协同导航技术研究综述

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0086

摘要：协同导航技术作为提升平台协同作业性能的重要保障和关键技术，在军用和民用方面正发挥着越来越大的作用。本文首先在多平台协同作业背景下，从无人机、机器人、无人水下潜航器、导弹四个应用层面梳理了协同导航的国内外发展现状;然后在技术应用层面，从初始组网编队方式和编队保持及重构方法两方面对协同方式进行了分类分析;其次对协同导航中多传感器的组合应用及多源导航信息处理方法在提高导航精度及导航稳定性方面的研究进行了归纳总结;最后从协同导航精度、系统稳定性、发展深度等方面，讨论了未来协同导航领域的发展趋势。

关键词：协同导航;编队方式;多传感器组合应用;多源信息处理方法;武器协同技术

中图分类号：TJ765;V249文献标识码：A文章编号：1673-5048（2019）04-0023-08

0引言

20世纪70年代著名物理学家哈肯（HermannHaken）提出的协同理论（Synergetics）又称“协同学”，为处理复杂问题提供了新的思路：多运动平台协同工作，可以实现简单平台“1+1>2”的性能提升。协同是未来联合发展的必然趋势，例如，多机器人协同作业、无人机群协同表演/侦察、导弹编队协同打击、海上舰艇编队协同防空等都可以极大地提高工作效能。而协同导航技术作为协同系统的基础和关键，方兴未艾，受到国内外高校、科研机构的重视[1-2]。

协同导航是协同组网编队中平台间通过导航信息交互利用，实时解算并修正自身位置、速度、姿态等导航信息，保障协同编队保持、队形重构及后续协同任务顺利完成的一种技术。如果无法得到协同平台的精确导航信息，或者获取的相对导航精度下降，则会导致编队的控制精度变差，任务执行效果也会下降甚至出现错误。因此，单一传感器导航已经难以满足现代化作战环境下的任务需求[3]。而协同导航大多利用捷联惯导系统（StrapdownInertialNavigationSystem，SINS）、全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）及超宽带（UltraWideBand，UWB）、全向数据链（OmnidirectionalDateLink，ODL）、相对差分、雷达[4]、高度计、磁力计、视觉/图像等技术，通过多传感器的信息协同，提高协同导航准确性与可靠性，进而提高协同导航系统的精度与鲁棒性。

1协同导航技术应用背景

近几年，各科研机构越来越重视协同导航的相关研究，并投入了大量的人力、财力。在军用方面，协同导航是实现对目标精确跟踪、打击的一个重要保障，又是现代化作战中目标制信息权获取的前提和关键。以美国为代表的西方国家起步较早，已经拥有较多的研究成果，如“蜂群作战”等。同样，该技术在民用方面也表现出广阔的前景，如大型无人机群灯光秀、“菜鸟裹裹”物流机器人快递分拣等。国内，如西北工业大学、南京航空航天大学、哈尔滨工程大学、北京航空航天大学等科研机构在协同导航研究中取得了一定的研究成果，甚至某些方面的科研水平已经走在世界前列，但是总的来看，由于国内研究起步较晚，整体科研水平仍然处于追赶阶段。

协同导航技术服务于空中、地面、水下等各种平台，有力支撑了军民领域的现代化建设。本文从无人机（UnmannedAerialVehicle，UAV）、机器人、无人水下潜航器（UnmannedUnderwaterVehicle，UUV）、导弹四个方面，分析相关技术背景。

1.1无人机

近年来，国际民用航空组织（ICAO）、美国国防部（DOD）、美国联邦航空管理局（FAA）、欧洲航空安全局（EASA）一致通过决议：采用UnmannedAircraftSystem（UAS）代替术语“UAV”，将机群系统的研究提升到新的层面。一般的协同导航结构，如图1所示。

2012年，美国VijayKumar展示了基于运动捕捉系统提供高精度导航信息下的无人机集群飞行验证，这些无人机能够进行自行编队和协同工作。由法国牵头，瑞士、西班牙、瑞典、意大利和希腊参研的“神经元”无人机在2014年的试飞中验证了编队控制、信息融合、战术决策与火力协同以及机间数据通信等技术，达到较高的智能化水平[5]。美国国防部高级研究计划局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA）在2015年提出在拒止环境中协同作战（CollaborativeOperationsinDenideEnvironment，CODE）项目，旨在使多无人飞行器在强信号干扰环境下通过信息协同对目标进行精确打击。2018年4月，DARPA提出的“小精灵”（Gremlins）项目选择了Dynetics公司团队，进行第三阶段的研究[6]。

美国海军办公室提出的通用军备无人机集群项目“山鹑”进展神速，在2017年使用战机释放的103架“山鹑”微型折叠翼侦察无人机，达到能够自行调整进入稳定飛行状态的“类实战”水平。

与国外相比，国内科研团队紧跟国际先进技术的步伐，对无人机编队导航等技术的研究较为深入。民用方面，大多停留在小型旋翼无人机编队表演等层面，如2018年9月，南京航空航天大学团队成功进行了300架无人机的灯光秀。军用方面，实物飞行试验能在简单通信情况下做到编队、任务分配及航迹规划，但在面对复杂环境时，协同感知能力及鲁棒性较差;中国电子科技集团公司分别在2017年和2018年完成了119架和200架固定翼无人机集群飞行试验，虽然集群数量上获得优势，但无人机投放等关键技术仍然相对落后。

1.2机器人

航空兵器2019年第26卷第4期

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