王巍,邢朝洋,馮文帥

1.中國(guó)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(shí)代光電科技有限公司,北京 100094

自主導(dǎo)航技術(shù)是指運(yùn)動(dòng)載體在不依賴外部支持的情況下,僅利用自身攜帶的測(cè)量設(shè)備實(shí)時(shí)確定自身相對(duì)某個(gè)坐標(biāo)系的位置、姿態(tài)和速度,來(lái)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(lái)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(lái)講,所有不需要外部支持設(shè)備,可自己測(cè)得或主動(dòng)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(chǎng)景。根據(jù)不同的導(dǎo)航需要,有些運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以其具有獨(dú)立性、自主性,被普遍應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)載體的位姿檢測(cè)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(jué)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(lái)越復(fù)雜,推動(dòng)了自主導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展。本文針對(duì)自主導(dǎo)航技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié),從陸海空天等多個(gè)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(diǎn)；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(wèn)題及其后續(xù)展望,為中國(guó)未來(lái)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(yùn)行的核心技術(shù),是航天器實(shí)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(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航不僅能夠降低航天器對(duì)地面測(cè)控的依賴程度,提高自主生存能力,還能緩解國(guó)土面積有限對(duì)地面測(cè)控站布局的制約,提升航天器在測(cè)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(jué)導(dǎo)航[17-20]等。

無(wú)論是歐美國(guó)家還是中國(guó),早期的運(yùn)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(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航控制,中國(guó)也為長(zhǎng)征系列火箭自主研制了液浮陀螺平臺(tái)、動(dòng)力調(diào)諧陀螺四軸平臺(tái)等慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[21]。

隨著對(duì)運(yùn)載火箭運(yùn)載能力和控制精度要求的不斷提升,運(yùn)載火箭對(duì)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(gè)慣性儀表精度的同時(shí),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(yùn)載火箭的入軌精度要求與穩(wěn)定性要求。在慣測(cè)產(chǎn)品多冗余配置方面,一種方案是采用光纖/激光慣性測(cè)量組合系統(tǒng)作為平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助,配合火箭飛行過(guò)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(zhǎng)征系列所有的運(yùn)載火箭,為中國(guó)運(yùn)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(yùn)載火箭自主導(dǎo)航的主流[23-24]。

高機(jī)動(dòng)遠(yuǎn)程導(dǎo)彈采用的主流慣性儀器為平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[25-27]。隨著技術(shù)發(fā)展,對(duì)高機(jī)動(dòng)導(dǎo)彈的實(shí)時(shí)機(jī)動(dòng)性能提出了更高需求。這就要求慣導(dǎo)平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)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(tái)其設(shè)計(jì)本身必然會(huì)限制姿態(tài)范圍,因此一種在原有平臺(tái)外增設(shè)隨動(dòng)框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案被提出,這種四軸平臺(tái)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(jī)動(dòng)遠(yuǎn)程導(dǎo)彈進(jìn)行大姿態(tài)變軌或大姿態(tài)角飛行時(shí),內(nèi)框架的三軸的垂直狀態(tài)保持不變,從而實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)穩(wěn)定平臺(tái)[29]。近年來(lái),隨著“三自”(自標(biāo)定、自瞄準(zhǔn)、自檢測(cè))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(shí)。通過(guò)增加框架使捷聯(lián)系統(tǒng)在發(fā)射前的地面上實(shí)現(xiàn)自標(biāo)定功能,避免了定期拆彈標(biāo)定的問(wèn)題,提高了武器系統(tǒng)的實(shí)戰(zhàn)化水平?！叭浴惫鈱W(xué)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)相對(duì)于“三自”平臺(tái)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于小型化、重量輕、快速啟動(dòng)、誤差模型簡(jiǎn)單等,使其很快在高機(jī)動(dòng)中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈系統(tǒng)中脫穎而出[30],但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性還有待全壽命周期的實(shí)際驗(yàn)證。

進(jìn)入21世紀(jì),各國(guó)對(duì)航天航空更加重視,并投入大量的人力、財(cái)力開(kāi)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(cè)量單元、磁力/重力場(chǎng)測(cè)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(guó)內(nèi)外多個(gè)型號(hào)任務(wù)中[31-34]。美國(guó)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(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)早在研制“好奇號(hào)”火星探測(cè)車時(shí)便已形成集慣性導(dǎo)航、視覺(jué)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(hào)”火星探測(cè)器已于2020年7月30日發(fā)射升空,“毅力號(hào)”在導(dǎo)航方面采用了美國(guó)最先進(jìn)最新型號(hào)的導(dǎo)航設(shè)備,在火星車上配備有2個(gè)最新型號(hào)的Navcom導(dǎo)航相機(jī),融合視覺(jué)和車輪里程測(cè)量與綜合滑移估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航。在提升導(dǎo)航性能的同時(shí),美國(guó)也在積極開(kāi)展新技術(shù)研究與成本控制,NASA的SEXTANT項(xiàng)目已經(jīng)完成在軌完全自主的X射線脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)。中國(guó)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(guó)首個(gè)火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”成功發(fā)射升空,截至目前已成功實(shí)現(xiàn)地火軌道的自主變軌,充分展示了中國(guó)航天器自主導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)力水平。

靈活、低成本的進(jìn)入空間是未來(lái)航天發(fā)射的主流趨勢(shì),美國(guó)SpaceX公司的獵鷹9號(hào)火箭發(fā)射成本已經(jīng)降低到6 000萬(wàn)美元,遠(yuǎn)低于俄羅斯聯(lián)盟號(hào)火箭的報(bào)價(jià)[36]。航天運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)支撐中國(guó)按需開(kāi)展低成本、大規(guī)模進(jìn)出空間活動(dòng)；開(kāi)展可重復(fù)天地往返航天運(yùn)輸系統(tǒng)研制,提供廉價(jià)、可靠、快速、便捷的空間運(yùn)輸服務(wù),將大幅提升中國(guó)進(jìn)出空間和利用空間能力,而重復(fù)使用運(yùn)載器的航班化應(yīng)用將是未來(lái)中國(guó)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(zhǎng)航時(shí)的特點(diǎn),應(yīng)從傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航擴(kuò)展至天文導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等,從單一導(dǎo)航源擴(kuò)展至綜合導(dǎo)航及飛行管理,從運(yùn)動(dòng)信息感知擴(kuò)展至導(dǎo)航定位授時(shí)一體化,從途中導(dǎo)航擴(kuò)展至全程導(dǎo)航,最終為用戶提供滿足全時(shí)/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(jī)或航空飛行器能否安全、準(zhǔn)確、準(zhǔn)時(shí)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(shí)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(guò)機(jī)載儀表數(shù)據(jù)的人工計(jì)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(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成功組網(wǎng),現(xiàn)已形成以美國(guó)GPS,俄羅斯GLONASS,中國(guó)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(jī)之間的偽距,通過(guò)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(jī)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(jī)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(wú)人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ),例如美國(guó)的“全球鷹”無(wú)人機(jī)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(guó)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(yùn)輸機(jī)、超音速戰(zhàn)斗機(jī)等軍用飛機(jī)上[45-46]。此外其他國(guó)際大國(guó)也在此領(lǐng)域投入大量研究與實(shí)際應(yīng)用,俄羅斯空軍的蘇34、蘇35戰(zhàn)斗機(jī)中使用了慣性/衛(wèi)星/地形輔助組合導(dǎo)航系統(tǒng),法國(guó)空軍的幻影2000戰(zhàn)斗機(jī)中也運(yùn)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(jī)作戰(zhàn)能力[47]。

由于空域中很難長(zhǎng)時(shí)間設(shè)置標(biāo)志性參照物,因此飛機(jī)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(guò)陸基無(wú)線電或星基導(dǎo)航進(jìn)行定時(shí)校準(zhǔn)與位置修正[48-49]。由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的獨(dú)立性與全時(shí)性、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)更新實(shí)時(shí)性等特性使其成為解決飛行器自身位姿檢測(cè)的關(guān)鍵[50],但慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于原理上的誤差機(jī)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(duì)超高速、射程遠(yuǎn)的飛行器,通常會(huì)在慣性系統(tǒng)之外,通過(guò)GPS、天文等導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行定時(shí)修正。

中國(guó)慣性導(dǎo)航技術(shù)近年來(lái)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(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)慣導(dǎo)等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、無(wú)人機(jī)等航空器控制系統(tǒng)中[51]。為了降低飛機(jī)重量簡(jiǎn)化機(jī)載設(shè)備,降低飛機(jī)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(wú)線電導(dǎo)航也就是地面導(dǎo)航臺(tái),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(wú)方向性無(wú)線電信標(biāo)(Non-Directional Beacon, NDB)系統(tǒng)[52]、甚高頻全向無(wú)線電信標(biāo)(VHF Omni-directional Range, VOR)[53]和測(cè)距機(jī)(Distance Measuring Equipment, DME)系統(tǒng)[54]等。今年6月,中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成功組網(wǎng),標(biāo)志著中國(guó)在衛(wèi)星定位導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了獨(dú)立自主,提高了中國(guó)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(duì)國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴,從而合理推進(jìn)中國(guó)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(huì)發(fā)展和軍用技術(shù)不斷發(fā)展,海洋探索與開(kāi)發(fā)已成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn),遠(yuǎn)洋航行、遠(yuǎn)海捕撈、深海石油開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為各國(guó)聚焦要點(diǎn),并對(duì)艦船自主導(dǎo)航技術(shù)提出了越來(lái)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(dòng)態(tài)性和不可重復(fù)性等特點(diǎn)。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(dòng)識(shí)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(kù)中調(diào)出海圖信息并呈現(xiàn)在顯示器上,但是各國(guó)的電子海圖格式兼容性不同,在轉(zhuǎn)換使用過(guò)程中難免出現(xiàn)要素缺失等問(wèn)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(duì)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(diǎn)研究方向,無(wú)人艇已開(kāi)始應(yīng)用于海洋環(huán)境調(diào)查、海洋資源探測(cè)、海事訓(xùn)練測(cè)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(wú)人水面艇的航行能力[58]。各國(guó)在無(wú)人艇導(dǎo)航方面開(kāi)展了豐富的研究,例如美國(guó)的“斯巴達(dá)偵察兵”無(wú)人艇、中國(guó)的“天象一號(hào)”無(wú)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(wú)人水面艇可采用的一種導(dǎo)航方式,并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了組合導(dǎo)航完好性監(jiān)測(cè)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(guò)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(dòng)態(tài)時(shí)變環(huán)境下路徑規(guī)劃問(wèn)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?yàn)樗橘|(zhì)對(duì)無(wú)線電的強(qiáng)烈吸收效應(yīng),衛(wèi)星導(dǎo)航為代表的無(wú)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(lái)了挑戰(zhàn)[63]。近年來(lái),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(chǎng)(地磁場(chǎng)、重力場(chǎng))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(jì)程儀 (Doppler Velocity Log,DVL)是一種聲吶測(cè)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(shí)間積累,具有較強(qiáng)的抗干擾性能。多種組合導(dǎo)航方式也應(yīng)運(yùn)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(cè)水下機(jī)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(guò)車載設(shè)備對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)信息和周圍環(huán)境進(jìn)行自主感知,將感知數(shù)據(jù)通過(guò)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(wú)人駕駛模式下的自主導(dǎo)航[67]。智能無(wú)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(jī)器視覺(jué)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(jì)等[69]。

無(wú)人駕駛車輛導(dǎo)航技術(shù)要求車載計(jì)算機(jī)可以根據(jù)多種測(cè)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(wú)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(hào)阻擋,并有可能導(dǎo)致定位錯(cuò)誤等問(wèn)題,車體的自身位姿方向也無(wú)法通過(guò)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(jì),但其定位精度較低。因此無(wú)人駕駛車輛通常會(huì)增加視覺(jué)相機(jī)、激光雷達(dá)等傳感器,結(jié)合視覺(jué)識(shí)別和算法使得無(wú)人駕駛汽車可以對(duì)周圍實(shí)時(shí)環(huán)境進(jìn)行感知[71]。此外,無(wú)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(shí)根據(jù)城市規(guī)劃進(jìn)行更新。高精細(xì)數(shù)字地圖與實(shí)時(shí)周圍環(huán)境感知信息的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確匹配,成為目前無(wú)人駕駛汽車的發(fā)展方向。近期,Google公司研發(fā)的無(wú)人駕駛汽車已經(jīng)獲得美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)項(xiàng)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(guò)GPS以及路標(biāo)等進(jìn)行導(dǎo)航行駛[72]。中國(guó)以百度公司為代表的自動(dòng)駕駛汽車企業(yè)開(kāi)展了大量技術(shù)開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn),現(xiàn)已有百度自動(dòng)駕駛出租車Apollo GO在北京等城市開(kāi)展服務(wù)。

為克服無(wú)人駕駛汽車對(duì)地圖的依賴,近年來(lái)即時(shí)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(diǎn)是無(wú)需事先繪制好數(shù)字地圖,可以在車輛運(yùn)動(dòng)的同時(shí),依照傳感器實(shí)時(shí)測(cè)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(guò)算法規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑實(shí)現(xiàn)避障、巡線等操作[75]。SLAM技術(shù)同時(shí)解決了定位與地圖構(gòu)建問(wèn)題,并已大量使用于機(jī)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(gè)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(chǎng)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(zhēng)中便為士兵提供了空曠戶外場(chǎng)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(gè)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(hào)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(hào)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(lái),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(cè)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(shì),便于實(shí)現(xiàn)單兵個(gè)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(wèn)題,為此單兵自主導(dǎo)航通常也會(huì)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(wú)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(chǎng)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(yùn)而生,因?yàn)榇嬖谙鄬?duì)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(duì)的整體來(lái)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(duì)導(dǎo)航作為一種補(bǔ)充的自主導(dǎo)航手段。所以機(jī)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(wú)人機(jī)群、機(jī)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(diǎn)。

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(chǎng)(地磁場(chǎng)、重力場(chǎng))導(dǎo)航和無(wú)線電導(dǎo)航等。從應(yīng)用要求和技術(shù)研究進(jìn)展來(lái)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(shì),已成為未來(lái)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(shí)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(duì)慣性技術(shù)提出了更高的要求。比如：高精度長(zhǎng)航時(shí)應(yīng)用對(duì)慣性系統(tǒng)可靠性、精度及時(shí)間保持的更高要求；低精度大動(dòng)態(tài)應(yīng)用對(duì)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(zhǎng)壽命、低重量、小型化和低功耗的高要求；武器裝備領(lǐng)域?qū)?、測(cè)量范圍、快速啟動(dòng)時(shí)間、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性、長(zhǎng)期免標(biāo)定方面的高要求等。上述需求對(duì)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(jì)等慣性儀表是海、陸、空、天各類運(yùn)動(dòng)載體導(dǎo)航定位、制導(dǎo)控制、姿態(tài)測(cè)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(duì)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(duì)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(jì)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(diǎn)和趨勢(shì),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(jī)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(shí)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(jí)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(shí)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(lái)高精度光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性以及隨機(jī)游走系數(shù)等性能已經(jīng)超越激光陀螺,隨著微弱信號(hào)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(lái)10～20年實(shí)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(shí)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(wú)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(shí)現(xiàn)芯片化導(dǎo)航級(jí)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(zhǎng)時(shí)間。

加速度計(jì)技術(shù)有以下發(fā)展特點(diǎn)和趨勢(shì):

1) 三浮擺式積分陀螺加速度計(jì)技術(shù)

針對(duì)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(jì)需配合慣性平臺(tái)系統(tǒng)完成儀表長(zhǎng)期精度提升、儀表長(zhǎng)期通電可靠性提升等技術(shù)攻關(guān),重點(diǎn)突破新型浮子支承技術(shù)、浮油長(zhǎng)期高溫條件穩(wěn)定性技術(shù)、三浮陀螺加速度計(jì)長(zhǎng)期通電精度評(píng)價(jià)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)提升產(chǎn)品精度及長(zhǎng)期通電穩(wěn)定性的目標(biāo)。

2) 石英撓性加速度計(jì)技術(shù)

針對(duì)軍民領(lǐng)域高精度導(dǎo)航與制導(dǎo)需求,目前需重點(diǎn)開(kāi)展加速度計(jì)偏值精度提升研究、加工實(shí)現(xiàn)方法及評(píng)估方法研究、加速度計(jì)技術(shù)成熟度提升研究等工作,突破高精度加速度計(jì)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(jì)精密裝配技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)提升加速度計(jì)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)水平的目標(biāo),滿足未來(lái)高精度導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)需求。

3) 石英振梁加速度計(jì)技術(shù)

針對(duì)軍民領(lǐng)域?qū)κ⒄窳杭铀俣扔?jì)的應(yīng)用需求,開(kāi)展石英振梁加速度計(jì)總體設(shè)計(jì)、石英振梁設(shè)計(jì)及微加工、高穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)電路及頻率檢測(cè)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(shí)現(xiàn)高精度、低功耗、大量程加速度計(jì)研制目標(biāo)。

4) MEMS加速度計(jì)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(diǎn),重點(diǎn)開(kāi)展MEMS加速度計(jì)低溫度系數(shù)三層硅鍵合技術(shù)、數(shù)字溫度補(bǔ)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(hào)測(cè)試技術(shù)和抗過(guò)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(bǔ)償技術(shù)、抗高過(guò)載集成設(shè)計(jì)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)MEMS加速度計(jì)的工程化和典型環(huán)境應(yīng)用。同時(shí),探索硅微振梁加速度計(jì),向更高精度發(fā)展。

5) 原子加速度計(jì)技術(shù)

針對(duì)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(jì)重點(diǎn)開(kāi)展環(huán)境噪聲補(bǔ)償技術(shù)研究工作,突破超高精度加速度環(huán)境檢測(cè)技術(shù)、環(huán)境噪聲補(bǔ)償技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),滿足未來(lái)高精度慣性平臺(tái)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(lái)美國(guó)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(guò)三維異構(gòu)集成技術(shù)制造成具有復(fù)雜功能的芯片級(jí)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(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),對(duì)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(diǎn)不同,單純慣性導(dǎo)航往往不能滿足任務(wù)需求,所以越來(lái)越多的場(chǎng)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(guò)幾十年的發(fā)展,目前導(dǎo)航型GNSS已經(jīng)廣泛搭載在對(duì)地觀測(cè)小衛(wèi)星上,為姿態(tài)控制系統(tǒng)、地觀測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)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(duì)象是低于GNSS衛(wèi)星軌道的中、低軌航天器。近年來(lái),利用GNSS信號(hào)的高軌航天器自主導(dǎo)航成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[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(hào)處理的星載多模GNSS接收機(jī),是解決高軌INS/GNSS組合導(dǎo)航問(wèn)題的基礎(chǔ)。

國(guó)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(zhǎng)足的進(jìn)步。2014年,在“嫦娥五號(hào)”飛行試驗(yàn)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(guò)程,幫助返回器達(dá)到了落點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星搭載,成功完成了對(duì)中國(guó)北斗高軌導(dǎo)航信號(hào)的接收,評(píng)估表明高軌GNSS定軌精度優(yōu)于50 m。目前,國(guó)產(chǎn)高軌GNSS接收機(jī)已應(yīng)用到預(yù)警、遙感等多個(gè)高軌航天器平臺(tái),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(cè)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(jī)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(qiáng),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(lái)進(jìn)行飛行輔助控制、精密進(jìn)近引導(dǎo)、誤差補(bǔ)償、目標(biāo)定位等功能,上述功能對(duì)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(shí)等時(shí)空基準(zhǔn)信息,同時(shí)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(shí)也是艦船平臺(tái)和武器裝備系統(tǒng)實(shí)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(xiǎn)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),將廣泛應(yīng)用于無(wú)人自動(dòng)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(shí)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(lái)獲取精確的定位信息,同時(shí)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(shí)現(xiàn)車輛的高精度自主導(dǎo)航[90]。

2) 慣性+測(cè)距/測(cè)速組合導(dǎo)航

慣性+測(cè)距/測(cè)速組合導(dǎo)航是航天器著陸過(guò)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(guò)程。慣性+測(cè)距/測(cè)速組合導(dǎo)航最早是針對(duì)月球著陸探測(cè)任務(wù)提出的,其中測(cè)距儀或測(cè)高儀用于測(cè)量航天器相對(duì)月面的高度,多普勒雷達(dá)用于測(cè)量航天器速度,并使用最小方差估計(jì)技術(shù)完成對(duì)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(guó)啟動(dòng)了探月工程,中國(guó)的月球著陸器使用的也是慣性+測(cè)距/測(cè)速修正的著陸組合導(dǎo)航方案,在“嫦娥三號(hào)”、“嫦娥四號(hào)”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(jí)水平,處于國(guó)際前列地位。未來(lái),月球著陸任務(wù)將向著更高精度方向發(fā)展,美國(guó)國(guó)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(diǎn)著陸要求。要實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)著陸,導(dǎo)航系統(tǒng)必須融合新的測(cè)量手段以改善現(xiàn)有慣導(dǎo)+測(cè)距/測(cè)速組合導(dǎo)航方案在水平位置精度上的不足。但慣導(dǎo)+測(cè)距/測(cè)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(lái)越依賴慣性+測(cè)距/測(cè)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(jī)載慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。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(duì)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(jué)相對(duì)測(cè)量

在空間對(duì)接、在軌服務(wù)與操作以及空間對(duì)抗任務(wù)中,都需要獲取2個(gè)航天器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),一般使用各類雷達(dá)、相機(jī)等相對(duì)測(cè)量敏感器對(duì)目標(biāo)航天器進(jìn)行測(cè)量。由于主動(dòng)航天器需要頻繁的機(jī)動(dòng)控制,還需要通過(guò)慣性測(cè)量敏感器測(cè)量自身的加速度。因此在相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制中,一般采用慣性+相對(duì)測(cè)量導(dǎo)航的方式[93]。在遠(yuǎn)距離上,相對(duì)測(cè)量敏感器一般包括微波雷達(dá)、激光測(cè)距儀、激光雷達(dá)、可見(jiàn)光相機(jī)、紅外相機(jī)等[94]。中國(guó)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(huì)對(duì)接敏感器構(gòu)建了由遠(yuǎn)及近的相對(duì)測(cè)量系統(tǒng)。其中成像式交會(huì)對(duì)接敏感器經(jīng)歷了從目標(biāo)主動(dòng)發(fā)光、敏感器激光照明、激光點(diǎn)云成像3個(gè)發(fā)展階段,敏感器的測(cè)量能力逐漸增強(qiáng),適應(yīng)的航天器從合作目標(biāo)擴(kuò)展到非合作目標(biāo),并實(shí)現(xiàn)了合作/非合作一體化[95]。此外,基于慣性+雷達(dá)/視覺(jué)相對(duì)測(cè)量技術(shù),同時(shí)結(jié)合里程計(jì)等傳感器,實(shí)現(xiàn)里程計(jì)誤差在線標(biāo)定、車輪打滑、滑行和側(cè)滑故障檢測(cè)與識(shí)別、運(yùn)動(dòng)學(xué)非完整約束傳感器參數(shù)在線辨識(shí)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(wú)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(shí)時(shí)觀測(cè),并通過(guò)星歷解算得到當(dāng)前航天探測(cè)器狀態(tài)值,慣性+天文導(dǎo)航是深空探測(cè)器在距離太陽(yáng)和各行星較遠(yuǎn)時(shí)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(duì)航天器自主導(dǎo)航性能的要求越來(lái)越高,將慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行信息融合,可實(shí)現(xiàn)多種導(dǎo)航方法之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。典型實(shí)例是基于地球敏感器和慣性測(cè)量單元的自主導(dǎo)航方法,通過(guò)對(duì)地心矢量或其他天體方向矢量進(jìn)行觀測(cè),結(jié)合軌道動(dòng)力學(xué)方程和非引力加速度測(cè)量信息,可估計(jì)得到航天器的運(yùn)動(dòng)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(gè)發(fā)展方向。例如,將星敏感器與微機(jī)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(shí)現(xiàn)較高精度,而且獲得了更大動(dòng)態(tài)范圍。

2.3 地磁導(dǎo)航技術(shù)

地磁場(chǎng)作為一種重要的地球矢量場(chǎng),是空間位置與時(shí)間的函數(shù),具有全天候、全天時(shí)、全地域、中高精度、高隱蔽性和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),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(jī)、潛艇以及導(dǎo)彈技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[97]。

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

1) 高精度、實(shí)時(shí)修正的地磁場(chǎng)模型

目前,由于國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF)和世界磁場(chǎng)模型(WMM)等全球地磁場(chǎng)模型重點(diǎn)描述約占總磁場(chǎng)值95%左右的主磁場(chǎng),中國(guó)地磁參考場(chǎng)(CGRF)等區(qū)域地磁場(chǎng)模型所依據(jù)的測(cè)量數(shù)據(jù)有限,分辨率很低,缺乏對(duì)地磁場(chǎng)時(shí)變特性、空間特性的深入分析以及地磁場(chǎng)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(duì)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(shí)時(shí)修正的地磁場(chǎng)模型。

2) 地磁場(chǎng)信息精確測(cè)量技術(shù)

空天飛行器和艦船、車輛等載體是各種無(wú)磁、有磁材料的組合體,其中有磁材料能夠產(chǎn)生磁場(chǎng),并和地磁場(chǎng)一起被磁敏感器測(cè)量到。由于磁敏感器并不能把這兩種磁場(chǎng)區(qū)分開(kāi)來(lái),從而導(dǎo)致了對(duì)地磁場(chǎng)的測(cè)量精度偏低,因此對(duì)干擾磁場(chǎng)進(jìn)行消除或補(bǔ)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(duì)于如何消除或補(bǔ)償干擾磁場(chǎng)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(shí)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(wèn)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(bǔ)傳統(tǒng)導(dǎo)航手段不足方面仍然具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.4 重力梯度導(dǎo)航技術(shù)

地球重力場(chǎng)體現(xiàn)的是地球本身的內(nèi)在特性,具有無(wú)源、穩(wěn)定的特點(diǎn),重力場(chǎng)會(huì)隨著地理環(huán)境的改變而變化。重力梯度是重力場(chǎng)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(huì)向外界發(fā)射和接收電磁波信號(hào),是一種隱蔽、穩(wěn)定和無(wú)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(duì)淺層的異常體和突變的場(chǎng)源邊界具有較高的分辨率,未來(lái)應(yīng)用前景廣闊[99]。

對(duì)于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和飛機(jī)等飛行器來(lái)說(shuō),其飛行過(guò)程中不可避免的會(huì)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(duì)提高遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的導(dǎo)航精度具有重要意義。重力場(chǎng)匹配導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)重力梯度儀測(cè)量地球重力場(chǎng)進(jìn)行定位,不需要發(fā)射和接收無(wú)線電信號(hào),不易受外界干擾,作為導(dǎo)航信號(hào)源的地球重力場(chǎng)具有規(guī)律性強(qiáng)和覆蓋率高的優(yōu)點(diǎn),能夠滿足“高精度、長(zhǎng)航時(shí)、自主性、無(wú)源性”的導(dǎo)航需求,是自主導(dǎo)航領(lǐng)域未來(lái)重要研究方向。

對(duì)于水下潛器來(lái)說(shuō),高精度水下導(dǎo)航是水下潛器執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中必須突破的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性測(cè)量單元會(huì)不可避免的產(chǎn)生測(cè)量誤差,且誤差會(huì)隨著時(shí)間的積累而逐步累積,水下潛器在長(zhǎng)航時(shí)條件下無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的定位,因此基于地球物理場(chǎng)的重力梯度導(dǎo)航方法受到越來(lái)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(duì)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(duì)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(méi)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(chǎng)輔助導(dǎo)航中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于目前中國(guó)動(dòng)基座重力梯度測(cè)量技術(shù)尚不成熟,而歐美等國(guó)家的該項(xiàng)技術(shù)對(duì)中國(guó)還實(shí)行封鎖,難以獲取實(shí)際測(cè)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(duì)基準(zhǔn)圖高分辨率、高精度的要求。

2) 高精度重力梯度測(cè)量技術(shù)

目前美國(guó)和澳大利亞重力梯度儀的測(cè)量精度可達(dá)1厄缶(Eotvos,1厄缶=10-9CGS單位),而國(guó)內(nèi)重力梯度儀的測(cè)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(lái)國(guó)內(nèi)諸多單位和學(xué)者對(duì)重力梯度測(cè)量的原理和方法進(jìn)行探討,并開(kāi)展了重力梯度儀的相關(guān)理論設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用研究,但是,總體來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)的重力梯度測(cè)量精度還不能滿足高精度慣性導(dǎo)航的要求,對(duì)重力梯度數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算成為了未來(lái)一段時(shí)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(guò)天體測(cè)量?jī)x器被動(dòng)探測(cè)天體位置,經(jīng)解算確定測(cè)量點(diǎn)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(chǎng)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(shí)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(dú)立導(dǎo)航定位精度較差等缺點(diǎn)。此外,高超聲速飛行、高過(guò)載機(jī)動(dòng)、環(huán)境劇烈變化引發(fā)的飛行氣動(dòng)耦合、氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)又給天文導(dǎo)航的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)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(diǎn)在圖像傳感器上的投影,進(jìn)行星圖匹配與識(shí)別,進(jìn)而獲得導(dǎo)航星圖庫(kù)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(diǎn)特征提取技術(shù),通過(guò)擴(kuò)展觀測(cè)頻譜,進(jìn)一步提升星圖采集效能；太陽(yáng)圖像邊緣檢測(cè)及質(zhì)心提取技術(shù),開(kāi)展光學(xué)過(guò)程的誤差模型構(gòu)建與標(biāo)校,降低氣動(dòng)效應(yīng)誤差；挖掘多視場(chǎng)、大視場(chǎng)觀測(cè)解算機(jī)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(cè)解算的數(shù)據(jù)更新率；優(yōu)化自主導(dǎo)航濾波及異步時(shí)滯信息組合導(dǎo)航算法,提升星光角距、脈沖到達(dá)時(shí)間、星光多普勒速度量測(cè)觀測(cè)量,優(yōu)化不同傳感器敏感源采樣時(shí)鐘周期,解決天文組合導(dǎo)航中的異步時(shí)滯難題等。

隨著脈沖星天文觀測(cè)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(jiàn)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(guó)NASA的脈沖星計(jì)劃—XNAV計(jì)劃主要進(jìn)行脈沖星特征描述、導(dǎo)航算法開(kāi)發(fā)、探測(cè)器原型設(shè)計(jì)、應(yīng)用效果評(píng)估等,通過(guò)航天飛機(jī)、國(guó)際空間站或其他航天器上的搭載試驗(yàn)確認(rèn)方案的有效性。2016年,中國(guó)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(yàn)衛(wèi)星——XPNAV-1,其中X射線探測(cè)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(cè)器,其時(shí)間分辨率小于1.5μs,有效探測(cè)面積為30 cm2,視場(chǎng)為15′,探測(cè)能譜范圍為0.5～10 keV,能夠有效測(cè)試X射線探測(cè)器性能,觀測(cè)典型目標(biāo)脈沖星和驗(yàn)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(wèn)題是X射線脈沖星探測(cè)器硬件設(shè)備研制難度大、設(shè)備復(fù)雜度高,同時(shí)需要結(jié)合高可靠模糊度求解方法以及基于真實(shí)觀測(cè)的時(shí)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(wèn)題,目前主要方法包括空間搜索法、位置預(yù)報(bào)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(cè)及實(shí)驗(yàn)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(cè)模型,使其更準(zhǔn)確的接近真實(shí)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?jī)?nèi)容之一。

仿生導(dǎo)航已成為近年來(lái)自主導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。仿生偏振光導(dǎo)航是以大氣偏振模式為基礎(chǔ)來(lái)獲取載體的航向信息,具有全自主、抗干擾、測(cè)量誤差不隨時(shí)間積累等特點(diǎn),適用于復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)航時(shí)、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(shí)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(qiáng)信號(hào)往往夾雜著大量無(wú)用雜波信息,導(dǎo)致傳感器檢測(cè)到的光強(qiáng)信息發(fā)生明顯波動(dòng),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(jī)特性偏振角解算模型,從大氣偏振光模式中實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)間積累的優(yōu)勢(shì),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(dòng)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(qiáng),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(cuò)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(shí)充分利用其他導(dǎo)航傳感器信息對(duì)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(duì)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(yùn)動(dòng)感知技術(shù),通過(guò)傳感器信號(hào)特征選擇、特征子集優(yōu)化、感知算法實(shí)現(xiàn)以及載體行為建模,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(chǎng)景進(jìn)行傳感器自動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(píng)估技術(shù),包括導(dǎo)航精度、濾波魯棒性、導(dǎo)航實(shí)時(shí)性以及組合導(dǎo)航容錯(cuò)能力等。隨著載人航天、探月工程等國(guó)家重大任務(wù)深入開(kāi)展,對(duì)于動(dòng)態(tài)過(guò)程高、飛行時(shí)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(guò)程導(dǎo)航、月球著陸起飛上升過(guò)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(jì)方案。

將多源信息融合技術(shù)與艦船導(dǎo)航控制和航空機(jī)載控制系統(tǒng)進(jìn)行信息深度交叉耦合,滿足未來(lái)蜂群無(wú)人機(jī)、高超聲速飛行器、系留氣球、臨近空間飛行器、無(wú)人艇等系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)、快速啟動(dòng)、運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償、效果控制、自主/協(xié)同制導(dǎo)、完好性監(jiān)測(cè)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(shì),綜合提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度和魯棒性。根據(jù)星圖、測(cè)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(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航載體位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的精確解算。未來(lái)可以通過(guò)建立太陽(yáng)系內(nèi)高精度引力場(chǎng)模型以及太陽(yáng)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(lái)發(fā)展方向

航空航天、深空探測(cè)、艦船導(dǎo)航、武器裝備應(yīng)用以及以無(wú)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(shí),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(wú)人作戰(zhàn)等軍事應(yīng)用與自動(dòng)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(guò)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(duì)其性能提出了更高要求,在未知環(huán)境下的自主導(dǎo)航問(wèn)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(qiáng)。自主導(dǎo)航技術(shù)未來(lái)發(fā)展主要集中在以下幾個(gè)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(jī)與艦艇編隊(duì)等體系要求功能復(fù)雜、任務(wù)多樣,同時(shí)重量、功耗、體積等約束嚴(yán)重,這些都對(duì)制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)在高可靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)性故障檢測(cè)等方面提出了更高的要求。現(xiàn)有成熟的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)架構(gòu)多是通過(guò)簡(jiǎn)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(shí)時(shí)性等指標(biāo)帶來(lái)不利的影響。因此未來(lái)還需要從系統(tǒng)高可靠性、高集成化等方面設(shè)計(jì)適應(yīng)于飛行器需求的導(dǎo)航系統(tǒng)體系,主要包括2個(gè)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(shí)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(tái)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(shí)現(xiàn)“功能倍增”[105]。具體需開(kāi)展導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)、三維異構(gòu)集成、自標(biāo)定和健康診斷、可靠性建模與試驗(yàn)等技術(shù)攻關(guān),滿足未來(lái)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(wú)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(jué)、WIFI等傳感器等多源信息,并對(duì)信息進(jìn)行融合、智能分析與自主導(dǎo)航,來(lái)進(jìn)一步提高無(wú)人集群的感知定位精度與可靠性。但是面對(duì)無(wú)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(diǎn)式的無(wú)人集群導(dǎo)航技術(shù)還無(wú)法滿足對(duì)海量可用導(dǎo)航信息的甄別篩選,以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)空資源統(tǒng)一管理與云端協(xié)同監(jiān)測(cè)處理,以形成與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)空間信號(hào)兼容、通導(dǎo)融合以及時(shí)空統(tǒng)一的智能化導(dǎo)航增強(qiáng)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(lái),類腦感知和認(rèn)知機(jī)理的研究迅猛發(fā)展對(duì)無(wú)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(guò)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(jī)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(guò)研究鳥(niǎo)群、蜂群、魚(yú)群和蟻群等生物腦的感知定位機(jī)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(wú)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(shí)的復(fù)雜、不可預(yù)測(cè)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(cè)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(shì)。根據(jù)英國(guó)《自然》雜志2020年發(fā)表的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)科學(xué)最新突破,加拿大科學(xué)家團(tuán)隊(duì)完全由人工智能控制的氣球,成功實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航,在平流層一連數(shù)周待在原地[106]。通過(guò)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)可以訓(xùn)練人工智能系統(tǒng)以及無(wú)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(cè)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(zhǎng)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(duì)輻射和電磁擾動(dòng)的影響有一定抵抗能力等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),在航天器應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒈３种幌?2018年法國(guó)賽峰公司報(bào)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(shì)[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(cè)器等新技術(shù)的突破,高精度光纖陀螺可實(shí)現(xiàn)10-5°/h(1σ) 及可能更高的精度量級(jí)[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(shí),還要攻克很多技術(shù)難點(diǎn)。借助冷原子技術(shù),可能研制出最精確的加速度計(jì)、陀螺儀(理論優(yōu)于10-8°/h)、精密時(shí)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(cè)量對(duì)象的姿態(tài)測(cè)量?jī)x器,磁強(qiáng)計(jì)、量子磁力儀等磁力敏感器則是以磁場(chǎng)為對(duì)象的姿態(tài)測(cè)量?jī)x器。星敏感器和地磁敏感器的導(dǎo)航方案最大的特點(diǎn)是成本低、精度高、可靠性高,自主性強(qiáng)。隨著星敏感器動(dòng)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(kuò)展兩者的應(yīng)用范圍和工程價(jià)值。

4) 生產(chǎn)制造個(gè)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(jì)的理念,對(duì)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(duì)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(dòng)輒周期達(dá)數(shù)個(gè)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(shí)量級(jí)。

在輕質(zhì)化、快速化等個(gè)性化需求下,諸如鋁基碳化硅等無(wú)機(jī)非金屬材料、非金屬?gòu)?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(lái)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(qiáng)和深化,滿足了國(guó)家載人航天、深空探測(cè)、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(lái)的新挑戰(zhàn),高動(dòng)態(tài)、高精度、長(zhǎng)壽命、輕小型、多功能、組合化、協(xié)同化將成為未來(lái)自主導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的新目標(biāo)。