多源自主导航系统可检测性研究_王巍.pdf

书书书第 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检测性研究王巍1，5，姜杰2，吴志刚3，郭雷4，孟凡琛5，符方舟3(1.中国航天科技集团有限公司，北京 100048;2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076;3.中山大学，深圳 518107;4.北京航空航天大学，北京 100191;5.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。聚焦于多源信息自主感知的可检测性，分析了可检测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模型表征、风险识别和可检测性量化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;可检测性;自主感知中图分类号:V241.5文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)02-02193doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.001esearch on Detectability of Multi-sourceAutonomous Navigation SystemWANG Wei1，5，JIANG Jie2，WU Zhi-gang3，GUO Lei4，MENG Fan-chen5，FU Fang-zhou3(1.China Aerospace Science and Technology Corporation，Beijing 100048;2.China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076;3.Sun Yat-sen University，Shenzhen 518107;4.Beihang University，Beijing 100191;5.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 detectability of multi-source in-formation autonomous perception is focused on，and the scientific and technical problems in constructing the detectabilitytheory are analyzed.Based on the task scenario，motion environment，and carrier dynamics characteristics，solutions formulti-source autonomous navigation system model construction，risk identification，detectability quantification and dynamiciterative optimization are proposed，laying a solid foundation for the technology system construction of the multi-source au-tonomous navigation system.Key words:national comprehensive PNT;multi-source autonomous navigation;detectability;autonomous percep-tion导航与控制2022 年第 5/6 期0引言导航系统可为航天器、航空器、地面车辆和无人潜航器等运载体及运动体提供姿态、速度、位置等信息。目前，无人飞行器自主飞行、无人车自动驾驶、无人船自主巡航等场景下常用的导航手段一般包括卫星导航、惯性导航、视觉导航和辅助导航等1-3。随着各类运动体和运载体的导航任务日益复杂，对于导航系统精度、弹性、安全性和可靠性的需求日益提升，为提高单一组合导航系统的精度、冗余度和容错能力4，多源自主导航逐渐成为国家综合 PNT(Positioning，Navigationand Timing)体系下应用终端端未来的重要技术发展方向。经过多年发展，多源自主导航系统已形成了以惯性导航、卫星/惯性导航、重力/磁力导航、图像/地形匹配导航等为代表的初步技术体系基础5。文献6提出了一种天文测角与单程无线电差分测距/差分测速融合的自主导航方法，可有效抑制时钟和频谱仪测量误差;文献7梳理了地形匹配行星着陆自主导航的研究现状，并对未来行星着陆探测复杂形貌特征匹配与自主导航发展方向进行了展望;文献8提出了多源自主导航系统观测能力的降维表征和解析量化方法，以观测能力的表征、判定和量化为突破口，解决了多源融合导航技术运算规模大、存储开销高、难以在轨应用的瓶颈问题，突破了基于航天器可观测性理论的多源融合自主导航技术。然而，目前模块化、标准化、智能化的导航模型和多源异构导航信息感知等技术及方法研究不足，尚未建立多源自主导航可检测性理论体系，难以清晰确定多源自主导航系统的一系列边界条件(包括其硬件层面是否可接入、软件层面是否可融合、系统层面是否可检测等);另一方面，一体化、通用化、弹性化导航技术体系研究严重不足，现有的自主导航系统存在如信号源易受干扰/攻击/故障影响、体系化程度低等瓶颈，严重制约了多源自主导航技术的发展。因此，现有多源自主导航技术主要应用于“特定终端、单一场景”，难以结合不同载体、不同任务、不同场景，以最小成本、最低代价实现即插即入、无缝衔接、无感切换、可信完备的多源自主导航技术规模应用。因此，亟需系统性地构建多源自主导航技术体系，从而突破多源自主导航系统关键技术应用。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，本文在现有多源自主导航系统指标体系的基础上，聚焦于多源自主导航系统技术的“可检测性”9，系统性地阐述了多源信息自主感知的“可检测性”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检测性概念和科学技术问题1.1多源自主导航系统可检测性概念(1)目前存在的技术瓶颈多源自主导航系统技术涉及卫星、惯性、无线电、地磁、气压、景象等多种信息源的匹配感知，不同运载体/终端动力学特征的差异性(如无人机、无人车、无人艇等)和任务场景的复杂性(如作业环境陌生、照度不确定性等)则往往会给现有的导航系统带来感知自主性差、感知精度低、环境适应性弱等一系列难题。构建统一的感知框架，让多源导航信息之间兼容匹配，实现跨域、多场无感切换;建立融合先验知识的智能感知模型，实现未知环境自适应学习;建立内嵌数理机理的数据精准表征方法和分析范式，提升自主导航系统的可检测性，突破“特定终端、单一场景”颗粒化感知范式的藩篱，形成贯穿用户终端“面”的完整感知体系，是多源自主导航技术体系构建的重要研究方向。因此，刻画多源自主导航系统的感知边界，构建统一的可表征、可判定、可量化、可评价的“可检测性”概念及理论体系，已成为导航领域的共性关键技术。(2)基本思路为了清晰地揭示系统结构、资源配置、运行条件、检测算法、检测代价与多源自主导航系统检测能力(包括硬件可接入性、信号可融合性、故障诊断能力、攻击监测能力、干扰检测能力)之间的相互关系，本文重点关注多源信息自主感知的“可检测性”，从存在问题和解决方案两方面研究2第 5/6 期王巍等:多源自主导航系统可检测性研究多源自主导航系统“可检测性”，深入分析多源自主导航系统信息源切换过程中硬件可接入性和信号可融合性的分析、故障诊断能力、攻击监测能力、干扰检测能力，并为其提供定量的指标体系，为实现导航系统“无感切换”和“无缝衔接”、提高系统健壮性提供理论依据。综上，给出多源自主导航系统可检测性概念和基本特性，如图 1 所示。图 1多源自主导航系统可检测性示意图Fig.1Basic characteristics of detectability for multi-source autonomous navigation system1.2多源自主导航系统可检测性的科学技术问题可检测性的研究主要包括可检测性评价与可检测性设计两部分。前者为后者提供理论基础，在工程实践中，可检测性设计又可为评价方法的研究提供积极的促进作用。可检测性评价是指衡量系统检测能力的过程，可分为可检测性定性评价和定量评价两部分。针对可检测性定性评价，相关研究多针对控制系统建立故障信息与测量信息的映射关系，通过分析映射关系的连通性构建可检测性判据，对系统故障检测能力进行判定10-12;针对可检测性定量评价，已有成果主要利用测量信息统计特征等量化故障信息与测量信息之间映射关系的差异性，以此构建可诊断性量化指标对系统诊断能力的大小进行分析13-15。虽然可检测性评价的研究取得了一定成果，但主要集中于控制系统的故障检测能力分析，在同一框架下对导航系统匹配检测、干扰检测、故障检测能力的定性评价和定量评价目前还未见有研究报道。可检测性设计是指将检测能力作为优化指标的系统资源配置和检测算法设计过程。在基于能力分析的系统资源配置设计方面，国内外学者主要从提升故障检测能力的角度优化控制系统结构16-18，较少从信息源优选、攻击监测/抗扰能力增强等方面对导航系统进行优化设计。在基于能力分析的检测算法设计方面，已有研究成果多侧重于系统故障检测算法设计19-20，对匹配检测算法、干扰检测算法和攻击监测算法的研究较少。综上，目前国内外对可检测性的研究虽取得一定进展，但已有成果主要关注控制系统故障检测能力分析，无法在同一框架下刻画多源自主导航系统匹配检测、干扰检测、故障诊断、攻击监测能力。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3导航与控制2022 年第 5/6 期面，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感知模型，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感知理论体系。基于上述目标，本文总结如下科学技术问题:(1)多源自主导航系统模型表征问题针对不同运载体的动力学特性、任务场景和作业环境的差异性，如何厘清各类导航干扰的物理来源、动态特性、作用通道、传递机理和物理边界等，如何建立多源自主导航系统误差、干扰、故障等精细表征与认知理论是多源自主导航系统“可检测性”理论目前亟待解决的问题之一。(2)多源自主导航系统风险识别问题复杂工况、场景切换等情况不可避免地影响多源自主感知信息的品质，如软/硬件“匹配度”低、内/外部干扰突变、系统故障、攻击破坏等现象将会引发误差骤增、信号拒止现象，导致系统感知能力下降，甚至会造成导航解算崩溃。如何在多源自主导航系统风险发生时快速实现匹配、干扰、故障、攻击、异常检测，以此警示系统做出响应来规避危险，这是多源自主导航系统“可检测性”理论需要着重解决的另一个问题。(3)多源自主导航系统可检测性量化与动态迭代优化问题为实现不同场景、复杂工况下导航信息匹配、干扰检测、故障诊断、