英国国防科学与技术实验室带队为前线士兵研发出GPS拒止环境下的导航用可穿戴传感器

　　英国国防科学和技术实验室（Dstl）与产业界合作伙伴Roke Manor、奎奈蒂克（QinetiQ）和系统工程和评估（SEA）公司经过三年的研究，研发出单兵近距离作战传感器（DCCS），支持GPS拒止环境下的导航，自动威胁探测和前线士兵信息共享等功能，可应对城区作战GPS失效情况所带来的挑战。2016年9月，研究成果已成功完成展示。

　　背景信息

　　GPS数据改变了士兵在战场上导航和获取目标信息的方式，总是有可靠的信息来显示每一个单元、车辆和航空平台的位置，增加了士兵和指挥官的态势感知。GPS也是很多武器系统获取目标位置信息方式的核心。结果是，能够在战场上获取可靠和精确GPS信号是现代战争中一个高价值资产，也导致设计用来干扰和阻塞信号的系统的使用量不断增加。

　　为应对武器装备所用GPS信号正面临的干扰的不断增加，各国国防部门都投入资金研发更安全的抗干扰信号，在GPS信号丢失情况下为战场提供导航和定位用替代性信号源。但GPS信号丢失对单兵仍是挑战，因为或者很多解决方案仍然在研制过程中，或者因为太沉而不实用。单兵在城区同样也面临巨大劣势，如当士兵进入一座大楼时GPS信号可能丢失，无法与GPS信号清晰地进行关联。

　　目标

　　英国Dstl是致力于解决单兵对GPS依赖所面临挑战的众多机构之一。Dstl的发言人表示：“位置信息对很多军用功能非常重要，不仅对单兵而言，因为他们都精通于地图和指南针导航，还对同伴和指挥官形成更广的态势感知能力很重要。这反过来可以防止错误事件，增加任务完成速度和提升任务成功的可能性。而且，为了让其他人知道敌方的位置，系统需要精确地知道单兵的方位。知道精确位置信息的挑战在城市环境中尤其尖锐，在该环境中城市谷带、射频反射、建筑物内都意味着GPS导航所面临的挑战”。

　　项目背景

　　2013年3月，Dstl与Roke Manor牵头的研究团队签订了一份价值约761.4万美元(500万英镑)的研究合同，计划利用三年的时间研发出DCCS，可实现定位、自动威胁检测、与其他士兵和指挥官共享信息等功能。研究团队还包括QinetiQ和SEA公司。Roke Manor负责主系统集成和技术研发，QinetiQ负责评估和实验，SEA负责架构和优势评估。

　　项目成果

　　DCCS包含一系列世界先进技术。它包含一个可用于GPS拒止环境下的基于视觉的导航系统，双GPS天线来实现精确定位，新研发的热成像技术来拓展探测范围，利用短波红外波段的新技术来研发目标转换技术，具有真实环境下更易于集成的灵巧系统，可从整体上推进现代武器装备性能。

　　DCCS系统可在GPS信号拒止情况下使用惯性和视觉导航传感器提供位置信息。DCCS从最后确定的GPS位置信息，将头盔摄像机和惯性传感器捕获的视觉跟踪特征组合在一起，精确计算出个体位置，使个体在建筑物和管道中等仍然能够被跟踪到。

　　技术核心

　　Dstl发言人表示，DCCS的关键技术是基于视觉的导航，及其与惯性导航单元的强耦合（传感器融合），该集成视觉导航系统同时集成到高质量GPS上。DCCS核心优势挖掘和利用导航传感器的能力，并研发出配套基于图像的导航算法。该算法能够在使用最小计算量和功耗需求的情况下实时工作，能够确定何时GPS可信和不可信，然后选择最合适的时间在导航系统中平滑转换。最后将这些组成部分封装为系统的系统。该系统不仅考量传感器的输出值，还同时仔细监控每个传感器的噪声和错误，并将结果经融合后输出；可在任何给定的点上基于自身所处环境来选择使用哪一个子系统来报告位置，并保证结果的可信度最高。

　　官方并未披露更多的技术细节及指标。

　　预期应用

　　应用范围要比简单的导航广阔得多。单兵佩戴一个包含摄像机、激光器、方向传感器的组合，按一个按钮就能够为其他军队、无人机、飞机等提供定位目标。这种方式将比给予语言指令更快、更简单和更清晰，同时保证极其精确。其他使用包括识别受伤士兵、普通民众位置和直升飞机可能的降落点等。此外，声学和摄像技术还能提供发射探测能力，即使在无法看到或听到的情况下可自动识别敌军武器发射的位置。这些信息将传递给士兵和指挥官，使其能够采取合适步骤来应对威胁。

　　成果展示

　　2016年9月，研究团队对DCCS进行了演示。系统放置在一系列不同环境中，每一个环境都设计为系统带来特定挑战。演示结果符合预期。Dstl的首席项目工程师Ken McEwan表示：“这是一个非常复杂和具有技术挑战性的项目。尽管存在这些挑战，项目展示无疑是非常成功，它显示出该理念是可行的，以及具有军民两用前景。”

　　下一步计划

　　在技术方面，研究团队正着力推进系统的健壮程度，要求在任何战场环境下，系统的可信程度都可与GPS相媲美。此外，研究团队现正筹集资金来增加技术成熟度等级，以及减少系统的尺寸、重量和功耗要求。研究团队希望能够为未来可穿戴传感器技术提供至关重要的专业知识，并使DCCS在2020年前投入英国军队使用。