多源自主导航系统可重构性研究_王巍.pdf

第 21 卷第 5/6 期2022 年 12 月导航与控制NAVIGATION AND CONTROLVol.21 No.5/6Dec.2022收稿日期:2022-12-16多源自主导航系统可重构性研究王巍1，4，郭雷2，吴志刚3，陈巍2，孟凡琛4，阚宝玺4，赵东2(1.中国航天科技集团有限公司，北京 100048;2.北京航空航天大学，北京 100191;3.中山大学，深圳 518107;4.北京航天控制仪器研究所，北京 100039)摘 要:多源自主导航系统技术是新一代国家综合定位、导航与授时(Positioning，Navigationand Timing，PNT)体系下终端用户导航系统的技术发展方向。聚焦于多源信息有机融合的可重构性，分析了可重构性理论构建存在的科学技术问题，基于任务场景、运动环境以及载体动力学特征等，提出了多源自主导航系统抗干扰多源异构信息融合、动静混合风险态势预测、可重构性自主判别与动态迭代优化的解决方案，为多源自主导航系统技术体系构建打下基础。关键词:国家综合 PNT 体系;多源自主导航;可重构性;有机融合中图分类号:V241.5文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)02-02192doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.002esearch on econfigurability of Multi-sourceAutonomous Navigation SystemWANG Wei1，4，GUO Lei2，WU Zhi-gang3，CHEN Wei2，MENG Fan-chen4，KAN Bao-xi4，ZHAO Dong2(1.China Aerospace Science and Technology Corporation，Beijing 100048;2.Beihang University，Beijing 100191;3.Sun Yat-sen University，Shenzhen 518107;4.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing，100039)Abstract:Multi-source autonomous navigation system technology is the technical development direction of end-usernavigation systems under the national positioning，navigation and timing(PNT)system.The reconfigurability of multi-sourceinformation organic fusion is focused on，and the scientific and technical problems in constructing the reconfigurability theo-ry are analyzed.Based on the task scenario，motion environment，and carrier dynamics characteristics，solutions for anti-interference multi-source heterogeneous information fusion，risk prediction under dynamic and static situations，independentdiscrimination of the reconfigurability，and dynamic iterative optimization are proposed，laying a solid foundation for thetechnology system construction of the multi-source autonomous navigation system.Key words:national comprehensive PNT;multi-source autonomous navigation;reconfigurability;organic fusion0引言多源自主导航逐渐成为国家综合 PNT(Positio-ning，Navigation and Timing)体系下应用终端端未来的重要技术发展方向1-4。为实现复杂陌生环境下基于多源信息有机融合的自主导航信息服务，导航与控制2022 年第 5/6 期需要信息融合方法具备自主抗扰容错与智能重构优化能力，以提高多源自主导航系统环境自适应和功能自重构能力。随着任务环境日益复杂，多源自主导航系统往往同时受到多源异质干扰与不确定性的影响，传统的卡尔曼滤波和鲁棒滤波方法都是针对单一类型噪声进行设计，在多源干扰条件下精度和可靠性难以保证。针对该问题，文献5 文献7提出了干扰精细量化与同时补偿/抑制的复合干扰滤波理论框架。具体地，针对同时含有动态不确定干扰和高斯随机噪声的导航系统，提出了基于干扰观测器和卡尔曼滤波的复合干扰滤波方法;针对同时含有动态不确定干扰和范数有界噪声的导航系统，文献8 文献10 提出了基于干扰观测器和 H滤波的复合干扰滤波方法;针对同时含有动态不确定干扰和非高斯随机噪声的导航系统，文献11提出了基于干扰观测器和粒子滤波的复合干扰滤波方法。复合干扰滤波的优点在于能够充分利用干扰的具体特性，实现多源异类干扰与不确定性条件下多传感器精细抗干扰融合解算。围绕多源自主导航系统故障检测重构与容错滤波方法，传统的卡方检验方法能够有效利用模型和噪声统计信息，实现对突变故障的有效检测，但对缓变故障的检测效果不够理想。抗差卡尔曼滤波作为一种自适应滤波方法，以提升滤波算法实际抗差性能与估计结果可靠性为主要目标，通过抗差估计原理实时检测信息质量，控制观测异常，对阶跃、冲击等强突变噪声的检验具有较高灵敏度，并通过构建等价权函数对有害信息进行降权处理，抑制突变噪声对估计精度和可靠性的影响12-13。抗差卡尔曼滤波以量测信息的归一化残差为对象评价观测信息质量并构建自适应因子，导致其对状态变量的一步预测依赖性强，无法抑制小幅、慢变、低频量测噪声。为进一步提升传统扩展卡尔曼滤波的容错性能，有关学者相继提出了含有自适应多重渐消因子的鲁棒扩展卡尔曼滤波、量测噪声方差阵自适应修正的扩展卡尔曼滤波等方法14-17。值得注意的是，上述故障检测和容错滤波方法大都针对高斯情形。此外，干扰的存在往往会污染故障残差信号。为此，研究人员相继提出了基于随机分布滤波和熵优化准则的非高斯故障检测方法，通过改进状态后验分布的表征方式和性能优化指标，使得残差信号对故障灵敏度最大化和对干扰灵敏度最小化，实现了故障与干扰信号实时分离18-19。综上所述，针对干扰与故障条件下多源自主导航系统信息融合问题，现有研究主要围绕如何设计高精度、高可靠的滤波算法展开，较少考虑不同任务场景、运动环境以及载体动力学特征下多源自主导航系统可重构性定量表征刻画与动态迭代优化等问题，尚未形成系统性的多源信息有机融合的可重构性理论体系。此外，现有故障检测方法大都局限于利用残差动态信息，尚未与多源自主导航系统先验可靠性模型进行有机结合。为构建多源自主导航系统统一的表征、判定、量化、评估理论体系，在现有多源自主导航系统指标体系的基础上，本文聚焦于多源自主导航系统技术的可重构性4，系统性地阐述多源信息有机融合的可重构性理论构建存在的科学问题及其对应的解决方案，为综合 PNT 体系的终端设备研制和技术发展提供参考。1多源自主导航系统可重构性概念和科学技术问题1.1多源自主导航系统可重构性基本概念在设计与评估系统可重构性时，通常需要考虑重构算法、限制因素、约束因子、资源配置、运行条件、系统本源特性、实际组合因素、重构本征约束等多源自主导航系统内部及边界条件，基于系统硬件冗余优化设计、软件算法冗余优化设计、功能冗余优化设计，采用空间构型优化、重构预案设计、重构方法设计、重构时间优化等方法实现重构，可重构性基本特征描述如图 1 所示。对于可重构性可以通过基于系统固有特性、基于系统性能约束(能耗约束、控制输入饱和、时间影响因素、其他约束)等进行定性与定量评估，达到指导多源自主导航系统总体设计的目标。为实现复杂陌生环境下多源信息有机融合的自主导航信息服务，需要信息融合方法具备自主抗扰容错与智能重构优化能力。传统的基于最小21第 5/6 期王巍等:多源自主导航系统可重构性研究图 1多源自主导航系统可重构性示意图Fig.1Basic characteristics of reconfigurability for multi-source autonomous navigation system二乘和卡尔曼滤波的自主导航信息融合方法受限于单一高斯型随机噪声假设，在含有多源干扰对抗与不确定性因素的复杂任务场景下难以实现高动态、跨场域条件下的无缝融合与动态重构。为克服卡尔曼滤波的高斯局限性，需要基于任务场景、运动环境以及载体动力学特征，利用动态故障检测与静态可靠性分析结果对多源自主导航系统信息融合算法可重构性进行定量刻画。在此基础上，针对复杂任务场景中的多源异类干扰因素，综合运用多源干扰精细量化表征与分离估计、多源干扰同时补偿与抑制下的复合干扰滤波算法设计、基于干扰学习与预测的自适应抗干扰信息融合、基于动静混合的风险度量与抗扰容错滤波、信息融合机制重构与动态迭代优化等关键理论方法，实现面向典型运动体、典型任务场景和典型复杂环境的抗干扰信息融合、风险态势预测和智能重构优化软件系统，提高多源自主导航系统环境自适应和功能自重构能力，进而构建起多源自主导航系统“可重构性”理论体系。1.2多源自主导航系统可重构性的科学技术问题可重构性是指基于多源自主导航系统的有限边界条件(包括资源配置和运行条件等)，在保证运行顺畅的有限时间内，系统通过自主改变构型或控制算法等方式恢复全部或部分既定功能的特性和能力。可重构性侧重点在于:系统在一定的约束条件下，在难以进行人为干预时，进行自主干扰和故障等挑战因素处理的能力，是对系统自主重构能力的一种刻画。多源自主导航系统需要集成多类型异构传感器以满足不同感知系统的无感切换。因此，在硬件方面，需要开展即插即入、兼容性及一体化结构设计研究;在软件方面，需要研究适用不同任务环境的多源异构融合模型，分析多源误差之间的耦合及传递关系，突破在线标定与自适应抑制和补偿技术，最终实现强自主、高可靠的多源自主导航系统，为智能自主导航技术提供统一规范的融合理论体系。基于上述目标，本文总结如下科学技术问题:(1)信息融合中的多源异质异构干扰补偿与抑制问题在随机性与不确定性干扰混合作用的导航应用场景下，针对干扰精细表征、学习与估计问题，需要设计具有多源干扰精细解耦、实时补偿与优化抑制能力的复合干扰滤波器，克服传统卡尔曼滤波仅能处理单一高斯噪声的局限性。如何揭示31导航与控制2022 年第 5/6 期多源传感器导航信息时空一致性、互补性、多源异类干扰的生成、传播与影响等机理，如何提高自主导航系统对多源干扰与不确定环境的适应能力，这是多源信息有机融合“可重构性”理论亟待解决的问题之一。(2)态势预测中的动态风险与静态可靠性信息融合问题针对攻击对抗场景中部分传感单元服务中断、故障、失效等情形，如何建立动力学行为的复杂性科学表征模型，形成风险要素表达机制;如何建立各类行为特征的演化规律与导航系统可靠性之间的关系，实现任务场景与干扰模式预测;如何实现失效/故障的精准检测与风险态势的实时预测，保障多源自主导航系统在复杂恶劣环境下的可靠性与快速风险响应能力，以满足多源自主导航信息输出的无缝衔接需求，这是多源信息有机融合“可重构 性”理 论 着 重 解 决 的 另 一 个问题。(3)信息融合机制的可重构性度量与动态优化问题为实现自主导航系统能力不匹配