院士论坛| 杨元喜：微PNT与综合PNT

《测绘学报》

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微PNT与综合PNT

杨元喜¹, 李晓燕²     

1. 西安测绘研究所地理信息工程国家重点实验室, 陕西 西安 710054; 
2. 31009部队, 北京 100088

收稿日期：2017-05-11；修回日期：2017-07-07

基金项目：国家重点研发计划（2016YFB0501700）

第一作者简介：杨元喜(1956-), 男, 博士, 研究员, 中国科学院院士, 研究方向为动态大地测量数据与卫星导航数据处理。E-mail:[e-mail]

摘要：综合定位导航授时是后GNSS（全球卫星导航系统）发展的必然趋势。本文侧重梳理微PNT发展需求和发展现状，分析与之关联的核心关键技术，论述综合PNT与微PNT的关系。强调综合PNT需要大量基础设施投入与建设，而微PNT侧重高技术传感器的集成应用。与现有文献思路不同的是，我们认为，为了实现各类传感器PNT输出结果的坐标基准统一和时间尺度一致，微PNT应包含多模GNSS和芯片级惯性导航和芯片级原子钟等定位定时组件，微PNT强调小型化、个性化、组合化服务终端；微PNT除各PNT组件的小型化外，还包括各组件的深度集成，各类数据的自适应融合和各组件的自主标校；当然，微PNT也强调各传感器信息的时空基准的统一。

关键词：定位导航授时    微型惯导组件    芯片级原子钟    传感器集成    数据融合    综合PNT    

Micro-PNT and Comprehensive PNT

YANG Yuanxi¹, LI Xiaoyan²     

Abstract: Comprehensive or integrated positioning, navigation and timing is an obvious developing trend following the global navigation satellite system.This paper summarizes the current status of micro-PNT and its developing requirements. The related key technologies are described and the relationship between comprehensive PNT and micro-PNT is analyzed. It is stressed that the comprehensive PNT needs massive infrastructure construction and investment, however, the micro-PNT aims at the integrated applications of high-tech micro sensors. It is different from the current opinions appeared in the literatures, micro-PNT should include multi GNSS integration and micro components of navigation and timing in order to make the PNT outputs refer to a unified coordinate datum and time scale. Micro-PNT focuses on the personalized micro terminal applications. Except for the miniaturization of each PNT component, micro-PNT aims at the deep integration of the micro sensors, adaptive data fusion and self calibration of each component.

Key words: positioning, navigation and timing (PNT)     micro inertial navigation sensor     chip scale atomic clock     sensor integration     data fusion     comprehensive PNT    

定位导航授时(positioning navigation and timing, PNT)用户每5年翻一番，由于机器人技术和其他移动载体的定位导航授时需求，今后5~10年内PNT用户可能每2年翻一番^[1]。尤其是无人机、物联网、移动通信、自动驾驶等加速了PNT应用领域的拓展。然而，时至今日，大多数PNT用户通常依赖全球卫星导航定位系统(global navigation satellite system, GNSS)，包括中国的北斗(BDS)、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的伽利略(Galileo)系统等。

海湾战争以来，美国军方开始认识到GPS的脆弱性，尤其是在电子环境日益复杂、频谱对抗日益激烈的未来战场环境中，欲确保战场PNT的主导权，确保各类平台、载体使用PNT的安全，必须降低对GPS的依赖^[2]。

2010年起，美国交通部和国防部就开启了综合PNT架构的谋划与研究^[3]，目标是2015年前建成美国国家PNT新体系^[4]。

其实，GNSS不仅信号微弱，而且易被干扰，甚至被欺骗，于是取代GNSS服务的呼声不绝于耳。是取代还是集成其他系统？一度出现争论。但主流思想是，从体系上建成稳健的PNT架构。于是Parkinson教授提出PTA概念^[5]，即预防干扰(protect)、坚韧(toughen)和增强(augment), 核心是GPS的PNT服务具有坚韧性。笔者也提出了综合PNT的架构，基本出发点在于采用多GNSS融合服务，以便诊断和排斥单一系统的针对性干扰和欺骗，并采用基于不同物理原理的PNT信息融合服务，削弱对GNSS的依赖^[4]。

综合PNT理论上的优越性不得不面临实践上的复杂性，尤其是随着信息源的增加，用户终端传感器的结构会越来越复杂，体积会越来越大，功耗也会随之增大，显然，这不符合大多数用户的要求。大多数移动用户希望PNT服务终端具有便携、可嵌入、低能耗、待机时间长等特点。于是，追求小型化的PNT集成终端成为综合PNT的核心问题之一。

同样在2010年，美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)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^[6]。其实，micro-PNT不仅应包括微机械技术，还应包括微电子技术；不仅体积“微”，功耗也应“微”；而且必须具备稳健性等性能指标。

中国虽然已建成了北斗一代和北斗二代卫星导航系统，但是中国北斗卫星导航系统与其他GNSS信号一样具有脆弱性^[7-10]。本文在综合PNT体系架构下，梳理微PNT的体系结构，发展现状与趋势，并试图探讨若干关键核心技术，探讨其可能的技术途径。

1 微PNT发展现状

在微PNT体系发展方面，美国先后启动了9个大型集智攻关研究计划。在时钟方面，启动了芯片级原子钟(chip-scale atomic clock, CSAC)和集成微型主原子钟技术(integrated micro primary atomic clock technology，IMPACT)；在定位方面，启动了导航级集成微陀螺(navigation grade integrated micro gyroscope, NGIMG)、微惯导技术(micro inertial navigation technology，MINT)、信息链微自动旋式平台(information tethered micro automated rotary stages，IT-MARS)、微尺度速率集成陀螺(micro scale rate integrating gyroscopes, MRIG)、芯片化微时钟和微惯导组件(chip-scale timing and inertial measurement unit, TIMU)、主动和自动标校技术(primary and secondary calibration on active layer, PASCAL)、惯导和守时数据采集、记录和分析平台(platform for acquisition, logging, and analysis of devices for inertial navigation & timing, PALADIN & T)等。这些研究计划将形成美军微PNT体系技术框架。

2011年《GPS WORLD》刊载文章认为“微技术时代已经到来”^[11]。

1.1 微时钟技术

早在2002年DARPA就发动10多个科研团队对芯片级原子钟(CSAC)进行攻关，起初的目标是，新研微原子钟应该比当时的原子钟小200倍以上，功耗减300倍，即体积从当时的230 cm³减小到1 cm³，功耗从10 W减小于30 mW，精度制表位10^-11，稳定度指标为1 μs/d。直到2012年美国才在太空站测试了芯片级原子钟技术，当时的CSAC的体积为15 cm³。尽管有多家公司研发的CSAC原型样机已实现体积为1 cm³的目标，并具有交付测试的能力，但离实际应用还存在相当大的差距。

在微型原子钟技术方面，必须攻克固态电子和原子振荡等关键技术^[16]。微时钟系统的质量取决于各组件的时间同步、时钟与其他测量装置的时间同步，以及内部时间传递精度。一般对于中低动态载体导航，内部时间精度应达到10^-12，对于以时间为参考的测量，则要求达到10^-13的精度，并要求低功率的时钟和振荡器的长期稳定度要好于10^-11每月，功耗1 W^[16]。

在集成型主原子钟技术(IMPACT)方面，已实现了功率低于250 mW，时间误差小于160 ns/d的性能指标。由于主原子钟一般用于提供绝对时标，于是，精度和可靠性有望比芯片级原子钟高两个数量级。未来，可望实现尺寸5 cm³、功耗50 mW、频率精度1×10^-13/h(Allen方差)、稳定度优于5 ns/d的芯片级原子钟。

超小型低功耗的绝对时标主要用于微纳卫星和微小卫星系统，也可应用于无人水下潜器等。如果超小型低功耗的绝对时标装置嵌入GNSS接收机，则可提高GNSS接收机的抗干扰、防欺骗能力，因为干扰和欺骗信号主要在时钟方面施加随机误差，导致无线电测距误差增大，引起导航定位的系统偏差。此外，微小时钟在高速信号捕获、通信、监视、导航、导弹引导、敌我识别及电子战中都有重要用武之地。

1.2 微陀螺技术

微陀螺技术是微PNT的主攻方向之一。早在1970年就有关于原子陀螺的演示，只是那时的原子陀螺非常笨重且昂贵。由于MEMS技术的成熟和批量生产，原子陀螺的小型化成为主攻方向。但是，至今为止，基于MEMS的原子陀螺产品还不成熟，而且进展缓慢^[12]。

大多数光学陀螺都是基于萨尼亚克(Sagnac)效应研制的，如光纤陀螺和环状激光陀螺。

最初有人设计了硅微电子机械系统(SIMEMS)，该系统具有体积小、成本低等优点^[12]。但是这类装置不能测定小的旋转速率，而惯性梯度测量需要测定0.001°/h的微小速率。幸运的是，原子陀螺具有小型化的潜力。原子陀螺可概括分为原子干涉陀螺(atomic interference gyroscope, AIG)和原子自旋陀螺^[13](atomic spin gyroscope, ASG)。

2011年就有了利用微原子核磁共振进行陀螺仪的研究报道^[14]。其实，自从1938年Isidor Rai发现核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)后，不少科学家即开始尝试利用NMR技术研制陀螺仪。从格鲁曼公司已经封装的微核磁共振陀螺仪的测试结果看，该型微陀螺体积小、稳定性好，性能几乎好于市场上所有微机械陀螺(MEMS)。

半导体光源的利用促进了核磁共振陀螺仪(NMRG)的小型化。由于核磁共振陀螺仪无需机械运动部件，于是，对振动或振荡不敏感，具有高分辨率和高稳定性等特点。可以利用多个具有不同特性的核磁共振组件进行集成，只是在目前的技术状态下，很难实现小型化。

2013年美国诺斯罗普·格鲁曼(Northrop Grumman)公司演示了一款新型的微原子核磁共振螺旋仪(micro-NMRG)的原理样机，利用原子核自旋功能探测和测量载体旋转。尽管该装置体积很小，但是几乎具有现有光纤陀螺仪的定向性能，而且该陀螺仪被封装在10 cm³的盒子里^[15]。该螺旋仪的另一个特点是, 配备有活动部件，对载体的振动和加速度不敏感。

1.3 微惯导定位技术

在惯性导航定位技术研究方面，DAPAR开启了7个研究计划。

2005年启动了导航级集成微陀螺(NGIMG)研究，目标是尺寸仅为1 cm³、功耗小于5 mW、定向随机游走小于、偏差漂移小于0.01°/h、尺度因子稳定度优于50 ppm、测程大于500°/s、300 Hz带宽^[11]。导航级集成微型陀螺主要用于小型作战平台。

2008年美国启动微惯导技术(MINT)研究，旨在开发微型、低功耗导航传感器，具备数小时到数天的自主导航能力。MINT的目标是体积达到1 cm³(能用于步行导航，如嵌入鞋体)，功耗不高于5 mW，要求步行36 h后精度仍能保持1 m，每步速度偏差为10 μm/s。微惯导组件采用直接测量中间惯性变量(速度和距离)，如此可以减小加速度计和陀螺仪集成后计算速度和位置带来的累积误差^[16]。

2009年美国启动信息链微自动旋式平台(IT-MARS)，该计划的目的是实施和验证多MEM组合的旋转平台性能，为MEM组合传感器提供一个旋转自由度(微结构、微传感器本身无旋转)。目标是研制出体积1 cm³、功耗10 mW、角度绝对精度好于0.001°、满足最大摆动10 μrad、旋转速率360°/s测程范围的IT-MARS。

2010年同时启动微尺度速率集成陀螺(MRIG)、芯片级微时钟和微惯导组件(TIMU)、主次标校技术(PASCAL)和惯导守时数据采集、记录与分析平台(PALADIN & T)^[11]。

MRIG的主要目标是提升惯性传感器的动态测程，以便适应动态载体的大范围机动，动态测程扩大到15 000°/s，角度相关的可重复性为0.1°/h，与偏差相关的漂移可重复度达，工作温度拓展至-55℃~85℃，定向随机游走。

TIMU主要目标是发展超小型定位和守时综合装置，设计要求该装置体积10 mm³、功耗200 mW、圆概率误差(CEP)达1 nmi/h，并且有自主导航能力。

PASCAL的主要目标是减小时钟和惯性传感器的长期漂移，以便在无GNSS支持的情况下，实现长时间自主导航。于是该装置的自检校功能是研究重点。因为只有当微PNT传感器具有自检校功能时，才能弱化惯导和时钟的长期项偏差和系统漂移等累积误差。PASCAL的偏差稳定度要求提升至1×10^-6，比现有微惯导(200×10^-6)高两个数量级。

PALADIN & T将发展具有普适性的柔性测试平台。先发展原理型平台，然后发展飞行便携的简化的统一评估方法，并提供早期的野外技术验证。

2012年，DARPA启动芯片级组合原子导航(chip-scale combinatorial atomic navigation)，简称C-SCAN计划，即寻求将不同物理特性的惯性传感器集成到单一的微尺度惯性测量单元(IMU)，这也是DARPA开展的微PNT计划的重要组成部分，其目的是构建自主的、不依赖GPS的芯片级微PNT系统，能适用于不同军用平台、不同作战环境的载体精密引导，并能适用于中远程导弹的引导^[16]。

C-SCAN计划的核心是将具有不同物理特性的PNT组件集成到单一的微系统(microsystem)，不同组件具有互补性。主要目标可以概况为：① 将不同高性能固态惯性传感器进行综合，发展综合集成技术，将不同物理原理的各组件集成为一个整体，并实现小型化；② 发展相应的数据融合处理方法。

C-SCAN的首要任务是集成一个多陀螺和多加速度计的单一的惯性测量组件(IMU)。精度指标达到10^-4 deg/h，偏差稳定性达到10^-6 g，角度随机游走达到，速度随机游走(VRW)达到。尺度偏差1×10^-6，动态测程达到1000 g。

C-SCAN组件具有3个旋转轴和3个加速度传感器，在恶劣环境下可为军用载体提供定位导航服务。

2 微PNT发展的若干关键技术

微PNT关键技术主要体现在“微小”、“综合”及“融合”，更强调综合PNT服务。一般文献所强调的微PNT组件是由微型时钟、微型惯导等单元组成^{[1, 11, 16-17]}。笔者认为，微PNT不应该排斥GNSS组件，因为GNSS芯片不但可以实现微小化，而且可以提供外部基准(尽管可能因为信号遮挡而不连续)，于是芯片化的GNSS组件可以与微时钟、微陀螺和微惯导组件深度集成。信息源的丰富是实现PNT输出信息稳健性的前提。

微PNT组件不仅要求体积小，而且要求功耗低，还要求具有生成可靠PNT信息的能力，于是微PNT涉及顶层设计和机电加工工艺技术。

图 1 微PNT的体系结构Fig. 1 Architecture of micro-PNT

图选项

微PNT不仅体现在“微”，即小型化的PNT，同时也需要“精”，需要“稳”，需要“可靠”。因此，精细的微尺度制造技术只是微PNT的核心技术之一，而与之配合的精细优化的整体集成技术和智能的数据处理技术，才能构成完整的微PNT技术体系，其中芯片级陀螺仪和芯片级原子钟是其核心中的核心。

(1) “微”要体现优化的设计原理。优化合理的设计，才有可能有精细的制造；优化合理的设计，还涉及后续的体系架构；顶层设计的优化是微尺度制造、微尺度集成的基础。

(2) “微”还要体现精细的制造技术。微尺度制造首先要解决特殊的材料问题，因为“微”很容易造成“不稳”，正常的材料要同时解决“微”与“稳”，经常互相矛盾，因此必须攻克材料和制造工艺方面的问题；材料要满足环境稳定性和适应性，再辅以特殊的制造工艺才能制造出先进可靠的微PNT传感器。

(3) “微”还必须具备不同原理的微器件的“深度集成”技术。深度集成应该体现在能共用的单元就应该共用。如多微型时钟组件与多微型惯性导航组件，就应该设计在同一芯片上，真正实现芯片级PNT微组件。PNT装置的微型化才能便于与其他不同载体的集成或嵌入。

(4) “微”就必须要求各计量器件具备自主标校能力，包括主动标校和被动标校能力。在微器件状态下，各组件的系统误差应该能自动探测、自动标校，尤其能自适应地进行系统误差拟合和纠正，确保多传感器集成后的PNT组件处于高稳定可靠的工作状态。

(5) “微”也要求PNT各类微器件的输出信息能自适应进行融合^[18]。不同的组件可能具有不同的物理特性，各组件虽有分工，但也互为补充，不同的物理特性可能产生不同的系统误差和有色噪声^[19]，因此，顾及各类系统误差补偿和有色噪声补偿的自适应融合算法就显得十分重要^[20-21]。微PNT数据融合的第一要素是构建可以互操作的函数模型，该函数模型必须构建以相同的位置向量X(position)、相同的速度参数向量(velocity)和各类传感器特有的参数向量S共同表示，于是函数模型可以表示成

 (1)

式中，L_I(t)表示t时刻第I(I=1, 2，…，M)类观测；为t时刻位置向量和速度向量的函数；g_I(S_I(t))为I类观测特有参数的函数，包括特有的系统误差、有色噪声和时间参数等；e_I为L_I的观测误差。即每一类观测均表示成共同的参数模型和特有的参数模型的叠加。假设L_I的先验协方差矩阵为Σ_I，先验权矩阵为P_I=Σ_I^-1，则自适应状态参数向量的融合模型可以形式表达成^[18-19, 21]

 (2)

式中，0≤α_I(t)≤1为t时刻I类观测的自适应因子，用来调节各类观测对融合参数的贡献；P_I(t)h_I(L_I(t))为观测类L_I(t)对模型参数的贡献形式表达，不同的准则对应不同的P_I(t)h_I(L_I(t))。如采用最小二乘准则，则有

 (3)

式中，A_I为线性化观测方程的系数矩阵。

如果在自适应数据融合过程中能实施对各微PNT组件的在线标校，则可减少各类观测量的特有模型参数，提高PNT融合输出结果的可靠性。

3 结束语

“综合PNT”需要“微PNT”的支持，否则综合PNT将会复杂、笨重、高功耗。而微PNT必须解决各组件的优化设计、材料的优选、制造的精密、组件的深度集成、各传感器的实时标校、各传感器输出信息自适应融合。微PNT数据自适应融合需要对各类组件的观测数据质量进行实时判断，构造合理的自适应因子，以最佳平衡各类传感器及各类观测对模型参数的贡献。特别需要指出的是，微PNT必须包括GNSS芯片，有GNSS支持的PNT可以确保微型传感器输出信息的时空基准的一致性。微PNT还必须具备智能化、全天候、全空域的服务能力。

【引文格式】杨元喜，李晓燕。微PNT与综合PNT[J]. 测绘学报，2017，46(10)：1249-1254. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170249

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