、環(huán)境噪聲補償技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),滿足未來高精度慣性平臺系統(tǒng)應(yīng)用需求。

慣性導(dǎo)航微系統(tǒng)技術(shù)是近十年來美國DARPA大力推進(jìn)的新技術(shù),它將多種先進(jìn)傳感器元器件通過三維異構(gòu)集成技術(shù)制造成具有復(fù)雜功能的芯片級微小型電子系統(tǒng)。導(dǎo)航微系統(tǒng)將顛覆傳統(tǒng)基于分立器件的慣性系統(tǒng)產(chǎn)品的形態(tài),具有自主可控、尺寸小、功耗低、按需配置、擴展性強等特點,對于促進(jìn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)微小型化和智能化,加速系統(tǒng)性能的全面提升具有革命性的影響。

2.2 慣性基組合導(dǎo)航技術(shù)

由于各類導(dǎo)航需求的特點不同,單純慣性導(dǎo)航往往不能滿足任務(wù)需求,所以越來越多的場合將慣性與其他導(dǎo)航方式組合,構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

1) 慣性+衛(wèi)星組合導(dǎo)航

經(jīng)過幾十年的發(fā)展,目前導(dǎo)航型GNSS已經(jīng)廣泛搭載在對地觀測小衛(wèi)星上,為姿態(tài)控制系統(tǒng)、地觀測設(shè)備實時提供高精度的衛(wèi)星軌道參數(shù),自主定軌精度優(yōu)于10 m,速度精度優(yōu)于1 cm/s[86]。

常規(guī)INS/GNSS組合導(dǎo)航應(yīng)用的對象是低于GNSS衛(wèi)星軌道的中、低軌航天器。近年來,利用GNSS信號的高軌航天器自主導(dǎo)航成為該領(lǐng)域的研究熱點[87]。以地球另一側(cè)的導(dǎo)航衛(wèi)星作為有限信標(biāo),研制適用于微弱信號處理的星載多模GNSS接收機,是解決高軌INS/GNSS組合導(dǎo)航問題的基礎(chǔ)。

國內(nèi)INS/GNSS組合導(dǎo)航技術(shù)在高軌航天器應(yīng)用方面也取得了長足的進(jìn)步。2014年,在“嫦娥五號”飛行試驗器任務(wù)中,首次將GNSS作為導(dǎo)航敏感器應(yīng)用到再入返回過程,幫助返回器達(dá)到了落點精度500 m的世界最好水平。2016年,新型多星座高靈敏度星載高軌衛(wèi)星導(dǎo)航單元實現(xiàn)了衛(wèi)星搭載,成功完成了對中國北斗高軌導(dǎo)航信號的接收,評估表明高軌GNSS定軌精度優(yōu)于50 m。目前,國產(chǎn)高軌GNSS接收機已應(yīng)用到預(yù)警、遙感等多個高軌航天器平臺,取得了良好的效果。

在航空領(lǐng)域,航空電子綜合化技術(shù)水平不斷提高,INS/GNSS組合導(dǎo)航與偵察、控制、監(jiān)測等設(shè)備之間的信息耦合程度進(jìn)一步加深,并從傳統(tǒng)單一的導(dǎo)航設(shè)備逐步演變?yōu)闄C載參考信息源。因此,現(xiàn)代航空領(lǐng)域?qū)NS/GNSS導(dǎo)航信息的依賴性更強,慣性信息在完成傳統(tǒng)導(dǎo)航與制導(dǎo)的基礎(chǔ)上,還可用來進(jìn)行飛行輔助控制、精密進(jìn)近引導(dǎo)、誤差補償、目標(biāo)定位等功能,上述功能對于保證飛行著陸安全、提升任務(wù)系統(tǒng)的效能具有重要作用[88]。

在艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中,INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)是核心關(guān)鍵技術(shù),能夠提供精確的導(dǎo)航、定位和授時等時空基準(zhǔn)信息,同時能夠滿足艦船高性能、高可信遠(yuǎn)洋航行的需求,不僅能夠保障艦船航行的安全,同時也是艦船平臺和武器裝備系統(tǒng)實現(xiàn)精確打擊的重要組成部分。

在車輛導(dǎo)航領(lǐng)域中,高可靠的車輛自主導(dǎo)航是降低車輛意外事件及減少乘車人員危險的一項關(guān)鍵技術(shù),將廣泛應(yīng)用于無人自動駕駛領(lǐng)域[89]。其中,導(dǎo)航系統(tǒng)定位的精確度和控制的穩(wěn)定性是實現(xiàn)車輛自主導(dǎo)航的關(guān)鍵,將慣性/GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合地圖匹配技術(shù)來獲取精確的定位信息,同時利用電子地圖匹配技術(shù)進(jìn)行誤差校正,從而提高定位的精度和導(dǎo)航的可靠性,并根據(jù)行駛的不同需求,結(jié)合環(huán)境感知及建模技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、行為控制技術(shù)、學(xué)習(xí)自適應(yīng)技術(shù)等,實現(xiàn)車輛的高精度自主導(dǎo)航[90]。

2) 慣性+測距/測速組合導(dǎo)航

慣性+測距/測速組合導(dǎo)航是航天器著陸過程的基本導(dǎo)航手段,主要應(yīng)用于月球軟著陸、火星進(jìn)入、下降與著陸過程。慣性+測距/測速組合導(dǎo)航最早是針對月球著陸探測任務(wù)提出的,其中測距儀或測高儀用于測量航天器相對月面的高度,多普勒雷達(dá)用于測量航天器速度,并使用最小方差估計技術(shù)完成對導(dǎo)航的修正[91]。這也成為阿波羅登月任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)著陸導(dǎo)航方案。進(jìn)入21世紀(jì)后,中國啟動了探月工程,中國的月球著陸器使用的也是慣性+測距/測速修正的著陸組合導(dǎo)航方案,在“嫦娥三號”、“嫦娥四號”著陸任務(wù)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用,高程、速度的導(dǎo)航精度分別達(dá)到了分米和分米每秒量級水平,處于國際前列地位。未來,月球著陸任務(wù)將向著更高精度方向發(fā)展,美國國家航天局、日本、歐空局的最新月球著陸任務(wù)均提出了著陸偏差小于100 m的定點著陸要求。要實現(xiàn)定點著陸,導(dǎo)航系統(tǒng)必須融合新的測量手段以改善現(xiàn)有慣導(dǎo)+測距/測速組合導(dǎo)航方案在水平位置精度上的不足。但慣導(dǎo)+測距/測速組合導(dǎo)航仍然是著陸導(dǎo)航的基礎(chǔ),其作用不可替代[92]。

現(xiàn)代航空領(lǐng)域越來越依賴慣性+測距/測速組合導(dǎo)航進(jìn)行精確導(dǎo)航和定位,尤其是在復(fù)雜電磁環(huán)境以及GPS拒止環(huán)境下,高精度自主導(dǎo)航已成為當(dāng)前航空機載慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展重點。慣性信息在輔助傳統(tǒng)導(dǎo)航姿態(tài)保持需求的基礎(chǔ)上,還可用于地形跟隨、地形匹配及回避、傳感器引導(dǎo)、潛在目標(biāo)定位等,上述功能對于保證飛行安全、提升任務(wù)效能具有重要意義。

3) 慣性+雷達(dá)/視覺相對測量

在空間對接、在軌服務(wù)與操作以及空間對抗任務(wù)中,都需要獲取2個航天器的相對運動狀態(tài),一般使用各類雷達(dá)、相機等相對測量敏感器對目標(biāo)航天器進(jìn)行測量。由于主動航天器需要頻繁的機動控制,還需要通過慣性測量敏感器測量自身的加速度。因此在相對運動控制中,一般采用慣性+相對測量導(dǎo)航的方式[93]。在遠(yuǎn)距離上,相對測量敏感器一般包括微波雷達(dá)、激光測距儀、激光雷達(dá)、可見光相機、紅外相機等[94]。中國的神舟飛船采用了差分GNSS、微波雷達(dá)、激光雷達(dá)、成像式交會對接敏感器構(gòu)建了由遠(yuǎn)及近的相對測量系統(tǒng)。其中成像式交會對接敏感器經(jīng)歷了從目標(biāo)主動發(fā)光、敏感器激光照明、激光點云成像3個發(fā)展階段,敏感器的測量能力逐漸增強,適應(yīng)的航天器從合作目標(biāo)擴展到非合作目標(biāo),并實現(xiàn)了合作/非合作一體化[95]。此外,基于慣性+雷達(dá)/視覺相對測量技術(shù),同時結(jié)合里程計等傳感器,實現(xiàn)里程計誤差在線標(biāo)定、車輪打滑、滑行和側(cè)滑故障檢測與識別、運動學(xué)非完整約束傳感器參數(shù)在線辨識等,廣泛應(yīng)用于車輛導(dǎo)航、導(dǎo)彈發(fā)射車、自行火炮、前線偵察車、無人駕駛等車載自主導(dǎo)航領(lǐng)域。

4) 慣性+天文組合導(dǎo)航

天文導(dǎo)航系統(tǒng)利用航天器自身攜帶的傳感器進(jìn)行天文實時觀測,并通過星歷解算得到當(dāng)前航天探測器狀態(tài)值,慣性+天文導(dǎo)航是深空探測器在距離太陽和各行星較遠(yuǎn)時進(jìn)行導(dǎo)航定位的最有效手段之一[96]。

目前空間任務(wù)對航天器自主導(dǎo)航性能的要求越來越高,將慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行信息融合,可實現(xiàn)多種導(dǎo)航方法之間的優(yōu)勢互補。典型實例是基于地球敏感器和慣性測量單元的自主導(dǎo)航方法,通過對地心矢量或其他天體方向矢量進(jìn)行觀測,結(jié)合軌道動力學(xué)方程和非引力加速度測量信息,可估計得到航天器的運動狀態(tài)。此外,將星敏感器與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)集成也是天文/慣性導(dǎo)航的一個發(fā)展方向。例如,將星敏感器與微機械陀螺組成的慣性恒星羅盤,能夠使慣性系統(tǒng)在較低功耗和較小體積基礎(chǔ)上實現(xiàn)較高精度,而且獲得了更大動態(tài)范圍。

2.3 地磁導(dǎo)航技術(shù)

地磁場作為一種重要的地球矢量場,是空間位置與時間的函數(shù),具有全天候、全天時、全地域、中高精度、高隱蔽性和抗干擾性強等優(yōu)點,已成為重要的輔助導(dǎo)航方法之一,并逐漸成為衛(wèi)星、飛機、潛艇以及導(dǎo)彈技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點[97]。

目前地磁導(dǎo)航技術(shù)在實際應(yīng)用中面臨的問題及需求可歸結(jié)為以下3個方面：

1) 高精度、實時修正的地磁場模型

目前,由于國際地磁參考場(IGRF)和世界磁場模型(WMM)等全球地磁場模型重點描述約占總磁場值95%左右的主磁場,中國地磁參考場(CGRF)等區(qū)域地磁場模型所依據(jù)的測量數(shù)據(jù)有限,分辨率很低,缺乏對地磁場時變特性、空間特性的深入分析以及地磁場延拓方法的研究,因此目前工程應(yīng)用中地磁模型不能滿足地磁導(dǎo)航對地磁模型和基準(zhǔn)圖高分辨率、高精度的要求,急需建立高精度、實時修正的地磁場模型。

2) 地磁場信息精確測量技術(shù)

空天飛行器和艦船、車輛等載體是各種無磁、有磁材料的組合體,其中有磁材料能夠產(chǎn)生磁場,并和地磁場一起被磁敏感器測量到。由于磁敏感器并不能把這兩種磁場區(qū)分開來,從而導(dǎo)致了對地磁場的測量精度偏低,因此對干擾磁場進(jìn)行消除或補償是很必要的,目前常用的地磁匹配算法包括地形輪廓匹配(TERCOM)算法和迭代最近等值線(ICCP)算法,而目前對于如何消除或補償干擾磁場的研究尚未取得很大的突破。

3) 工程應(yīng)用中有效的導(dǎo)航算法

地磁導(dǎo)航方法主要分為兩類：卡爾曼濾波方法和匹配方法。實際工程中,若考慮應(yīng)用背景,載體不能以“攝像”的形式獲得地磁信息二維圖,而僅能獲得其航跡的一維“線圖”,這種線圖的方式比二維圖攜帶的信息更少,導(dǎo)致地磁圖的獲取、匹配準(zhǔn)則、尋優(yōu)方法等方面產(chǎn)生了很大的誤差。因此,必須尋求新的地磁匹配理論方法才能夠進(jìn)一步提高導(dǎo)航精度[98]。

雖然地磁導(dǎo)航技術(shù)還存在諸多問題,但是在導(dǎo)航、制導(dǎo)領(lǐng)域仍具有很大潛力,地磁導(dǎo)航在彌補傳統(tǒng)導(dǎo)航手段不足方面仍然具有很大的優(yōu)勢。

2.4 重力梯度導(dǎo)航技術(shù)

地球重力場體現(xiàn)的是地球本身的內(nèi)在特性,具有無源、穩(wěn)定的特點,重力場會隨著地理環(huán)境的改變而變化。重力梯度是重力場輔助導(dǎo)航的常用幾何參數(shù),重力梯度輔助導(dǎo)航由于不會向外界發(fā)射和接收電磁波信號,是一種隱蔽、穩(wěn)定和無源的自主導(dǎo)航方式。重力梯度可以采用重力位在各坐標(biāo)軸方向上的二階導(dǎo)數(shù)求解,其數(shù)據(jù)中存在較多的高頻成份,對淺層的異常體和突變的場源邊界具有較高的分辨率,未來應(yīng)用前景廣闊[99]。

對于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和飛機等飛行器來說,其飛行過程中不可避免的會穿越高山等重力梯度變化大的區(qū)域,從而提高重力梯度輔助導(dǎo)航的精度,這對提高遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的導(dǎo)航精度具有重要意義。重力場匹配導(dǎo)航系統(tǒng)通過重力梯度儀測量地球重力場進(jìn)行定位,不需要發(fā)射和接收無線電信號,不易受外界干擾,作為導(dǎo)航信號源的地球重力場具有規(guī)律性強和覆蓋率高的優(yōu)點,能夠滿足“高精度、長航時、自主性、無源性”的導(dǎo)航需求,是自主導(dǎo)航領(lǐng)域未來重要研究方向。

對于水下潛器來說,高精度水下導(dǎo)航是水下潛器執(zhí)行任務(wù)過程中必須突破的一項關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性測量單元會不可避免的產(chǎn)生測量誤差,且誤差會隨著時間的積累而逐步累積,水下潛器在長航時條件下無法進(jìn)行準(zhǔn)確的定位,因此基于地球物理場的重力梯度導(dǎo)航方法受到越來越多的關(guān)注[100]。重力數(shù)據(jù)中含有較多的低頻信息,重力梯度數(shù)據(jù)中擁有豐富的相對高頻的信息,充分利用重力和重力梯度數(shù)據(jù)的高低頻特性,對于提高水下潛器定位精度具有重要意義。

在導(dǎo)航算法方面,由于重力梯度傳感器技術(shù)并未完全發(fā)展成熟,因此導(dǎo)航定位算法也沒有得到非常深入的研究。目前所研究的多為基于匹配的輪廓匹配算法以及基于跟蹤的卡爾曼濾波算法。

1) 高分辨率和高精度的重力梯度分布基準(zhǔn)圖技術(shù)

高分辨率和高精度重力梯度分布基準(zhǔn)圖構(gòu)建是重力場輔助導(dǎo)航中一項關(guān)鍵技術(shù)。由于目前中國動基座重力梯度測量技術(shù)尚不成熟,而歐美等國家的該項技術(shù)對中國還實行封鎖,難以獲取實際測量的全張量重力梯度基準(zhǔn)圖。目前工程應(yīng)用中重力梯度分布基準(zhǔn)圖不能滿足重力梯度導(dǎo)航對基準(zhǔn)圖高分辨率、高精度的要求。

2) 高精度重力梯度測量技術(shù)

目前美國和澳大利亞重力梯度儀的測量精度可達(dá)1厄缶(Eotvos,1厄缶=10-9CGS單位),而國內(nèi)重力梯度儀的測量精度為10厄缶甚至幾十厄缶,難以滿足高精度的導(dǎo)航需求。近年來國內(nèi)諸多單位和學(xué)者對重力梯度測量的原理和方法進(jìn)行探討,并開展了重力梯度儀的相關(guān)理論設(shè)計與工程應(yīng)用研究,但是,總體來說,國內(nèi)的重力梯度測量精度還不能滿足高精度慣性導(dǎo)航的要求,對重力梯度數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計算成為了未來一段時間內(nèi)進(jìn)行重力輔助慣性導(dǎo)航的重要分析手段。

2.5 天文導(dǎo)航技術(shù)

天文導(dǎo)航是以已知準(zhǔn)確空間位置的自然天體為基準(zhǔn),通過天體測量儀器被動探測天體位置,經(jīng)解算確定測量點所在載體的導(dǎo)航信息。天文導(dǎo)航不需要其他地面設(shè)備的支持,所以具有自主導(dǎo)航特性,也不受人工或自然形成的電磁場的干擾,不向外輻射電磁波,隱蔽性好,定位、定向的精度比較高,定位誤差不隨時間積累,具有廣泛應(yīng)用。但是天文導(dǎo)航存在數(shù)據(jù)更新率低、受大氣影響較大、獨立導(dǎo)航定位精度較差等缺點。此外,高超聲速飛行、高過載機動、環(huán)境劇烈變化引發(fā)的飛行氣動耦合、氣動光學(xué)效應(yīng)又給天文導(dǎo)航的實際應(yīng)用帶來了新的難題[101]。

目前,天文導(dǎo)航主要采用星敏感器進(jìn)行信息采集,結(jié)合星點在圖像傳感器上的投影,進(jìn)行星圖匹配與識別,進(jìn)而獲得導(dǎo)航星圖庫中相應(yīng)星的赤經(jīng)和赤緯。天文導(dǎo)航目前主要關(guān)鍵技術(shù)包括：恒星星圖星點特征提取技術(shù),通過擴展觀測頻譜,進(jìn)一步提升星圖采集效能；太陽圖像邊緣檢測及質(zhì)心提取技術(shù),開展光學(xué)過程的誤差模型構(gòu)建與標(biāo)校,降低氣動效應(yīng)誤差；挖掘多視場、大視場觀測解算機理,提升自主基準(zhǔn)可行性；優(yōu)化星圖處理算法策略,提升天文觀測解算的數(shù)據(jù)更新率；優(yōu)化自主導(dǎo)航濾波及異步時滯信息組合導(dǎo)航算法,提升星光角距、脈沖到達(dá)時間、星光多普勒速度量測觀測量,優(yōu)化不同傳感器敏感源采樣時鐘周期,解決天文組合導(dǎo)航中的異步時滯難題等。

隨著脈沖星天文觀測導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展,脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的概念和方法逐步完善,研究者們逐步舍棄了紅外、射電、可見光和紫外波段脈沖星導(dǎo)航的設(shè)想,將目標(biāo)鎖定在X射線波段上。美國NASA的脈沖星計劃—XNAV計劃主要進(jìn)行脈沖星特征描述、導(dǎo)航算法開發(fā)、探測器原型設(shè)計、應(yīng)用效果評估等,通過航天飛機、國際空間站或其他航天器上的搭載試驗確認(rèn)方案的有效性。2016年,中國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射全球首顆脈沖星導(dǎo)航專用試驗衛(wèi)星——XPNAV-1,其中X射線探測設(shè)備采用具有多層嵌套光學(xué)系統(tǒng)的掠入射式聚焦型X射線探測器,其時間分辨率小于1.5μs,有效探測面積為30 cm2,視場為15′,探測能譜范圍為0.5～10 keV,能夠有效測試X射線探測器性能,觀測典型目標(biāo)脈沖星和驗證脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)體制[102]。

脈沖星導(dǎo)航技術(shù)在工程應(yīng)用中面臨的主要問題是X射線脈沖星探測器硬件設(shè)備研制難度大、設(shè)備復(fù)雜度高,同時需要結(jié)合高可靠模糊度求解方法以及基于真實觀測的時間轉(zhuǎn)換模型的精確建立方法。脈沖星導(dǎo)航方法存在整脈沖周期模糊數(shù)求解問題,目前主要方法包括空間搜索法、位置預(yù)報值快速確定整周模糊度法和零模糊數(shù)假設(shè)法。此外,在更多觀測及實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,需要不斷修正X射線脈沖星導(dǎo)航的量測模型,使其更準(zhǔn)確的接近真實狀態(tài),也是X射線脈沖星導(dǎo)航領(lǐng)域需要解決的重要研究內(nèi)容之一。

仿生導(dǎo)航已成為近年來自主導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點。仿生偏振光導(dǎo)航是以大氣偏振模式為基礎(chǔ)來獲取載體的航向信息,具有全自主、抗干擾、測量誤差不隨時間積累等特點,適用于復(fù)雜環(huán)境下長航時、遠(yuǎn)距離的自主導(dǎo)航,在船舶、航空飛行器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,在實際工程應(yīng)用中,考慮到大氣環(huán)境中大氣粒子、水汽濃度、光影折射等復(fù)雜環(huán)境的干擾,偏振光傳感器接收到的光強信號往往夾雜著大量無用雜波信息,導(dǎo)致傳感器檢測到的光強信息發(fā)生明顯波動,致使輸出的偏航角信息誤差較大,進(jìn)而導(dǎo)致制導(dǎo)精度下降。因此,構(gòu)建精確的大氣偏振態(tài)模型和有效的偏振光導(dǎo)航傳感器物理模型,建立具有物理性質(zhì)的隨機特性偏振角解算模型,從大氣偏振光模式中實時解算高精度航向信息是目前仿生偏振光導(dǎo)航方法中的關(guān)鍵技術(shù)難題。偏振光導(dǎo)航傳感器誤差不隨時間積累,將偏振信息與慣性信息組合,充分利用偏振信息誤差不隨時間積累的優(yōu)勢,與傳統(tǒng)的慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航相比,偏振光/慣性均是被動式導(dǎo)航傳感器,幾乎不受外界人為因素的影響,抗干擾性強,滿足復(fù)雜環(huán)境下自主導(dǎo)航需求。

2.6 多源信息融合技術(shù)

多源信息融合技術(shù)充分利用多種慣性敏感源,將導(dǎo)航子系統(tǒng)和導(dǎo)航模式進(jìn)行深度耦合并研究相應(yīng)的誤差匹配模型以及自適應(yīng)濾波容錯技術(shù),構(gòu)建空天飛行器多源信息融合自主導(dǎo)航系統(tǒng),同時充分利用其他導(dǎo)航傳感器信息對慣導(dǎo)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行誤差校正和反饋,積極拓展慣性導(dǎo)航系統(tǒng)自主智能和協(xié)同執(zhí)行算法,對于自主導(dǎo)航領(lǐng)域多種應(yīng)用需求具有重要意義[103]。目前多源信息融合中關(guān)鍵技術(shù)主要包括：基于多源傳感器的環(huán)境及載體運動感知技術(shù),通過傳感器信號特征選擇、特征子集優(yōu)化、感知算法實現(xiàn)以及載體行為建模,實現(xiàn)運動環(huán)境與載體行為的精確感知；異質(zhì)魯棒高效多源融合技術(shù),根據(jù)不同場景進(jìn)行傳感器自動選擇以及失效切換等；自主在線重構(gòu)最優(yōu)配置技術(shù),根據(jù)載體環(huán)境以及運動狀態(tài)快速收斂出最優(yōu)多源組合導(dǎo)航方式；多源信息融合綜合性能在線評估技術(shù),包括導(dǎo)航精度、濾波魯棒性、導(dǎo)航實時性以及組合導(dǎo)航容錯能力等。隨著載人航天、探月工程等國家重大任務(wù)深入開展,對于動態(tài)過程高、飛行時間短、精度要求高的特殊任務(wù)段導(dǎo)航,例如地球大氣再入返回過程導(dǎo)航、月球著陸起飛上升過程導(dǎo)航、火星進(jìn)入下降著陸導(dǎo)航等,需形成完備的組合導(dǎo)航理論方法和設(shè)計方案。

將多源信息融合技術(shù)與艦船導(dǎo)航控制和航空機載控制系統(tǒng)進(jìn)行信息深度交叉耦合,滿足未來蜂群無人機、高超聲速飛行器、系留氣球、臨近空間飛行器、無人艇等系統(tǒng)初始對準(zhǔn)、快速啟動、運動誤差補償、效果控制、自主/協(xié)同制導(dǎo)、完好性監(jiān)測等技術(shù)需求。

隨著軍民領(lǐng)域技術(shù)需求的發(fā)展,將慣性導(dǎo)航與其他傳感器相結(jié)合構(gòu)成多源信息融合組合導(dǎo)航系統(tǒng),發(fā)揮各自優(yōu)勢,綜合提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度和魯棒性。根據(jù)星圖、測距、多普勒頻移、脈沖星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航器件等傳感參數(shù),利用廣義濾波、廣義融合等算法,實現(xiàn)組合導(dǎo)航載體位置及運動參數(shù)的精確解算。未來可以通過建立太陽系內(nèi)高精度引力場模型以及太陽風(fēng)壓模型,融合其他導(dǎo)航技術(shù),進(jìn)一步提高空天飛行器的導(dǎo)航定位精度。

3 未來發(fā)展方向

航空航天、深空探測、艦船導(dǎo)航、武器裝備應(yīng)用以及以無人駕駛為代表的軍民用領(lǐng)域發(fā)展是自主導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的有力需求牽引。同時,以自主導(dǎo)航技術(shù)為代表的技術(shù)發(fā)展和突破,促進(jìn)了航空、航天、航海、無人作戰(zhàn)等軍事應(yīng)用與自動駕駛、智能化物流等民用需求的交叉融合和跨越式發(fā)展[104]。

經(jīng)過多年發(fā)展,自主導(dǎo)航技術(shù)雖然取得了很大進(jìn)展,但新的應(yīng)用需求對其性能提出了更高要求,在未知環(huán)境下的自主導(dǎo)航問題并未完全解決,在復(fù)雜條件下的導(dǎo)航普適性和可靠性還有待加強。自主導(dǎo)航技術(shù)未來發(fā)展主要集中在以下幾個方向：

1) 導(dǎo)航技術(shù)的高可靠性、高集成化

天地往返飛行器、作戰(zhàn)飛機與艦艇編隊等體系要求功能復(fù)雜、任務(wù)多樣,同時重量、功耗、體積等約束嚴(yán)重,這些都對制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)在高可靠系統(tǒng)設(shè)計、實時性故障檢測等方面提出了更高的要求?，F(xiàn)有成熟的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)架構(gòu)多是通過簡單的設(shè)備冗余備份關(guān)系提高制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的可靠性,但這都給系統(tǒng)的重量、功耗、體積、實時性等指標(biāo)帶來不利的影響。因此未來還需要從系統(tǒng)高可靠性、高集成化等方面設(shè)計適應(yīng)于飛行器需求的導(dǎo)航系統(tǒng)體系,主要包括2個方面：一是硬件集成,基于新型集成工藝的感知、處理、通信、執(zhí)行和能源等功能器件實現(xiàn)高密度集成挑戰(zhàn)“摩爾定律”；二是軟件融合,基于硬件平臺的綜合管理系統(tǒng)、多源信息融合、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制算法、協(xié)同組網(wǎng)軟件模塊等提升系統(tǒng)功能實現(xiàn)“功能倍增”[105]。具體需開展導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計、三維異構(gòu)集成、自標(biāo)定和健康診斷、可靠性建模與試驗等技術(shù)攻關(guān),滿足未來低成本、高可靠性和高集成化需求。

2) 導(dǎo)航技術(shù)的自主化、智能化

無人集群自主導(dǎo)航涉及衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性傳感器、地磁、大氣傳感器、視覺、WIFI等傳感器等多源信息,并對信息進(jìn)行融合、智能分析與自主導(dǎo)航,來進(jìn)一步提高無人集群的感知定位精度與可靠性。但是面對無人集群多源傳感器海量數(shù)據(jù)的處理,在現(xiàn)有的中心節(jié)點式的無人集群導(dǎo)航技術(shù)還無法滿足對海量可用導(dǎo)航信息的甄別篩選,以實現(xiàn)對感知準(zhǔn)確定位信息的最優(yōu)融合。

自主化、智能化導(dǎo)航體系依托衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),以低軌星、空地偽衛(wèi)星、地面5G等室內(nèi)外通信網(wǎng)絡(luò)以及慣性導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等多種定位導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)同化導(dǎo)航,基于網(wǎng)絡(luò)化時空資源統(tǒng)一管理與云端協(xié)同監(jiān)測處理,以形成與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)空間信號兼容、通導(dǎo)融合以及時空統(tǒng)一的智能化導(dǎo)航增強網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建從地下到深空,具有“泛在、精準(zhǔn)、統(tǒng)一、融合、智能”等特征的自主化、智能化導(dǎo)航系統(tǒng)體系。

近年來,類腦感知和認(rèn)知機理的研究迅猛發(fā)展對無人集群的自主導(dǎo)航提供了新技術(shù)途徑。神經(jīng)科學(xué)家通過揭示了人體大腦中位置細(xì)胞、頭朝向細(xì)胞、網(wǎng)格細(xì)胞之間的作用機理,闡明了人體大腦進(jìn)行位置定位和方向感知的方式。此外,科學(xué)家通過研究鳥群、蜂群、魚群和蟻群等生物腦的感知定位機理,為類腦處理的人工智能發(fā)展提供了新的發(fā)展方向,為無人集群導(dǎo)航提供了新的思路和途徑。

在受控環(huán)境中,擁有完整的數(shù)據(jù)集和明確定義的目標(biāo)和環(huán)境參數(shù)使精確導(dǎo)航不再困難。而在現(xiàn)實的復(fù)雜、不可預(yù)測環(huán)境中,比如關(guān)于環(huán)境中風(fēng)、海洋水文的數(shù)據(jù)完整性和可預(yù)測性通常較差,深度學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)已成為智能自主導(dǎo)航的主要發(fā)展趨勢。根據(jù)英國《自然》雜志2020年發(fā)表的一項計算機科學(xué)最新突破,加拿大科學(xué)家團(tuán)隊完全由人工智能控制的氣球,成功實現(xiàn)自主導(dǎo)航,在平流層一連數(shù)周待在原地[106]。通過深度強化學(xué)習(xí)可以訓(xùn)練人工智能系統(tǒng)以及無人集群系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下的決策。

3) 導(dǎo)航器件的高精度、新型化

隨著載人探月工程、行星探測任務(wù)的提出以及新一代海、陸、空、天防務(wù)裝備的緊迫需求,長壽命和高可靠仍是慣性敏感器件主要關(guān)注的性能指標(biāo)。

① 由于半球諧振陀螺具有質(zhì)量輕、緊湊、工作在真空條件下、壽命高、對輻射和電磁擾動的影響有一定抵抗能力等獨特的優(yōu)點,在航天器應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒈３种幌?2018年法國賽峰公司報道其半球諧振陀螺在2 000 h內(nèi)的零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.0001 °/h(1σ),標(biāo)度因數(shù)非線性低至0.1 ppm(1 ppm=10-6),相比于其他陀螺具有明顯的優(yōu)勢[107]。

② 光子晶體光纖是一種沿軸向均勻排列著氣孔的新型石英光纖,其纖芯為純石英或空氣孔,包層由周期排列的空氣孔構(gòu)成。光子晶體具有更高的溫度穩(wěn)定性和更好的抗輻照特性,非常適合應(yīng)用于空間領(lǐng)域。隨著量子光脈沖以及超導(dǎo)探測器等新技術(shù)的突破,高精度光纖陀螺可實現(xiàn)10-5°/h(1σ) 及可能更高的精度量級[108]。若進(jìn)一步突破非線性光波干涉技術(shù)、光原子混合干涉技術(shù),高精度光纖陀螺儀理論精度可能達(dá)到10-6°/h(1σ) 精度水平[109]。

③ 以冷原子干涉技術(shù)為核心的原子慣性傳感技術(shù)被視為下一代慣性技術(shù),為慣性技術(shù)提供了新的前景和途徑,但從理論研究走向現(xiàn)實,還要攻克很多技術(shù)難點。借助冷原子技術(shù),可能研制出最精確的加速度計、陀螺儀(理論優(yōu)于10-8°/h)、精密時鐘及重力梯度儀,不借助外部輔助技術(shù)就可以達(dá)到超高精度導(dǎo)航水平。

④ 星敏感器是以恒星為測量對象的姿態(tài)測量儀器,磁強計、量子磁力儀等磁力敏感器則是以磁場為對象的姿態(tài)測量儀器。星敏感器和地磁敏感器的導(dǎo)航方案最大的特點是成本低、精度高、可靠性高,自主性強。隨著星敏感器動態(tài)性能的逐漸提高和磁敏感器的關(guān)鍵技術(shù)突破,將大大擴展兩者的應(yīng)用范圍和工程價值。

4) 生產(chǎn)制造個性化、快速化

自主導(dǎo)航技術(shù)近些年取得了飛速發(fā)展,但是其制造環(huán)節(jié)卻成為制約其精度提高、性能提升、效率提高、成本降低的突出短板,一定程度上困擾著導(dǎo)航技術(shù)再進(jìn)步的步伐。近些年迅猛發(fā)展的三維數(shù)字化增材制造(3D打印)等新技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)制造,從裝備到工藝、從材料到設(shè)計的理念,對制造業(yè)形成了革命性的沖擊。慣性儀表等自主導(dǎo)航儀器及系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)的加工精度和材料的嚴(yán)格要求,在傳統(tǒng)的材料及工藝下,動輒周期達(dá)數(shù)個月至一年,3D打印技術(shù)使得產(chǎn)品的加工周期縮短至一周之內(nèi),甚至縮短至小時量級。

在輕質(zhì)化、快速化等個性化需求下,諸如鋁基碳化硅等無機非金屬材料、非金屬復(fù)合材料也逐漸在自主導(dǎo)航產(chǎn)品中大量應(yīng)用。

綜上,近年來導(dǎo)航技術(shù)不斷發(fā)展,新體制、多功能、全弧段的自主導(dǎo)航系統(tǒng)不斷涌現(xiàn),慣性技術(shù)與其他導(dǎo)航技術(shù)的結(jié)合不斷加強和深化,滿足了國家載人航天、深空探測、軍事裝備等一系列任務(wù)的需要。隨著軍事以及民用需求的更高要求,自主導(dǎo)航技術(shù)面臨著新任務(wù)帶來的新挑戰(zhàn),高動態(tài)、高精度、長壽命、輕小型、多功能、組合化、協(xié)同化將成為未來自主導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的新目標(biāo)。