美國打造新的軍用“全源導(dǎo)航”

劉春保（北京空間科技信息研究所）

對美國軍方而言，“全球定位系統(tǒng)”（GPS）提供的定位、導(dǎo)航與授時（PNT）服務(wù)是不可或缺的。然而，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的固有弱點使地下、水下、室內(nèi)、城市或高山峽谷，特別是干擾環(huán)境下的高精度軍事PNT能力受到極大制約。為解決衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)固有弱點的制約，以美國國防高級研究計劃局（DARPA）為首的先進軍事技術(shù)研究機構(gòu)開展了在GPS服務(wù)被干擾、被阻斷，即不能使用GPS服務(wù)背景下的高精度定位、導(dǎo)航與授時技術(shù)—“全源導(dǎo)航”（ASPN）技術(shù)研究，以期在未來對抗條件下的軍事行動中保持、占據(jù)精確PNT能力的優(yōu)勢。

1 計劃概況

“全源導(dǎo)航”將發(fā)展與任意導(dǎo)航傳感器和敏感器組合方案相關(guān)的快速集成和重新配置的架構(gòu)、抽象方法及濾波算法，降低系統(tǒng)集成成本，為用戶提供無GPS服務(wù)條件下的高精度定位、導(dǎo)航與授時能力，滿足不斷變化的任務(wù)需求與環(huán)境變化的要求。

“全源導(dǎo)航”技術(shù)具有如下特點：

· 具有兼容大范圍、多樣化傳感器和敏感器的能力；

· 對于各種實時應(yīng)用，更易于優(yōu)化；

· 開放式架構(gòu)的協(xié)同、增效作用。

美國國防高級研究計劃局的“全源導(dǎo)航”計劃將分3個階段進行，分別致力于導(dǎo)航算法與軟件架構(gòu)、系統(tǒng)集成與方案測試，以及演示驗證等方面的研究。

2010年11月和2012年6月，美國國防高級研究計劃局先后發(fā)布了“全源導(dǎo)航”計劃第1階段和第2個階段的標(biāo)書，開展“全源導(dǎo)航”概念、體系架構(gòu)和導(dǎo)航算法的研究、測試與驗證。

2 第1階段任務(wù)和主要內(nèi)容

“全源導(dǎo)航”計劃第1階段為期12個月，主要任務(wù)是軟件設(shè)計和開發(fā)，其目標(biāo)是開發(fā)具有即插即用能力的算法、處理方法和軟件架構(gòu)。這些算法和體系架構(gòu)至少應(yīng)能夠兼容10種以上的傳感器。2011年5月，美國國防高級研究計劃局授予查爾斯-斯塔克-德雷帕實驗室有限公司（Charles Stark Draper Laboratory Inc.）一份“全源導(dǎo)航”研究合同，合同價值約60萬美元；2011年6月授予美國作戰(zhàn)系統(tǒng)供應(yīng)商Argon ST公司另一份“全源導(dǎo)航”研究合同，合同價值約190萬美元。

在第1階段，“全源導(dǎo)航”研究要解決2項關(guān)鍵技術(shù)：導(dǎo)航算法和導(dǎo)航軟件體系架構(gòu)。

1）導(dǎo)航算法

導(dǎo)航算法的重點是定位和導(dǎo)航解決方案中新的導(dǎo)航濾波算法的推導(dǎo)與開發(fā)。目前的導(dǎo)航濾波算法大多被迫在完備性與效率之間進行折中和選擇?！叭磳?dǎo)航”需要發(fā)展新的濾波算法，能夠全面兼容各類導(dǎo)航算法，如高斯、非高斯統(tǒng)計算法，或線性、非線性測量模型算法等；同時，新的導(dǎo)航算法必須滿足真實環(huán)境下實時運行的要求。新的導(dǎo)航算法應(yīng)當(dāng)能夠處理平臺運動和測量可用性之間產(chǎn)生的時變狀態(tài)空間問題，能夠?qū)λ袑?dǎo)航測量結(jié)果進行統(tǒng)計。因此，在執(zhí)行任務(wù)時，新的導(dǎo)航算法應(yīng)能夠靈活地對傳感器、敏感器，以及測量量的引入和去除進行調(diào)整，從而提供準確和可靠的導(dǎo)航解決方案。特別值得注意的是，這是一種基于狀態(tài)變化的解決方案。目前該領(lǐng)域的最新進展主要包括代數(shù)拓撲、總體非標(biāo)準濾波或同時定位與制圖（SLAM）等。

2）導(dǎo)航軟件體系架構(gòu)

導(dǎo)航軟件體系架構(gòu)涉及開發(fā)新的處理方法和架構(gòu)，用于支持導(dǎo)航系統(tǒng)中傳感器、敏感器及慣性導(dǎo)航單元之間的重新配置和即插即用。目前，部分導(dǎo)航產(chǎn)品中已經(jīng)采用了可兼容多種傳感器和敏感器的導(dǎo)航系統(tǒng)。即插即用處理架構(gòu)是實現(xiàn)“全源導(dǎo)航”目標(biāo)所必需的，這種架構(gòu)需要發(fā)展新的模型，以適應(yīng)各種測量源和導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)庫的要求。同時，還需要開發(fā)不同的處理方案，以滿足不同環(huán)境、不同平臺的要求。這些架構(gòu)應(yīng)當(dāng)能夠解決以下3個問題：①多種傳感器和敏感器和數(shù)據(jù)庫的組合應(yīng)用；②多系統(tǒng)協(xié)同；③時間和空間的相對和絕對測量。理想的“全源導(dǎo)航”軟件體系架構(gòu)應(yīng)當(dāng)使導(dǎo)航系統(tǒng)具有識別環(huán)境變化，并做出相應(yīng)調(diào)整的能力；而采用專用傳感器和敏感器協(xié)議（大大限制了即插即用傳感器的數(shù)量）的架構(gòu)無法滿足上述要求。

3 第2階段任務(wù)和主要內(nèi)容

“全源導(dǎo)航”計劃第2階段公告由美國國防高級研究計劃局戰(zhàn)略技術(shù)辦公室于2012年6月11日發(fā)布，截止日期2012年12月10日。第2階段預(yù)計為期18個月，用于實現(xiàn)系統(tǒng)集成，并進行實時解決方案的測試與驗證。該階段的目標(biāo)是演示和評估自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)、方案的優(yōu)化與實時運行，以展示基于即插即用的能力，第1階段開發(fā)的算法和架構(gòu)是開展第2階段的基礎(chǔ)。

除解決傳感器和敏感器抽象問題外，第2階段還應(yīng)解決硬件抽象問題。系統(tǒng)評估將涉及不同傳感器和敏感器組合的試驗臺及現(xiàn)場測試問題，重點是新型傳感器、敏感器的引入，并實現(xiàn)政府現(xiàn)貨產(chǎn)品標(biāo)準組件的快速配置和集成。最后，解決方案不能影響即插即用功能的準確性，為此，第2階段的另一個重點是核實和確認系統(tǒng)限制。

“全源導(dǎo)航”第2階段的研究成果必須支持端到端的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)工作在具有傳感器和敏感器輸入的真實環(huán)境中，并與原型硬件設(shè)備融合，提供實時的解決方案。美國國防高級研究計劃局為“全源導(dǎo)航”第2階段確定了3個關(guān)鍵技術(shù)，分別為導(dǎo)航硬件架構(gòu)、實時導(dǎo)航算法和新穎高效的導(dǎo)航測量方法，并確定了第2階段發(fā)展路線圖。

1）導(dǎo)航硬件架構(gòu)

主要致力于發(fā)展支持即插即用，且可重新配置的傳感器、敏感器和慣性測量裝置的導(dǎo)航系統(tǒng)硬件架構(gòu)?！叭磳?dǎo)航”的目標(biāo)需要即插即用的硬件架構(gòu)支持，這種架構(gòu)需要建立適應(yīng)多種類型傳感器和敏感器的通用測量模型。由于“全源導(dǎo)航”計劃第2階段的重點是實時運行和野外應(yīng)用，因此其硬件架構(gòu)必須支持快速反應(yīng)，以及滿足小尺寸、輕質(zhì)量、低功耗的要求。最終的硬件架構(gòu)和原型樣機應(yīng)當(dāng)能夠支持多樣化的導(dǎo)航軟件方案，而不是僅適用于某種算法。

理想的解決方案應(yīng)當(dāng)具有感知環(huán)境變化，并做出適當(dāng)調(diào)整的能力。導(dǎo)航硬件架構(gòu)要求相關(guān)硬件具有滿足“全源導(dǎo)航”計劃第2階段要求的接口，以提供各種必要的驗證能力；同時還應(yīng)提供野外驗證期間使用的空中和海上平臺的專用傳感器和敏感器接口。導(dǎo)航硬件架構(gòu)的研究需要進行一系列測試與驗證活動。

2）實時導(dǎo)航算法

該算法重點是為定位、導(dǎo)航方案開發(fā)、完善“全源導(dǎo)航”濾波算法?！叭磳?dǎo)航”的所有信息源和自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)需要一種新的濾波算法，它能夠迅速地提供高斯、非高斯和線性、非線性模式，并能夠在實時條件下運行。各種傳感器、敏感器和機會信號（SoOPs）的快速地組合，并將其引入到可用濾波方案的能力是解決方案的關(guān)鍵。與導(dǎo)航硬件架構(gòu)一樣，實時導(dǎo)航算法也將開展從第1階段的仿真環(huán)境到野外原型系統(tǒng)的一系列測試與驗證活動，以促進導(dǎo)航算法的研究。

3）新穎高效的導(dǎo)航測量方法

通過一種新穎高效的處理或測量方法，向?qū)Ш綖V波器提供獨特的測量結(jié)果，增強即插即用導(dǎo)航能力。預(yù)計該導(dǎo)航測量方法的研究周期約12個月。

雖然，導(dǎo)航硬件架構(gòu)和實時導(dǎo)航算法中的硬件與軟件的結(jié)合使其對引入的測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果具有極大靈活性和適應(yīng)性，但“全源導(dǎo)航”計劃仍將受益于新穎高效的測量方法，特別是對“全源導(dǎo)航”具有增強作用的測量方法。

“全源導(dǎo)航”第2階段技術(shù)領(lǐng)域與發(fā)展路線圖

“全源導(dǎo)航”計劃第2階段測試和驗證細節(jié)

導(dǎo)航測量方法研究的新型傳傳感器、敏感器和測量量或處理技術(shù)將為“全源導(dǎo)航”方案提供巨大的幫助，并將具有以下特點：①提供新的測量類型，其在眾多“全源導(dǎo)航”測量裝置中具有獨特的優(yōu)點，能夠增強系統(tǒng)的強健性和精度；②新型測量量的物理特性具備某種強健性；③有效提供大量非常規(guī)的窄帶測量，這種測量量的組合將極大地增強系統(tǒng)的精度。

4 結(jié)束語

無衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)條件下的定位、導(dǎo)航研究需要解決3個問題：精度與精度保持問題，體積、質(zhì)量、功耗與成本問題，啟動時間（或反應(yīng)時間）問題。美國國防高級研究計劃局的“全源導(dǎo)航”研究旨在提供無GPS服務(wù)條件下的精確定位、導(dǎo)航與授時能力。目前，該計劃的目標(biāo)是開發(fā)一個以慣性系統(tǒng)和精確時鐘為核心，按環(huán)境、需求和任務(wù)要求的不同，接入（或移除）、靈活地配置不同類型的傳感器和敏感器，引入不同類型的測量量和特征數(shù)據(jù)庫，從而為不同平臺、不同環(huán)境下的用戶提供無GPS條件下的精確定位、導(dǎo)航與授時服務(wù)，建立強對抗條件下的定位、導(dǎo)航與授時優(yōu)勢。

“全源導(dǎo)航”并非要取代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但是“全源導(dǎo)航”技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將全面解決衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)固有脆弱性產(chǎn)生的水下、地面、室內(nèi)、高山與城市峽谷，特別是電磁干擾條件下的高精度定位、導(dǎo)航與授時問題。對軍事用戶而言，“全源導(dǎo)航”技術(shù)將解決強對抗戰(zhàn)場環(huán)境下的精確定位、導(dǎo)航與授時問題，提供更加穩(wěn)健的定位、導(dǎo)航與授時能力，使美軍能夠在未來強對抗的戰(zhàn)場環(huán)境下?lián)碛懈呔榷ㄎ?、?dǎo)航與授時能力的重要優(yōu)勢。

除“全源導(dǎo)航”體系架構(gòu)、導(dǎo)航算法和解決方案等關(guān)鍵技術(shù)外，高精度，低尺寸、質(zhì)量和功耗（SWaP）的慣性系統(tǒng)與時鐘也是“全源導(dǎo)航”系統(tǒng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)或關(guān)鍵技術(shù)，為此，美國國防高級研究計劃局已經(jīng)啟動了兩項高精度，低SWaP的慣性系統(tǒng)與時鐘系統(tǒng)的研究計劃，分別是微導(dǎo)航、定位與授時（micro-PNT）計劃和芯片級組合原子導(dǎo)航儀計劃。