【导航论坛】杨元喜院士：卫星导航与多源融合导航

“有了高精度GPS为什么还要发展北斗？有了高精度GPS，美国的盟国还要发展QZSS、Galileo…？为什么还要发展惯性导航、天文导航、物理匹配导航？还需要国家综合PNT体系？多导航系统如何选择？多导航系统如何集成与融合？多系统观测信息直接融合会出现什么问题？”

杨院士首先用一系列问题，引发了大家对北斗导航及多源导航存在必要性的思考，并分析了目前己经投入运营或正在建设的几个主要的卫星导航系统各自的局限性。在GPS、GLONASS、BDS、Galileo、QZSS中，美国的GPS和俄罗斯的格洛纳斯没有那么可靠，格洛纳斯在全球的监测系统并不完善，高精度打击也有待考量。而号称是一个民用系统的伽利略系统，是可靠的吗？是独立的吗？是真正民用的吗？是我们可用的吗？它结果，对于中国来说恐怕是否定的。

北斗导航的信号系统十分可靠且有很多创新，但是局部的先进不代表整体系统的先进。我们也应该清醒的认识到，“北斗”也有它所存在问题，譬如全球监测受限制，同样也有其他GNSS系统部分固有的缺点，信号微弱、容易被欺骗和干扰等，尤其是定位总站任何大的故障都可能导致卫星变成自由飞行体，不能提供服务等。尽管未来地球上空将布置了100多颗GNSS卫星，但是像在水下、地下等恶劣环境与位置时同样得不到高精度的GNSS服务；中国的高铁、航空以及金融、电力等国家的核心基础设施是不能被中断的，它的PNT服务一定是要全空域服务；卫星导航满足了近地空间的导航需求，但是不能满足人类丰富的需求，地下、室内、隐蔽地区的精确导航，这都是我们面临的新问题。

据杨院士介绍，多传感器的组合导航，可以提高对动态载体运动目标（导弹、飞机、卫星、坦克、车辆、舰船等）的跟踪精度或对动态系统的状态估计精度，将成为导航系统的发展趋势。单一传感器提供的信息很难满足目标跟踪或状态估计的精度要求，采用多个传感器进行组合导航，并将多类信息按某种最优融合准则进行最优融合，可有望提高目标跟踪或状态估计的精度。

在了解了多源导航的必要性之后，杨院士又介绍了多源组合导航和融合导航这两个概念，组合导航强调一个平台多源信息互补，而融合导航则是指同一个平台不管有多少传感器，只能输出唯一的导航信息。融合导航的特点是信息、基准、时间的唯一性，同时必须以组合导航做支撑，否则谈不上融合。

杨院士还解释了多源西悉尼融合导航基础设施构思，各个层次的空间可以使得包括城市、隧道、超市、坦克、飞机、水下、单兵在内的每一个位置、用户都可能得到多种信息源，这也是未来发展的趋势。

多源信息的融合，打破了单一的传感器捆绑在一起的局面，并具备了多种优势：

a. 多信息源必然提高可观测性，提高可用性（availability）

b. 融合PNT必然提高PNT服务的连续性（continuity）

c. 多信息源融合容易探测和诊断某类信号的故障和随机干扰，并及时予以排除或及时给用户发送预警信息，提高导航系统的抗干扰能力，从而提高系统的完好性（integrity）

d. 多系统可提高PNT服务的初始化时间

e. 多系统融合也便于GNSS载波相位模糊度搜索速度…

多源信息融合导航优势很多，对应的关键技术也非常多，由于它集成了多个传感器，随着信息源的增多，体积和功耗也可能随之增大，这和用户的需求是相反的。用户需求小型化、高度集成、深度集成，这是多源信息融合导航面临的核心问题。传感器的深度集成，只是一种手段，最后的目标是集成抗干扰、便携、稳定的传感器。集成方面，美国早就在2010年启动了微PNT（micro-PNT）计划，即综合利用定位、导航和授时的微机械设备开发微PNT组件，在微电子技术方面下功夫，让导航器件体积更小、功耗更低。

关于微集成技术，杨院士现场介绍了两点核心技术。第一是卫星时钟器件和微型导航器件。传感器集成不仅要体现微小，还要体现精准、稳定、可用涉及到制造技术、原材料、深度集成原则和准则，要求各个传感器必须有自标段的能力，否则系统越大可用性越低；微器件集成必须包括GNSS芯片，有GNSS支持的微导航器件可以确保微型传感器输出信息的时空基准的一致性；微导航器件还必须具备智能化、全天候、全空域的服务能力。第二个核心技术，多源信息融合导航算法。各个传感器集成之后还要进行融合，融合算法最大的趋向是并行计算。2001年，杨院士就提出了一个方法——自适应融合，原理很简单，就像翘翘板，哪一边可靠就往哪边倾斜，不需要你做任何干预，计算机会自动处理，得出一个最优的导航输出。

多源导航需要微器件集成的支持，否则多源导航将会复杂、笨重、高功耗。

微器件集成要保证我们时间和空间的唯一性，还必须具备智能化、全空域的服务能力。

多源导航必须解决数据的融合问题，融合强调一定要并行计算，并行计算强调基于严格的数学基础的并行计算，要优化，要能控制异常误差的影响，要基于各类观测信息，调整动力学模型减少误差的影响，得出唯一的结果。

融合导航的传感器目前是很丰富的，种类也很多，需要解决的问题也非常多。算法目前并不完善，尽管做了很多工作也花了很多功夫，但是可靠、稳定的算法仍是需要发展的。

融合导航的实践并不丰富，我们还需要做很多实验，国内还没有较成熟的软件系统。

具有自主知识产权的系统和软件并不多，中国的融合导航路是非常长的，任务也十分艰巨。