飛行載體自主著陸導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢

李豐陽，賈學(xué)東，董 明

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，鄭州 450001；2.地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；3.衛(wèi)星導(dǎo)航工程中心，北京 100094)

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飛行載體自主著陸導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢

李豐陽1,2，賈學(xué)東1，董 明2,3

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，鄭州 450001；2.地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；3.衛(wèi)星導(dǎo)航工程中心，北京 100094)

為了進(jìn)一步研究飛行載體著陸導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，首先論述自主著陸的概念及意義，并回顧衛(wèi)星導(dǎo)航和視覺測量2種基于單一導(dǎo)航手段的自主著陸研究進(jìn)展，然后重點(diǎn)分析飛行載體自主著陸的多源導(dǎo)航信息融合發(fā)展現(xiàn)狀，最后歸納出飛行載體自主著陸導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢。研究結(jié)果可為多源導(dǎo)航信息融合在自主著陸系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。

自主著陸；視覺導(dǎo)航；慣性導(dǎo)航；組合導(dǎo)航；多源信息融合

0 引言

自主著陸是指飛行載體在降落階段，將機(jī)載設(shè)備得到的所有有用信息通過一定技術(shù)手段綜合處理，快速獲取穩(wěn)定性強(qiáng)、信息充分的降落信息，使飛行載體在復(fù)雜環(huán)境下自主完成降落。

將著陸過程交由導(dǎo)航系統(tǒng)自主處理，極大地提高了工作效率，從復(fù)雜的儀表儀器指標(biāo)的監(jiān)測轉(zhuǎn)換為簡潔的飛行狀態(tài)屏顯的判讀，有效地減輕了地面工作人員及機(jī)組人員的工作負(fù)擔(dān)，降低了著陸的危險(xiǎn)性；同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，微型飛行器呈井噴式的增長為空域管理安全埋下了極大的隱患，顯然，非專業(yè)級的消費(fèi)市場對快速、穩(wěn)健的自主著陸技術(shù)需求非常迫切；此外，現(xiàn)代化戰(zhàn)爭正向高精度、無人化、遠(yuǎn)程打擊方向發(fā)展，在以非對稱、非接觸、非線性為特點(diǎn)的未來作戰(zhàn)模式中，飛行載體自主著陸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無人載體快速開辟機(jī)降場地的技術(shù)，為敵后無人化軍事行動(dòng)的實(shí)現(xiàn)提供可能。

自主著陸作為飛行載體高精度、無人化發(fā)展的重要支撐技術(shù)，其事故風(fēng)險(xiǎn)高、對導(dǎo)航的需求明顯，作為飛行任務(wù)的末端環(huán)節(jié)，具有與其他飛行階段完全不同的導(dǎo)航需求[1-2]，儼然成為了整個(gè)飛行任務(wù)的重中之重。目前，圍繞無人化、自主化的安全、快速、穩(wěn)健的著陸導(dǎo)航需求，國內(nèi)外已相繼開展了一系列基于單一導(dǎo)航系統(tǒng)的飛行載體自主著陸技術(shù)，并顯現(xiàn)出基于多源導(dǎo)航信息融合的研究新趨勢。

1 基于單一導(dǎo)航手段的自主著陸

1.1 基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自主著陸

飛行載體自主著陸技術(shù)始于大型飛機(jī)的精密進(jìn)近，限于通信和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展階段，早期的飛行載體著陸系統(tǒng)大多利用無線電信號對環(huán)境進(jìn)行定位來控制飛行載體著陸在指定區(qū)域?；趥鹘y(tǒng)無線電引導(dǎo)的自主著陸系統(tǒng)主要分為2個(gè)階段即儀表著陸系統(tǒng)(instrument landing system，ILS)和微波著陸系統(tǒng)(microwave landing system，MLS)。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的不斷成熟，基于衛(wèi)星的著陸系統(tǒng)逐漸成為研究熱點(diǎn)，并很快應(yīng)用于大型飛機(jī)。其通過從多顆衛(wèi)星發(fā)送的電磁信號中解析并提取有效導(dǎo)航信息，根據(jù)空間后方交會原理得到載體與地面的位置關(guān)系，為飛行載體提供高精度的絕對導(dǎo)航信息[3]。

2004年，中國電科研制出國內(nèi)首套衛(wèi)星導(dǎo)航的地基增強(qiáng)(ground-based augmentation systems，GBAS)著陸系統(tǒng)。通過采集全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)和 GBAS信號，獲取偽距、完好性以及GBAS相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)差分修正信息，引導(dǎo)載體進(jìn)近。該系統(tǒng)已在國內(nèi)多家機(jī)場累積試飛測試80余架次，效果良好。此外，相關(guān)學(xué)者也針對GNSS/偽衛(wèi)星組合的進(jìn)場著陸系統(tǒng)進(jìn)行了研究[4-5]。

2010年，美軍國防部[6]發(fā)布聯(lián)合精密進(jìn)場著陸系統(tǒng)(joint precision approach and landing system，JPALS)發(fā)展規(guī)劃。作為典型的星基著陸系統(tǒng)，JPALS分別解算出載體與地面上的全球定位系統(tǒng)(global position system，GPS)接收機(jī)的相對位置，利用局域載波相位差分實(shí)現(xiàn)多機(jī)種自主著陸，著陸精度2.0～4.0 m(95 %)。

相比于傳統(tǒng)無線電引導(dǎo)著陸，基于衛(wèi)星的自主著陸對地面設(shè)備依賴性相對較低，經(jīng)濟(jì)效益明顯；在衛(wèi)星信號體制的基礎(chǔ)上，對傳遞信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，工作模式與傳統(tǒng)無線電不同，因此可以實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的兼容互操作。但是，無線電信號的傳播體制決定了：其一，信號在傳播過程中易受到各類障礙物和接近頻段電磁波的影響，導(dǎo)致定位精度急劇降低；其二，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)受到所屬國家的嚴(yán)格控制，雖在和平時(shí)期未對衛(wèi)星系統(tǒng)的使用加以限制，但為戰(zhàn)時(shí)應(yīng)用埋下了隱患。

1.2 基于視覺測量的自主著陸

近年來，計(jì)算機(jī)視覺隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器制作工藝等的發(fā)展，從中衍生出視覺導(dǎo)航技術(shù)，其被認(rèn)為是解決飛行載體快速穩(wěn)定著陸最有前途的方式之一。

基于視覺測量的自主著陸系統(tǒng)根據(jù)著陸平臺的不同分為機(jī)載和地基2種。機(jī)載著陸系統(tǒng)將視覺等多種機(jī)載導(dǎo)航信息融合，通過已知地面特征獲取載體位姿，大多應(yīng)用于旋翼式飛機(jī)；地基著陸系統(tǒng)是根據(jù)位置固定的相機(jī)測量載體，從外部對機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。

21世紀(jì)初，基于合作目標(biāo)的視覺導(dǎo)航在飛行載體著陸導(dǎo)航中的研究陸續(xù)展開。2002年，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了1.22 m×1.22 m的“H”型著陸標(biāo)志，在7次飛行試驗(yàn)中，著陸位置誤差為0.4 m，相對方位精度為7°。2007年，文獻(xiàn)[8]提出基于紅外視覺的無人機(jī)自主著陸“T”型合作目標(biāo)，平均辨識時(shí)間為0.017 2 s。2008年，文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了新型雙圓圖案著陸平面靶標(biāo)，最終特征提取及標(biāo)記耗時(shí)小于0.009 s,單軸位置的均方根誤差(root mean square，RMS)小于0.06 m，姿態(tài)RMS小于0.7°(距靶標(biāo)10 m)。

2009年，文獻(xiàn)[10]創(chuàng)新性地提出了地基攝像測量系統(tǒng)的思想，利用攝像測量的方法實(shí)時(shí)測量飛機(jī)與地面環(huán)境中的特征地物的相對導(dǎo)航信息，計(jì)算出飛行軌跡與預(yù)計(jì)下滑軌道的偏差，從而引導(dǎo)飛機(jī)著陸。在1 000 m測量區(qū)域的實(shí)際外場飛行試驗(yàn)中，實(shí)測結(jié)果與基于機(jī)載差分全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(differential global navigation satellite system，DGNSS)的載體著陸相比，著陸精度相差0.2 m。

2016年，美陸軍試研發(fā)一種新型“聯(lián)合精確空投系統(tǒng)”(joint precision airdrop system，JPADS)，該系統(tǒng)配備“空中制導(dǎo)裝置”，利用慣性設(shè)備控制翼傘姿態(tài)，光學(xué)傳感器則用來捕捉地形特征，與衛(wèi)星圖像進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)定位。JPADS預(yù)計(jì)將于7 260 m高空精確降落在半徑為32 000 m范圍內(nèi)的指定位置，目前已在3 000 m高空進(jìn)行試驗(yàn)，效果良好。

視覺手段由于具有自主性強(qiáng)、不受電磁干擾、對相對導(dǎo)航信息更加敏感，且精度隨距離減少而增強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在面向目標(biāo)的應(yīng)用領(lǐng)域(導(dǎo)彈末端制導(dǎo)、無人駕駛、火星著陸等)中發(fā)揮著重要作用；但其受環(huán)境和背景光照等因素影響嚴(yán)重，且高采樣率在提供充足數(shù)據(jù)的同時(shí)，不可避免地導(dǎo)致了大量圖像運(yùn)算和處理時(shí)耗，不能滿足飛行載體對實(shí)時(shí)性的要求。

1.3 小結(jié)

顯然，面向飛行載體自主著陸過程的一套完備導(dǎo)航體系的建立必須在利用上述單一導(dǎo)航信息的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)飛行載體與環(huán)境間的導(dǎo)航信息交互，發(fā)揮單一導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢，探索新的組合導(dǎo)航手段以及新的導(dǎo)航融合方式，從而滿足自主著陸過程對導(dǎo)航系統(tǒng)的精確度及可靠性的要求。

2 基于多種導(dǎo)航信息融合的自主著陸

隨著導(dǎo)航與通信等技術(shù)的不斷成熟，飛行載體的著陸平臺逐漸從靜基轉(zhuǎn)向動(dòng)基，應(yīng)用環(huán)境逐漸從地面向深空領(lǐng)域發(fā)展，單一導(dǎo)航方式顯然難以滿足自主著陸對精確度、可靠性及實(shí)時(shí)性的要求，多種導(dǎo)航信息融合技術(shù)逐漸成為研究的主要方向。

2.1 基于2種導(dǎo)航手段的自主著陸

2001年，文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了基于慣導(dǎo)/視覺組合導(dǎo)航的著陸方法。無人機(jī)根據(jù)從圖像序列獲取特征點(diǎn)的延時(shí)與概略位置，依據(jù)沿著陸軌跡方向角速度最小化的策略[12]建立著陸軌跡模型，實(shí)時(shí)評估有利著陸位置，從而導(dǎo)航無人機(jī)至屋頂?shù)容^高地勢區(qū)域。該方法在著陸過程中，不依靠場景圖像信息或航拍飛機(jī)，甚至如GPS等其他導(dǎo)航手段進(jìn)行輔助。

2003年，文獻(xiàn)[13]提出面向飛行載體進(jìn)場、下降和著陸(entry, descent, and landing，EDL)過程的慣性/景象匹配導(dǎo)航算法，將提取得到的視覺特征觀測量與慣性觀測量進(jìn)行緊組合，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波實(shí)時(shí)精確給出著陸器的地表相對位姿和速度，在探空火箭測試飛行實(shí)驗(yàn)中，速度誤差為0.16 m/s，位置誤差為6.4 m。

2008年，文獻(xiàn)[14]將GPS組合觀測量進(jìn)行濾波，再將慣導(dǎo)融合或使用陣列天線的方式解決待著陸的飛行載體可能遇到的衛(wèi)星信號干擾問題，再實(shí)時(shí)檢測并避免電離層風(fēng)暴、衛(wèi)星星歷錯(cuò)誤等異常現(xiàn)象，最終實(shí)現(xiàn)精確的飛行載體在海基載體上的自主著陸，該“兩步導(dǎo)航方法”可避免極端環(huán)境下JPALS完好性受損。

2016年初，德國航空航天中心實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)自主降落在以20.8 m/s行駛的汽車頂部。通過車頂放置的視覺標(biāo)記，無人機(jī)追蹤系統(tǒng)利用慣性/視覺組合手段實(shí)時(shí)跟蹤汽車位置并以相同的速度同步飛行，當(dāng)二者速度一致時(shí)，無人機(jī)就降落到汽車頂部的網(wǎng)上，最終降落精度為0.5 m，如圖1所示。

2016年，文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了基于視覺/慣性組合導(dǎo)航的月球精密進(jìn)近系統(tǒng)。為了解決月球著陸器由太陽能供電，以及月球地形起伏大和光照不均勻等問題，該系統(tǒng)可在月球表面任意飛行，利用局域范圍內(nèi)著陸點(diǎn)提取算法搜索理想的著陸點(diǎn)，為平臺進(jìn)行長時(shí)間充電。在半物理仿真試驗(yàn)中，著陸點(diǎn)的平面位置誤差在4 m，在3 000 m的高度時(shí)，高程誤差達(dá)到47 m(3 RMS)，符合精確著陸的需求，如圖2所示。

2.2 基于多源信息融合技術(shù)的自主著陸

多源信息融合是將不同時(shí)空域上的多傳感器信息在一定準(zhǔn)則下加以分析，得到被測對象的一致性解釋與描述，使系統(tǒng)獲得更優(yōu)越的性能。常用導(dǎo)航信息有衛(wèi)星、慣性、視覺、雷達(dá)及激光測距以及測高儀測高信息。

1991年，文獻(xiàn)[16]對GPS/INS組合的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并利用無線電高度表對其輔助，驗(yàn)證了在飛機(jī)精密進(jìn)場著陸過程中系統(tǒng)的可靠性。

2004年，文獻(xiàn)[17]提出基于GPS/INS/激光掃描儀/計(jì)算機(jī)視覺組合的無人機(jī)導(dǎo)航和著陸精確引導(dǎo)技術(shù)。在GPS被關(guān)閉或受干擾情況下，領(lǐng)域慣導(dǎo)引導(dǎo)載體至著陸點(diǎn)附近，再利用紅外激光掃描/計(jì)算機(jī)視覺探測識別著陸點(diǎn)，最后通過視覺導(dǎo)航手段在近距離獲取跑道方向，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)全天候精確自主著陸。

2011年，文獻(xiàn)[18]提出了面向微小型無人機(jī)的衛(wèi)星/慣性/視覺的組合導(dǎo)航方案，利用視覺測量和GPS測量分別與INS組成子濾波器系統(tǒng)。仿真驗(yàn)證表明在GPS信號失效時(shí)，該系統(tǒng)具有一定容錯(cuò)性能。

2013年，文獻(xiàn)[19]提出基于衛(wèi)星/慣性/視覺的固定翼無人機(jī)自主著陸系統(tǒng)，使用視覺相機(jī)檢測著陸跑道的軌跡，并憑借GPS進(jìn)行定位。該跑道檢測算法利用高階幾何模型處理大量圖像信息，得到跑道的著陸點(diǎn)和相對該位置的航向角，實(shí)現(xiàn)了在不同季節(jié)，以及惡劣環(huán)境下安全、穩(wěn)健的自主著陸。

2.3 小結(jié)

綜上所述，以慣性為主的多源組合引導(dǎo)著陸系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。對于慣性/衛(wèi)星組合著陸系統(tǒng)，可利用可靠的慣導(dǎo)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測衛(wèi)星的異常現(xiàn)象，從而快速捕獲衛(wèi)星信號，衛(wèi)星導(dǎo)航則在可用時(shí)提供高精度著陸信息；對于慣性/視覺組合著陸系統(tǒng)，慣性設(shè)備自主性強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采樣率高，而視覺相機(jī)在以非接觸為特點(diǎn)的航空航天領(lǐng)域，能夠充分發(fā)揮其在復(fù)雜環(huán)境下便于人機(jī)交互的優(yōu)勢，且隨著著陸距離的縮短而精度不斷提高。隨著多源信息融合技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的發(fā)展，基于衛(wèi)星/慣性/視覺信息融合的飛行載體自主著陸成為研究新趨勢，衛(wèi)星在數(shù)據(jù)可用時(shí)，為載體提供高精度的位置信息，當(dāng)衛(wèi)星失鎖或者受到障礙無遮擋時(shí)，利用視覺導(dǎo)航輔助慣性導(dǎo)航進(jìn)行誤差修正。

3 發(fā)展趨勢

隨著軍事應(yīng)用從空域逐漸拓展到深空領(lǐng)域，飛行載體種類不斷增多，促使面向自主著陸的導(dǎo)航技術(shù)更加完善。

3.1 衛(wèi)星技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的GNSS。我國于2016-06-12成功發(fā)射了第23顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，在完成入軌、在軌測試后，這顆地球同步軌道(geostationary Earth orbit，GEO)衛(wèi)星將與其他在軌衛(wèi)星共同提供服務(wù)。至此，BDS共有6顆GEO衛(wèi)星、8顆中圓地球軌道(medium Earth orbit，MEO)衛(wèi)星和8顆傾斜地球同步軌道(inclined geo-synchronous orbits，IGSO)衛(wèi)星，BDS建設(shè)將從“保穩(wěn)”向著“擴(kuò)展”邁進(jìn)，從而為系統(tǒng)服務(wù)從“局域”向“全球”拓展奠定基礎(chǔ)，如表1所示。

表1 二代BDS發(fā)射衛(wèi)星概況

截至2016-06-12，全世界在軌運(yùn)行的導(dǎo)航衛(wèi)星103顆，正式提供導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星70顆。在全球衛(wèi)星服務(wù)上，只有美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)和BDS投入全面運(yùn)行服務(wù)，為用戶提供定位、導(dǎo)航與授時(shí)(position, navigation and timing，PNT)服務(wù)，如表2所示。

表2 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數(shù)量(數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間截至2016-06-12)

隨著各國導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，精度已經(jīng)不再是衡量衛(wèi)星導(dǎo)航性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)?！氨倍?”“GPS備份能力”等概念的提出，使完好性和服務(wù)性能成為飛行器自主著陸等導(dǎo)航關(guān)鍵領(lǐng)域的迫切需求。衛(wèi)星信號的頻段擴(kuò)展(S頻段等)、衛(wèi)星星座的合理布設(shè)、地面基站的穩(wěn)定可靠，以及后續(xù)用戶終端服務(wù)(衛(wèi)星通信、衛(wèi)星搜救等)的完善將成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)，在電子對抗日益激烈的戰(zhàn)場環(huán)境中，由于依賴GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航手段而造成的任務(wù)失敗屢見不鮮，比如2011年，伊朗通過GPS信號欺騙成功引誘RQ-170隱形無人機(jī)在敵營著陸；此外，在面向信息化的未來戰(zhàn)爭中，反衛(wèi)星導(dǎo)彈、衛(wèi)星干擾裝置的應(yīng)用不斷成熟：顯然，衛(wèi)星導(dǎo)航不能承擔(dān)無人戰(zhàn)機(jī)自主著陸等關(guān)鍵任務(wù)的重要責(zé)任。

3.2 慣性技術(shù)

鑒于衛(wèi)星信號固有的脆弱性，慣性導(dǎo)航受到各國的重視。目前，慣性測量精度已進(jìn)入發(fā)展“瓶頸”，無論是軍事武器裝備小型化、緊湊化的發(fā)展趨勢，還是民用智能設(shè)備集成化、微型化的迫切需求，長期穩(wěn)定的高精度，以及設(shè)備的低成本與小型化將是慣性技術(shù)新的發(fā)展方向。微機(jī)電、光學(xué)、量子力學(xué)等領(lǐng)域的技術(shù)突破為新型慣性器件的研制注入了新的動(dòng)力，光子晶體光纖陀螺、微光機(jī)電(micro optic electro mechanical system，MOEMS)陀螺、原子陀螺等技術(shù)不斷取得新進(jìn)展。美國國防部高級研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)已著手研究導(dǎo)航級集成微陀螺(navigation grade integrated micro gyroscopes，NGIMG)，并于2010年開展微型導(dǎo)航、定位和授時(shí)(micro technology for positioning navigation and timing，Micro-PNT)項(xiàng)目，研究目的均是在減少對GPS依賴的同時(shí)，提升系統(tǒng)精確度，增加作用范圍，同時(shí)減少尺寸、重量和功率，如表3所示。預(yù)計(jì)2020年，干涉式光纖陀螺儀將達(dá)到0.000 1(°)/h的零偏穩(wěn)定性，與目前靜電陀螺的精度相當(dāng)；而MOMES陀螺精度將達(dá)到0.01(°)/h，與目前光纖陀螺的精度相當(dāng)，這將使微型慣性系統(tǒng)的精度提高2個(gè)數(shù)量級左右；此外，有報(bào)道稱基于量子效應(yīng)的新型慣性系統(tǒng)的理論精度高達(dá)10-12(°)/h，且具有長期穩(wěn)定性，這有望擺脫慣性系統(tǒng)不能作為單一導(dǎo)航系統(tǒng)使用的魔咒。但是現(xiàn)階段，中國無論是微型慣性技術(shù)的研發(fā)水平，還是微型慣性器件的制造與批量生產(chǎn)能力均與國外有較大差距。在飛行器自主著陸等對導(dǎo)航精度具有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域，以慣性為主的組合導(dǎo)航技術(shù)仍為研究的重點(diǎn)。

表3 NGIMG和Micro-PNT預(yù)期指標(biāo)

3.3 視覺技術(shù)

隨著視覺傳感器水平和圖像處理能力不斷進(jìn)步，視覺技術(shù)在自主著陸領(lǐng)域顯現(xiàn)出向使用平臺更輕盈、傳感器表現(xiàn)水平更低，以及導(dǎo)航計(jì)算消耗的資源更少的方向發(fā)展。傳感器方面，美國預(yù)計(jì)于2022年建成巡天望遠(yuǎn)鏡相機(jī)，分辨率高達(dá)32億，而日本將在2016年發(fā)布8K相機(jī)。算法方面：視覺里程計(jì)不依賴于合作目標(biāo)，對航位進(jìn)行推算，廣泛應(yīng)用于星際探測器著陸領(lǐng)域；視覺光流法在無GPS信號的室內(nèi)環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航與著陸，在消費(fèi)級微型無人機(jī)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景；同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping，SLAM)在完全未知環(huán)境中創(chuàng)建地圖，同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航定位，是飛行載體自主著陸領(lǐng)域的新興技術(shù)；此外，基于視覺的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)也逐漸從航空航天領(lǐng)域向地面導(dǎo)航過渡。隨著視覺導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，在民用領(lǐng)域，新型的地基攝影著陸系統(tǒng)有望成為更穩(wěn)定、不受電磁干擾的陸基著陸系統(tǒng)；而在軍用領(lǐng)域，該系統(tǒng)并不能滿足復(fù)雜天氣條件下的實(shí)時(shí)、穩(wěn)健著陸要求，可以作為輔助引導(dǎo)手段。但是，視覺信息獲取的途徑?jīng)Q定了其受光線以及環(huán)境因素影響較大，對視覺標(biāo)志有一定依賴性，如2015-01，加拿大貨船“Atlantic Erie”在海面通視不佳的情況下，僅利用視覺導(dǎo)航將浮標(biāo)作為主要參照物，并沒有采用其他導(dǎo)航設(shè)備對船位核實(shí)和監(jiān)控，導(dǎo)致擱淺。因此，在天氣復(fù)雜的環(huán)境下，飛行載體的自主著陸仍需要依賴其他導(dǎo)航手段。

3.4 小結(jié)

考慮到飛行器載體自主著陸在導(dǎo)航領(lǐng)域存在的問題與需求，未來的發(fā)展趨勢主要是在滿足飛行載體完好性的基礎(chǔ)上保證實(shí)時(shí)的導(dǎo)航定位性能，具體有以下3方面：

1)在飛行載體著陸系統(tǒng)方面，基于衛(wèi)星導(dǎo)航的機(jī)載著陸系統(tǒng)依靠無線電信號對環(huán)境定位，這種方式嚴(yán)重依賴于電磁信號的質(zhì)量；同時(shí)，基于視覺測量的地基著陸系統(tǒng)可從外部對機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性進(jìn)行檢驗(yàn)，但受天氣環(huán)境和背景光照等因素影響嚴(yán)重：因此建立機(jī)載和地基融合的飛行載體自主著陸系統(tǒng)可以從信息源層面彌補(bǔ)單一著陸系統(tǒng)失效導(dǎo)致的問題。

2)在導(dǎo)航技術(shù)方面，隨著導(dǎo)航手段飛速發(fā)展，導(dǎo)航設(shè)備的體積、功耗以及定位性能不斷提高，新的組合導(dǎo)航技術(shù)逐漸能夠滿足不同的飛行平臺的導(dǎo)航需求：對于民用飛行載體，高容錯(cuò)率的微波/衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)為客機(jī)提供了安全保證；對于商業(yè)消費(fèi)級微型無人機(jī)，高實(shí)時(shí)性的視覺/MEMS/衛(wèi)星組合導(dǎo)航技術(shù)的突破為非專業(yè)級的消費(fèi)者提供了更便捷、操作性強(qiáng)的用戶體驗(yàn)；對于軍用無人機(jī)，高精度的慣導(dǎo)/地形匹配等導(dǎo)航融合技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)降場地的快速開辟，為敵后無人化軍事目的的實(shí)現(xiàn)提供可能。

3)在導(dǎo)航信息融合方面，現(xiàn)有方法包括：對子導(dǎo)航系統(tǒng)獨(dú)立輸出的導(dǎo)航解進(jìn)行松組合模式的數(shù)據(jù)融合，即基于導(dǎo)航解的融合；以及對導(dǎo)航系統(tǒng)的內(nèi)在信息以及各導(dǎo)航系統(tǒng)之間的相互信息進(jìn)行緊組合模式的數(shù)據(jù)融合，即基于觀測量及幾何關(guān)系的融合。但無論是哪種方式，均是利用其他導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差信息對主導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航解和系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化，而對于外界的環(huán)境變化，顯然可以利用信息融合的導(dǎo)航方式提取有價(jià)值的環(huán)境特征信息，可以將這些環(huán)境信息作為先驗(yàn)信息參與到導(dǎo)航系統(tǒng)的模型、算法中，使系統(tǒng)更加真實(shí)、有效，還可以用于敏感狀態(tài)辨識和故障的檢測與警告。

4 結(jié)束語

雖然各項(xiàng)導(dǎo)航技術(shù)不斷發(fā)展并趨于穩(wěn)定，但目前單一的導(dǎo)航手段難以滿足自主著陸的導(dǎo)航需求，而多種導(dǎo)航手段的信息融合、缺點(diǎn)互補(bǔ)，能夠達(dá)到面向自主著陸的導(dǎo)航載體對精度、可靠性、實(shí)時(shí)性的要求；顯然，以衛(wèi)星/慣性/視覺融合為主的組合導(dǎo)航技術(shù)是發(fā)展趨勢。因此，建立一整套可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息在飛行載體的自主著陸過程中載體和環(huán)境間的交互，以及從導(dǎo)航到定位、從誤差修正到故障檢測等一系列導(dǎo)航處理功能的，完備的導(dǎo)航著陸系統(tǒng)將是進(jìn)一步的發(fā)展趨勢。

[1] 陳楸,曹衛(wèi)濤.基于場景識別的無人機(jī)自主著陸組合導(dǎo)航研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2011，28(2): 84-87.

[2] 唐大全,畢波,王旭尚.自主著陸/著艦技術(shù)綜述[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào),2010,18(5): 550-555.

[3] 許其鳳.空間大地測量學(xué)：衛(wèi)星導(dǎo)航與精密定位[M].北京：解放軍出版社，2001:3-10.

[4] 孫紅星,唐衛(wèi)明,陳渠森.GNSS/偽衛(wèi)星組合定位實(shí)現(xiàn)飛機(jī)高可靠性高精度進(jìn)場著陸導(dǎo)航[J].數(shù)字通信世界，2011(8): 55-58.

[5] 張京娟,謝淑香,高文，等.偽衛(wèi)星/慣性飛機(jī)自動(dòng)著陸導(dǎo)引技術(shù)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，13(5): 20-23.

[6] 劉菁.基于聯(lián)合精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)(JPALS)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代導(dǎo)航,2014(1): 75-78.

[7] SARIPALLI S,MONTGOMERY J F,SUKHATME G S.Vision-based autonomous landing of an unmanned aerial vehicle[C]//Institute of Electrical and Electronic Engineers(IEEE).Proceedings of 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA 2002).Washington D.C,USA：IEEE,2002: 2799-2804.

[8] 嵇盛育，徐貴力，馮文玲，等.基于紅外視覺的無人機(jī)自主著艦合作目標(biāo)的研究[J].紅外技術(shù)，2007,29(10): 593-597.

[9] 張廣軍，周富強(qiáng).基于雙圓特征的無人機(jī)著陸位置姿態(tài)視覺測量方法[J].航空學(xué)報(bào)，2005，26(3): 341-348.

[10]于起峰，尚洋.攝像測量學(xué)原理與應(yīng)用研究[M].北京：科學(xué)出版社，2009: 204-211.

[11]VISHNU R,MICHAEL N,HUMENBERGER M,et al.Vision-based landing site evaluation and trajectory generation toward rooftop landing[EB/OL].(2015-06-22)[2016-01-22]. http://www.roboticsproceedings.org/rss10/p44.pdf.

[12]SHEN S,MULGAONKAR Y,MICHAEL N,et al.Vision-based state estimation and trajectory control towards high-speed flight with a quadrotor[EB/OL].(2015-06-22)[2016-01-22]. http://www.roboticsproceedings.org/rss09/p32.pdf.

[13]ANASTASIOS I M,NIKOLAS T,STERGIOS I R,et al,Vision-aided inertial navigation for spacecraft entry, descent, and landing[J].IEEE Transactions on Robotics，2013,25(2): 264-280.

[14]RIFE J,KHANAFSEH S,PULLEN S,et al.Navigation,interference suppression,and fault monitoring in the sea-based joint precision approach and landing system：special antennas and a combination of satellite and inertial guidance data promise to overcome system faults and interference to allow safe landing of aircraft on U.S. navy carriers at sea[J].Proceedings of the IEEE,2008,96(12): 1958-1975.

[15]DELAUNE J,BESNERAIS G L,VOIRIN T,et al.Visual-inertial navigation for pinpoint planetary landing using scale-based landmark matching[J].Robotics and Autonomous Systems，2016,78(C): 63-82.

[16]袁信，劉建業(yè)，倪永錫.GPS組合系統(tǒng)在飛機(jī)進(jìn)場著陸中的應(yīng)用[J].南京航空學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，23(4): 1-7.

[17]徐貴力，程月華，沈春林.基于激光掃描和計(jì)算機(jī)視覺的無人機(jī)全天候自主著陸導(dǎo)引技術(shù)[J].航空學(xué)報(bào)，2004，25(5): 499-503.

[18]邵瑋，祝小平，趙剛，等.基于視覺/GPS/MEMS-INS數(shù)據(jù)融合的MUAV導(dǎo)航方案[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2011，7(1): 77-81.

[19]MAXIMILIANL,KONSTANTIN K,MARC S.et al.Vision aided automatic landing system for fixed wing UAV[J].IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots & Systems,2013,11(3): 2971-2976.

Currentnavigation development and tendency of aircraft autonomous landing

LI Fengyang1,2, JIA Xuedong1, DONG Ming2,3

(1.Institution of Navigation and Aerospace Engineering, Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China;2.State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China;3.Satellite Navigation Engineering Center, Beijing 100094, China)

In order to further study on the construction of aircraft autonomous landing navigation system, the paper introduced the concept and meaning of aircraft autonomous landing, and reviewed the history of the aircraft autonomous landing about satellite navigation and visual measurement from the aspects of single navigation, then focused on the current development of multi navigation information fusion of aircraft autonomous landing, finally induced the prospect of navigation technology for aircraft autonomous landing. The study result could provide a reference for the application of multi navigation information fusion in autonomous landing system.

autonomous landing; vision navigation; inertial navigation; integrated navigation; multi information fusion

2016-08-29

地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)基金項(xiàng)目(SKLGIE2014-Z-2-1)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41274046)；省部級及重要橫向科研項(xiàng)目(2015XD01256-613)。

李豐陽(1992—)，男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻M合導(dǎo)航、衛(wèi)星/慣性/視覺導(dǎo)航信息融合。

賈學(xué)東(1975—)，男，河南南陽人，博士，副教授，研究方向?yàn)閷?dǎo)航時(shí)間與頻率系統(tǒng)、導(dǎo)航裝備。

李豐陽，賈學(xué)東，董明.飛行載體自主著陸導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2017，5(2)：7-13.(LIFengyang，JIAXuedong，DONGMing.Currentnavigationdevelopmentandtendencyofaircraftautonomouslanding[J].JournalofNavigationandPositioning，2017，5(2)：7-13.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20170202.

P

A

2095-4999(2017)02-0007-07