美陆军研究实验室研发GPS拒止环境下人/机定位新技术
美陆军研究实验室研发GPS拒止环境下人/机定位新技术
作者: 军事科学院军事科学信息研究中心 申淼 来源: 美国陆军网站 发布时间: 2018-11-08

     美国陆军研究实验室(ARL)研究出一种新型算法,可对GPS拒止环境中的人员和机器人进行定位。

一、研究背景

ARL研究人员表示,陆军需能够对复杂的、未知的以及基础设施较差的环境中的人员和机器人进行定位。这种能力对下车步兵以及人/机编队作战至关重要。在民用中,一般可利用GPS进行导航,如帮助车辆导航至目的地等。但是,这种解决方案并不适用于军事环境。例如,敌人可能摧毁GPS运行所需的基础设施(如卫星);另外,复杂混乱的环境会阻碍无线信号的直线传播,因此复杂的环境(如建筑物内部)将使GPS信号难以渗透。

研究人员表示,典型的定位方法在障碍物很少的室外场景中运行良好,但是在障碍物较多的情况下表现较差。在建筑物内的障碍物,特别是在其尺寸大于无线信号波长的情况下,会削弱信号(即信号衰减)并改变信号方向(即信号多径衰减),这种情况下利用无线信号传输位置信息极为不可靠。

二、新型定位技术

为此,ARL的科学家研发了一种判断无线频率信号源到达方向(DoA)的新技术,它是实现定位的一种基础使能技术。研究人员表示,与依赖信号相位或到达时间对DoA进行预测的现有方法不同,新型定位技术可抗多重散射。这意味着在信号被接收器接收前,即使存在将信号向不同方向散射的障碍物,新技术也可精确预测信号源的方向。该技术的基本原理是:根据在各个不同空间地点所采样的接收信号强度(RSS)的梯度,获取关于信号源方向的信息。

    研究人员表示,提取DoA需要理论上进行充分分析,以在不利的传播条件情况下获得可靠的估计值。例如,大型障碍物会使附近的RSS样本变得高度关联(即“阴影”相关性)。如果不予以纠正,这种关联可能使DoA预测出现严重偏离。

    该技术的一项关键亮点是开发了一种新型算法,它可从统计学意义上模仿RSS梯度并实现空间异常值和关联关系控制。更重要的是,当信号极其嘈杂的情况下,估测器(estimator)可对没有DoA存在的输出进行纠正,而非错误地预估任何方向。

    研究人员已利用几个公开的和内部收集的测量数据集以及高保真仿真数据对40兆赫和2.4千兆赫波段进行了验证。在严重的多径信号情况下,基于相位或到达时间的传统预测通常无法工作,但新技术可在多径信号情况下发挥作用。

    除不需要任何固定基础设施外,新技术也不需要依赖之前任何的训练数据、对环境的认识、多个天线,以及对不同节点进行预先校准。

来源:美国陆军网站/图片来自互联网

军事科学院军事科学信息研究中心 申淼

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