“卫星导航信息安全”专刊导读

全球卫星导航系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统,可提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时服务,是国家经济建设、国防建设、交通运输的重要基础设施,已从最初的军用导航定位服务深入到许多民用专业应用领域.然而,随着导航技术的广泛应用和干扰手段的市场化.

海上平台惯性导航技术发展现状与趋势

随着海洋信息感知、资源勘探任务以及海工装备、无人航行器编队等海上平台的不断发展,惯性导航作为海上平台应用的一项关键技术,其使用方式日趋复杂,高精度惯性自主导航、惯性/水声/地球物理场匹配组合导航、全源导航等技术在海上应用深度与广度上不断发展。本文从海上平台对惯性导航技术的需求出发,分析了静电、光学、谐振陀螺惯性导航及其水声、重力匹配等组合导航技术特性、国外研究进展,对海上平台惯性导航技术未来发展趋势进行了分析和梳理,提出深海与无人平台是惯性技术需求发展重要方向,高精度自主导航、以惯性为核心的全源信息融合与协同智能导航将是技术发展主要方向。

数字化导航技术在牙髓根尖周病诊疗中的应用进展及临床决策

以静态导航和动态导航为代表的新兴数字化医学技术,借助三维打印导板或实时导航设备协助诊疗疑难复杂的牙髓病及根尖周病,为临床提供了更加精准、安全、微创的现代化诊疗模式。目前该技术的精准度受诸多因素的影响,如设备因素、患者因素、术者因素等。临床诊疗须综合考虑上述因素,以做出最恰当的治疗决策。本文旨在系统阐述导航技术在牙髓根尖周病诊疗中的操作流程、临床应用及其准确性的影响因素,以期为临床工作提供参考和指导。

基于路径规划特点的语义目标导航方法

为了解决语义目标导航任务中存在的探索效率低、深度不精准等问题,本文构建了一个解决语义目标导航任务的框架,在语义地图构建模块中引入了深度图边缘处理以及地图纠错机制;在探索模块中引入了覆盖范围最大化算法;在路径规划模块中引入了替代点机制。本文在一个3D仿真环境下进行了实验。实验结果表明,本文提出的解决方案明显提升了语义目标导航任务的性能。此外,本文所提方法成功应用到了四足机器人上,从而验证了其在现实场景下的泛化性。

北斗导航系统专利转化分析

概述。2007年4月14日,中国发射了第一颗北斗导航卫星,标志着中国正式进入全球导航卫星系统俱乐部,成为第四个成员国。目前,中国的北斗导航系统(BDS),还有美国的全球定位系统(Global Positioning System (GPS))、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(Global Navigation Satellite System (GLONASS))、欧盟的伽利略导航卫星系统,构成了全球四大卫星导航系统,如图1所示。北斗导航系统是中国自主建设、独立运行卫星导航系统,为全球用户提供了全天时、高精度的定位、导航服务,并兼备短信报文通信功能。北斗导航的建设实践,在精准农业、渔业、林业和畜牧业等领域得到广泛应用,产生了显著的社会效益和经济效益。

改进DeepLabV3+算法提取无作物田垄导航线

机器视觉导航是智慧农业的重要部分,无作物田垄的导航线检测是旱地移栽导航的关键。针对无作物田垄颜色信息相近、纹理差距小,传统图像处理方法适用性差、准确率低,语义分割算法检测速度慢、实时性差的问题,该研究提出一种基于改进DeepLabV3+的田垄分割模型。首先对传统DeepLabV3+网络进行轻量化设计,用MobileNetV2网络代替主干网络Xception,以提高算法的检测速度和实时性;接着引入CBAM(convolutional block attention module,CBAM)注意力机制,使模型能够更好地处理垄面边界信息;然后利用垄面边界信息获得导航特征点,对于断垄情况,导航特征点会出现偏差,因此利用四分位数对导航特征点异常值进行筛选,并采用最小二乘法进行导航线拟合。模型评估结果显示,改进后模型的平均像素精确度和平均交并比分别为96.27%和93.18%,平均检测帧率为84.21帧/s,优于PSPNet、U-Net、HRNet、Segformer以及DeepLabV3+网络。在不同田垄环境下,最大角度误差为1.2°,最大像素误差为9,能够有效从不同场景中获取导航线。研究结果可为农业机器人的无作物田垄导航提供参考。

GNSS/SINS/视觉导航鲁棒算法

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)、捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)和视觉传感器优势互补,3者信息融合可获得高精度、无漂移的导航定位信息.针对GNSS/SINS/视觉融合导航易受运动速度、光照变化、遮挡等影响导致定位精度和鲁棒性降低问题,本文在图优化框架的代价函数中加入SoftLOne鲁棒核函数,设置量测值粗差检验程序,降低离群点带来的负面影响.进一步,对量测值计算残差进行卡方检验,对超限残差降权处理,提高系统精度和鲁棒性.实验结果表明,本文算法较不施加鲁棒核函数、不采用异常值剔除策略和卡方检验的传统算法,以及加入其他鲁棒核函数的算法精度更高、鲁棒性更好,能够较大程度提升GNSS/SINS/视觉导航定位精度和鲁棒性,在大尺度环境下,未出现较大漂移误差,绝对位姿均方根误差0.735 m,绝对位姿误差标准差0.336 m.

2023年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达5362亿元

5月18日,中国卫星导航定位协会在京发布《2024中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》。白皮书显示,2023年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到5362亿元人民币,较2022年增长7.09%。其中包括与卫星导航技术研发和应用直接相关的芯片、器件、算法、软件、导航数据、终端设备、基础设施等在内的产业核心产值同比增长5.5%,达到1611亿元人民币,在总体产值中占比为30.04%。由卫星导航应用和服务所衍生带动形成的关联产值同比增长7.79%,达到3751亿元人民币,在总体产值中占比达到69.96%。

融入千行百业,赋能产业创新——《2024中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》发布

5月18日,中国卫星导航定位协会在京发布《2024中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》。白皮书显示,2023年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到5362亿元人民币,较2022年增长7.09%(图1)。其中,包括与卫星导航技术研发和应用直接相关的芯片、器件、算法、软件、导航数据、终端设备、基础设施等在内的产业核心产值同比增长5.5%,达到1611亿元人民币,在总体产值中占比为30.04%。由卫星导航应用和服务所衍生带动形成的关联产值同比增长7.79%,达到3751亿元人民币,在总体产值中占比达到69.96%。

基于地球GNSS和导航增强星的地月空间导航方法

针对载人登月及无人月球探测后续任务中亟须突破的高精度实时自主导航需求,拥有GNSS自主导航能力具有重大意义,符合未来月球探测任务简便、低代价导航发展趋势。而将地球GNSS导航直接应用到地月空间导航场景所能提供的实时导航能力有限,无法满足高精度导航应用的需求。因此,提出了一种基于地球GNSS和导航增强星的地月空间导航方法,通过仅增加一颗月球空间导航节点,在播发导航信号的同时,分别建立与地球GNSS导航星座和月球用户之间的双向时间同步链路,将钟差与位置误差进行解耦,实现月球用户的高精度实时三维绝对导航。仿真结果表明,该方法能大幅提升月球用户的几何精度因子,可获得优于50m的实时定位精度,具有很强的实用性。

水下地形匹配导航研究综述

地形辅助导航系统以地形高程特征为定位信息源,可为水下航行器提供有界的定位误差,并能显著地抑制捷联惯性导航系统的误差漂移。而地形匹配算法是地形辅助导航系统的关键技术,其输出的匹配位置可作为组合导航滤波器的观测值以修正导航参数,地形匹配精度直接决定了整个导航系统性能。首先概述了现有水下导航定位技术,然后阐述了地形辅助导航基本原理与组成,最后详细总结了中外地形辅助导航系统和地形匹配算法的研究进展,为中国地形辅助导航系统的开发和研制提供有益参考和支撑。

GNSS/INS组合导航中IMU参数设定与优化

针对惯性测量单元(IMU)参数设置不合理导致全球卫星导航系统(GNSS)/惯性导航系统(INS)组合导航无法充分发挥IMU性能的问题,提出了一套IMU参数设定与优化方案,建立了以GNSS短期中断期间导航漂移误差统计值、理论估计精度一致性以及IMU误差参数估计稳定性为评估对象的考核准则,使优化后的IMU参数可以确保GNSS/INS组合导航解算中状态预测方差阵的准确性,实现预测信息与观测信息权重合理分配,进而保障GNSS/INS组合导航最优性能。实测验证采用ADIS16465和ICM206022款典型车规级和消费级微机电(MEMS)IMU进行性能测试分析,测试结果表明:初始IMU参数与GNSS/INS组合导航算法适配度较低,无法得到最优组合导航结果;优化后,IMU参数在保障组合导航最优性能基础之上,也可实现理论估计精度与实际精度高度一致。

一种机载惯性/光电组合导航误差修正方法

为提升无人机在全球卫星导航系统受限甚至拒止环境下的导航精度,提出了一种机载惯性/光电组合导航误差修正方法。考虑了捷联惯性导航系统(SINS)姿态误差对光电探测系统(EODS)定位精度的影响,建立了包含SINS姿态误差的测量方程,推导了滤波观测噪声与EODS测距、测角误差之间的函数关系,建立了准确的观测噪声协方差矩阵模型。仿真结果表明:相较于传统SINS/EODS组合导航算法,所提方法滤波收敛速度更快,并且有着更高的姿态和位置精度,2000 s后横滚、俯仰、航向精度分别提高47%、59%、82%,东向、北向、天向定位精度分别提高49%、44%、25%,提升了无人机在卫星信号较弱或缺失的环境下的导航能力。

独立式北斗机载导航天线适航要求及关键指标分析

北斗卫星导航系统在民航领域的应用已进入“机载导航应用”阶段,与“仅用作定位追踪”阶段相比,此阶段对机载卫星导航系统的要求更为严格。然而,在独立式北斗机载导航天线方面,目前国内仅有“仅用作定位追踪”的标准(CTSO-2C604a)可供参考,无法满足“机载导航应用”阶段对天线的适航要求,同时由于目前应用广泛的GPS信号与北斗信号体制不同,其相关标准也无法完全符合独立式北斗机载导航天线要求。为此,文中针对机载导航天线的技术特点,对当前国内外相关标准进行了综合分析,并考虑了适用性、安全性、当前紧迫需求以及未来发展方向,研究了独立式北斗机载导航天线的关键指标,并提出了相应的修订方案。通过研究建立了一套机载导航天线的指标要求和标准体系,旨在为独立式北斗机载导航天线设计提供必要的工业支持。

弱引力小天体的自主捕获与相对导航方法

远距离自主捕获与近距离高精度自主相对导航是小天体探测任务中的关键问题,并且目标尺寸越小,问题越突出。首先,针对数万千米到数千千米远距离范围内的星空背景暗弱目标难以识别的问题,提出综合利用运动学和亮度的全自主捕获和识别方法,可以实现距离大范围变化的快速准确捕获,具备了3万千米以远捕获10等星暗弱目标的能力;其次,针对数千到数十千米范围交会段视线测量可观性不足的问题,提出基于视线和轨迹机动一体化设计的相对导航方法,在考虑燃料消耗的前提下有效地提高了轨迹可观性,实现了交会段优于5%精度的相对位置导航;最后,针对近距离不规则小天体表面附近的相对导航问题,提出基于图像陆标和点云特征相结合的光学导航方法,可同时适应阳照区和阴影区的探测需求,并结合基于多源数据融合的弱引力小天体重力场反演方法,进一步提高近距相对导航的精度,近距采样相对位置优于1 m,相对速度优于1 cm/s。对所提出的方法进行了数学和物理的仿真验证。提出的方法有效解决了小天体探测中的高精度相对导航问题,也能适用于数十米量级直径大小和明暗快速交替变化的小天体着陆探测任务。

月球导航星座轨道的地球GNSS可见性评估

随着月球探索进入一个新的时代,为确保未来月球任务的实时高精度定位,大幅提高登月航天器的自主性,且减少对地球基站的依赖,选取合适的轨道构建月球导航星座,并且实现月球导航星座与地球GNSS的通信链路同步尤为重要。为评估月球导航星座轨道中卫星接收GNSS信号的性能,首先对椭圆形月球冻结轨道(ELFO)、近直线晕轨道(NRHO)、顺行圆形轨道(PCO)和低月球轨道(LLO)4种轨道进行仿真。然后基于天线方向图等指标仿真了GNSS卫星信号,并依据主旁瓣波束宽度和载噪比等仿真结果评估了4种不同轨道卫星对GNSS的可见性。结果表明,NRHO和ELFO对GNSS星座有较好的可视效果,最高可见时间占比达99.57%,保障了绝大部分时间内能够稳定接收GNSS信号,有助于实现月球导航星座轨道卫星的轨道和时钟校正,并保证轨道的定位性能。

产业专利标准双导航技术路径与应用场景探讨

为提高产业创新驱动发展能力,加快建设现代化产业体系,精准进行产业创新规划和政策设计愈发重要。在此背景下,本文首次提出了产业专利标准双导航技术,梳理总结了产业专利标准双导航技术的相关概念、技术路径、技术特征与应用场景,为政府制定产业创新规划与政策设计提供了新思路。

面向行人导航意图探测的脑电分类研究

行人导航意图的自动识别是行人导航研究的一个难点问题,对建立智慧导航服务与新型的人机交互方式至关重要。目前,利用行为模式推估导航意图成为主流的解决方案,但是,这种方案依赖多种传感器且具有时滞性。本文提出了一种基于脑成像技术的行人导航意图探测方法,通过多导联的、高时间分辨率的脑电信号解译行人的转向意图。首先,在处于道路交叉口的场景下,依照标准的运动想象范式采集得到4类导航意图对应的脑电原始数据,包括直行、停止、左转和右转;然后,融合脑电在时频域、空间域与功能连接上的特征,构建表达脑电活动过程的脑电时空连接网络,便于捕获与导航意图高度相关的脑电特征;最后,采用图卷积神经网络编码脑电时空连接网络,完成由脑电到4类导航意图的映射,并利用9个被试者的脑电数据作为样本集对本文方法的有效性进行验证。试验结果表明,采用短时窗(1 s)探测4类导航意图的平均精度为0.443±0.062,最高精度可达0.571。采用长时窗(6 s)探测4类导航意图的平均精度为0.525±0.084,最高精度可达0.665。该方法的探测精度略优于其他脑电解译算法,且对前进和停止意图的识别能力优秀,最高可达0.740和0.700。

基于注意力机制的GRU神经网络辅助INS/GNSS组合导航算法

针对全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)信号失锁导致定位精度低的问题,提出一种基于注意力机制的门控循环单元(Gated Recurrent Unit,GRU)神经网络辅助惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)和全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的组合导航算法。在惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)信号中采用5点中值滤波降低随机噪声,训练结合注意力机制的GRU神经网络辅助组合导航。当GNSS信号失锁时,预测伪GNSS位置辅助组合导航,以解决惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)位置随时间发散的问题。仿真结果表明,与基于多层感知机(Multi-Layer Perceptron,MLP)神经网络的算法和基于长短期记忆递归(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络的算法相比,所提算法在转弯和直线场景下,北向和东向位置最大误差均低于对比算法,可以在GNSS信号失锁的情况下提高导航定位精度。

地磁导航定位技术原理与方法综述

地磁导航定位是多源融合导航定位技术体系中重要的技术手段之一,具有适用范围广、抗电磁干扰能力强、可全天时全天候工作等优点,为运动载体特别在地下、水下等卫星信号接收受限的场景提供一条无源被动的自主导航定位技术途径.然而地磁场导航定位的实现过程通常因其应用的载体和场景不同而存在一定差异,本文将根据地磁导航定位的不同应用场景进行分类阐述,对其相应的原理与方法进行综述,以期助力地磁导航定位技术领域的后续推进.