“仪科知多少”第十八期 | 孟骞:定位导航安全至上——自主导航完好性监测的探究

编辑:李嘉懿审核:李嘉懿更新时间:2022-05-17浏览次数:10

近年来自动驾驶、民航安全进近、无人机导航、室内外精密定位、智能交通系统等诸多生命关键安全应用对高精度高可靠自主导航系统有着迫切的需求。上述应用在追求定位精度的基础上,对导航的安全性提出了更高的要求。完好性是评价导航系统服务安全性的代表性核心指标,并成为制约导航系统由辅助决策系统向自主决策系统跨越的关键性能要素。自主导航完好性是未来先进导航系统必备的关键技术。本次,我们有幸邀请到了孟骞老师为我们介绍自主导航完好性监测的一些相关内容、应用和发展前景。


01 人物介绍

孟骞 硕士生导师 讲师

2018年在南京航空航天大学导航、制导与控制专业获得博士学位,先后在英国帝国理工学院、香港理工大学从事访学与博士后工作,20213月入职东南大学。当前研究工作集中于先进导航与定位技术,包括自主导航完好性监测,弹性导航与全源导航,故障检测与隔离,北斗/GNSS卫星接收机基带信号处理,等。目前以第一作者身份在IEEE Trans. Intelli. Transp. Sys., GPS Solutions, Chinese Journal of Aeronautics中科院一区Top期刊以及Journal of Navigation, IET Radar, Sonar and Navigation定位导航领域权威SCI期刊发表论文10篇,EI学术论文7篇,授权中国发明专利9项,公开2项。获得过中国惯性技术学会优秀博士学位论文、中国卫星导航年会青年优秀论文一等奖等荣誉,是美国导航学会会员,中国惯性技术学会会员,担任ION GNSS+ 系列会议分会主席以及定位导航领域多个国际权威期刊审稿人。


02 采访内容

Q1 孟老师您好,请问什么是自主导航完好性检测?

孟:完好性是评估导航系统定位信息置信度的量化指标,同时包含系统无法满足导航需求时向用户及时发出告警的能力,是评价导航安全性的代表性指标。对于定位导航系统,大家通常关心的是导航精度。精度评估的是满足几倍标准差的“最好的大多数”所占的比重,而完好性监测更关心有可能导致系统出现不可容忍的定位误差的“最差值”的风险概率。故障检测隔离和置信度评估是完好性监测的关键技术,其中置信度评估往往以保护水平为主要表达方式,它类似“金钟罩铁布衫”,在运动体周围建立起满足完好性风险的安全界限,当保护水平不满足完好性指标时,就要及时告警。因此相比精度的统计算法求解,完好性监测更侧重误差概率的准确分布以及置信度对定位误差的合理包络。

完好性监测技术最初应用于全球卫星导航系统,并且在民用航空领域得到成熟应用,并逐步推广成为导航系统在安全至上Safety-critical)领域应用的必备指标。现在随着自动驾驶、无人飞行器、室内外无缝定位、行人导航等位置服务领域对导航信息安全性的要求,面向多源信息融合的导航完好性是当前研究的热点。

飞机的保护水平轮廓


汽车的保护水平轮廓


Q2 我了解到,自主导航完好性有多种不同的检测方法,请问他们的区别是什么,您的研究方向由主要是哪一种方法呢?

孟:自主导航完好性主要是从用户终端层面是实现完好性监测,针对导航观测量信号处理的不同阶段,可以分为量测域的残差检测方法和定位域的解分离方法。两者的理论基础都是一致性检验理论。以卫星导航定位为例,前者残差检测法通过得到定位结果后计算每一刻卫星的伪距和几何距离之间的残差建立检验统计量来检测故障,后者解分离方法则是每次拿掉一颗或多颗卫星后计算定位结果,通过计算不同定位结果之间的偏差来建立检验统计量。我在博士期间的研究课题是高级接收机自主完好性监测ARAIM,就是基于后者来实现的。相比较前者,后者方法更加适用于监测多个故障的场景,并且从定位域层面也更加直观,所以目前针对多源信息融合的完好性研究也较多采用解分离方法。


Q3 如果卫星可接收的数量少于5个,我们是否就没有办法进行完好性监测了呢?

孟:你这里提到的是卫星定位里面的故障检测。故障检测的前提是是要有冗余信息,我们知道卫星定位需要4颗星,因此纯卫星定位需要至少5颗星才可以实现故障检测。但是如果我们可以找到其它冗余观测量或导航源来辅助定位,那就不受限于5颗星的束缚,比如组合导航里面可以用惯性信息来辅助实现故障检测。


Q4 那么在我们本科阶段,我们如果想在将来从事相关方面的研究,我们本科生需要培养什么素养,做出什么努力呢?

孟:首先,要对定位导航方法以及各种传感器的功能实现机理有很清楚的认识,只有这样才能从完好性角度去发现故障、识别故障并评价导航结果的置信度;其次,要具备较好的数学功底和数据处理能力,因为我们需要通过随机建模、概率统计、滤波优化等方法去实现定量分析。我相信上述基本素养是我们同学们从事任何科研工作都需要具备的基本素质。此外,关于我们导航完好性的研究,我希望同学们还能从以下两个方面做出努力:一是要活学活用,保持对其它学科知识的关注和涉猎。它山之石可以攻玉,完好性研究有很强的学科交叉色彩,其它学科的有关故障监测、误差建模方法等都有机会应用到自主导航的完好性监测当中,当下很火的人工智能在完好性领域也大有所为;其次是希望同学们可以培养“斤斤计较”的治学态度。我们自主导航完好性做的是鸡蛋里挑骨头的活儿,追求的是10-7~10-8危险性风险保护,从事的是安全至上的应用,因此需要有严谨治学和精益求精的精神。今年刚上映的针对波音737MAX事故的调查纪录片《Downfall(一落千丈)》开篇就提到了民航的安全至上,对于大家理解系统完好性、培养治学责任感有很好的教育意义,推荐感兴趣的同学去看一下。

PS:完好性的英文术语是Integrity,直译过来就是“正直、诚实”)


03 总结

孟老师在今天的访谈中为我们解答了导航完好性监测的相关问题,也让我们知道了其重要性和发展前景,也对大家提出了培养严谨的治学态度的期待。


今日份访谈结束,精彩仍在继续。让我们一同期待“仪科知多少”(第十九期)|力传感奥秘——车轮力传感器技术的应用与研究吧!

来源|东大仪科公众号