NGCNavigation,Guidance and Control广义上讲导航、制导都是指确定位置、规划路线并引导至目标地的过程或技术而制导再军事和工程领域通常指对导弹、飞行物等物体的运动轨迹进行控制和引导。狭义上说导航是通过各种量测手段获取目标对象位置、姿态、速度、加速度等状态量。制导是生成期望轨迹和控制要达到的动作指令比如路径规划导弹舵叶角度、炎口喷向、喷射力度以及车辆的方向盘角度和车辆速度等。而常见的报道或者科普文章二者的意义是重叠的只有具体的领域使用的频率不一样、比如军事、武器领域导弹制导、炮弹制导在生活中常用高速导航公交导航和行人导航。以下是从狭义上介绍导航和制导一、导航导航是在基础参考系的基础上确定位姿状态量都涉及的关键技术有——定位建图即确定载体如车辆、飞行器位置与姿态的方法。定位技术实现方式多样常见的方法主要分为空间式、时间式以及基于这两类方法的组合与优化。空间式定位根据定位对象和协助对象的空间约束(距离、角度)计算位姿。比如全球导航卫星系统(GNSSGlobal Navigation Stars System) 超宽带(UWB,Ultra Wideband) 射频识别(RFIDRadio Frequency Identification) 通信基站蜂窝 蓝牙 等;时间式定位根据定位对象时间间隔前后的平移旋转关系递推、累积位姿。比如点云(激光、视觉)匹配航迹推算。无论时间式亦或是空间式都需要传感数据的支撑常用的传感器数据源有1、位姿测量技术全球导航卫星系统(GNSS)全球卫星导航系统GPS(美国)、BD(中国)、GLONASS俄罗斯、GSNS(欧盟)局域卫星导航系统QZSS(日本)、 NavIC(印度)、KPS(韩国、2035建成)定位模式单点定位、差分定位(RTD和RTK)激光雷达(Lidar)种类机械旋转和固态激光品牌velodyne、Quanergy、禾赛、速腾和雷神超宽带(UWB)工作模式基站标签、基站基站(移动)品牌清研讯科、成都精卫、恒高、沃恒和联睿;惯性传感器(常见的如IMU)工作模式姿态参考系统(ARS)、姿态航向参考系统AHRS、组合导航和航迹推算(DR)和扩频;品牌microStrain 、xsens无线电定位(根据不同的波段和波形划分)工作模式超宽带RFIDzigbee蓝牙蜂窝通讯基站;其它的还有毫米波雷达(ladar)、机器视觉(相机)、声波雷达(超声波声纳)、等。2、贝叶斯框架下的多源数据融合实际运用过程中单一数据源往往不能满足要求需要组合优化。常用的方法有卡尔曼及其发展的滤波类图优化类粒子优化、等。这些应用往往是贝叶斯框架下结合马尔可夫假设蒙特卡洛方法的具体应用。二、制导制导的核心是生成目标变化趋势Planning比如自动驾驶中的轨迹规划和控制指令。但是随着神经网络的发展这种分层划代已经越来越不明显。很多将规划和控制做进了同一的模型中感知进、控制量出甚至前端数据进控制量出。常用的规划方法如下1、经典寻的制导律战术导弹最常用面向目标拦截利用视线几何关系结构简单、弹载易于实时实现追踪法直接追踪速度矢量始终指向目标缺点弹道弯曲、末端过载巨大现在很少单独使用。平行接近法保持视线角速率为 0视线平行移动理论最优平直弹道但需要目标加速度信息工程难以精确测量。比例导引 PN / 比例导引律应用最广(\dot{\gamma}N\dot{\lambda})速度转动角速度正比于视线角速率衍生变体APN增广比例导引补偿目标机动、TPN、三维比例导引。三点法驾束制导、前置角法雷达驾束制导体制导弹保持在指挥站 — 目标视线上多用于老式防空弹。L1 制导无人机航路跟踪制导沿航路选取前方虚拟参考点计算横向过载固定翼无人机主流航路制导。L1制导示意图二、现代理论制导律最优、鲁棒、终端约束制导基于最优控制、非线性控制、博弈论支持落角约束、能量最优、抗扰动线性二次最优制导 LQG/LQR 制导线性模型下最小化控制能量与脱靶量可扩展落角约束制导 IAG撞击角度约束。ZEM/ZEV 制导零脱靶 / 零速度误差制导基于剩余零控脱靶量近似燃料最优反馈制导广泛用于火箭回收、交会对接、软着陆。滑模制导律SMG强鲁棒抑制模型误差、外部扰动存在抖振衍生自适应滑模、高阶滑模制导。微分对策制导DG把攻防看作双方博弈针对机动目标对抗拦截适用于高超目标攻防场景。(H_\infty)制导、模型预测制导 MPG滚动时域 RHC 制导滚动窗口在线优化适合复杂约束、环境未知场景。自适应制导、扰动观测器制导在线辨识未知目标加速度、气动不确定性。3、航天器 / 运载火箭弹道 / 轨道规划轨迹优化类属于最优控制求解分为间接法、直接法两大体系1间接法基于庞特里亚金极大值原理 PMP将最优控制转化为两点边值问题 TPBVPi、打靶法、多重打靶法优点理论精度高缺点协态初值难猜测、收敛域小典型应用小推力轨道转移、深空精确轨道优化ii、直接法工程主流转化为 NLP 非线性规划把状态 / 控制离散参数化直接数值优化伪谱法高斯伪谱 GPM、勒让德伪谱、Radau 伪谱高超再入、火箭轨迹标配配点法、有限差分、有限元离散序列凸优化 SCO把非凸问题逐次凸化快速在线规划热门方向iii、解析轨道转移制导Lambert 制导脉冲推力轨道两点边值轨道交会、星际转移霍曼转移、双椭圆转移经典脉冲轨道机动方案iv、运载火箭专用制导方法迭代制导自适应迭代制导长征系列火箭主力主动段制导在线迭代修正入轨条件预测–校正制导PCG再入滑翔飞行器标准方案不断预测终端状态修正倾侧角指令。4、无人机 / 飞行器 航路、避障路径规划Path/Trajectory Planning侧重于环境障碍规避、多机协同、低空复杂环境1. 基于图搜索的确定性规划i. Dijkstra、A、Anytime A栅格 / 航路点全局规划Voronoi 图、可视图法ii. 随机采样规划高维空间主流RRT、RRT、Informed-RRT、BIT*快速扩展随机树适合复杂三维空间避障PRM 概率路线图iii. 参数化光滑轨迹生成微分平坦系统四旋翼最小 Snap 轨迹、多项式轨迹、B 样条 / 贝塞尔曲线轨迹规划特点直接生成连续平滑加速度指令便于跟踪控制iv. 智能优化类规划离线全局优化遗传算法 GA、粒子群 PSO、蚁群、模拟退火多用于离线航路全局优化一般不满足弹载实时性5、新兴智能制导规划方向近年前沿强化学习制导PPO/DDPG 端到端制导、复杂机动决策自适应动态规划 ADP、近似最优制导多飞行器协同制导 / 协同轨迹规划饱和攻击、编队、协同探测微分几何制导适用于大机动、高速非线性动力学