1. 课程导入
全球导航卫星系统（GNSS）已经成为现代交通、测绘、通信、电力授时和无人系统的基础时空基准。然而，GNSS信号从约两万公里外的卫星到达地面时，功率极低，民用频点信号到达接收机时通常只有约-130 dBm量级，极易受到无意干扰、欺骗干扰、多径和电离层扰动影响。一旦定位、测速或授时结果发生跳变，依赖它的导航、控制与决策链路就可能出现连锁风险。因此，导航容错工程不是单纯提升定位精度，而是让系统在干扰、异常和故障条件下仍能保持可解释、可检测、可隔离、可恢复的安全运行能力。
1.1 学习目标与能力地图
本课程面向导航工程、无人系统、智能交通、航空航天与测控通信等方向的学习者。完成课程后，应达到以下四类目标：
- 认知层：理解GNSS干扰、欺骗、多径、信号遮挡和星历异常对定位解的影响，能区分“精度下降”和“完好性风险”。
- 方法层：掌握接收机自主完好性监测（RAIM）、故障检测与排除（FDE）、多源融合、抗差估计和自适应滤波等容错方法。
- 系统层：能够从传感器、算法、软件架构和监控策略四个层面组织导航容错系统，形成冗余、隔离与重构机制。
- 工程层：能够设计干扰场景测试、注入故障、采集日志并评估检测率、虚警率、定位可用性和恢复时间等指标。
1.2 核心概念：从“定位可用”到“导航可信”
导航容错工程中有几个必须建立的核心概念。第一是冗余：包括卫星几何冗余、频点冗余、传感器冗余和算法冗余。第二是完好性：系统不仅要输出位置，还要能判断当前解是否可信，并在不可信时及时告警。第三是故障模式：既包括卫星故障、接收机故障，也包括干扰、欺骗和通信链路异常。第四是可观测性：当GNSS被压制或欺骗时，系统能否借助惯性、轮速、视觉、气压、地磁等辅助信息继续维持状态估计。
下图给出GNSS干扰环境下导航容错工程的整体关系：外部干扰进入接收机后，先经过信号质量监测与观测域检测，再进入定位解算与完好性监测；若检测到异常，则触发隔离、降级或多源融合重构，最终输出带置信度的导航结果。
1.3 方法流程：容错闭环的五个环节
导航容错工程可以抽象为一个闭环流程：感知—检测—隔离—重构—评估。感知阶段关注信号层和观测层异常；检测阶段利用统计检验、残差分析和一致性检查发现故障；隔离阶段确定故障源并剔除或降权；重构阶段切换融合策略或启用备用传感器；评估阶段则用检测率、虚警率、恢复时间和保护级等指标验证系统是否满足任务要求。
| 环节 | 关键问题 | 典型方法 | 输出指标 |
|---|---|---|---|
| 感知 | 信号是否被压制或欺骗？ | C/N₀监测、AGC监测、相关峰畸变检测 | 干扰告警、信号质量评分 |
| 检测 | 定位解是否异常？ | RAIM、卡方检验、残差分析 | 检测统计量、保护级 |
| 隔离 | 哪颗星或哪类传感器故障？ | FDE、多假设检验、鲁棒估计 | 故障源标识、剔除集合 |
| 重构 | 如何维持可用导航？ | INS/GNSS组合、自适应滤波、地图匹配 | 融合解、协方差、置信度 |
| 评估 | 系统是否安全可用？ | 场景注入、蒙特卡洛、日志回放 | 检测率、虚警率、恢复时间 |
1.4 典型应用场景与工程误区
典型场景包括城市峡谷中的多径与遮挡、机场周边的压制干扰、港口与物流园区的欺骗干扰、隧道与地下停车场的长时GNSS失锁，以及无人机在复杂电磁环境中的导航保持。不同场景对容错的要求不同：城市峡谷更关注多径抑制与完好性，欺骗场景更关注一致性检测与交叉验证，长时失锁则更依赖惯性递推和地图约束。
典型容错参数示例：
C/N0 告警阈值：35 dB-Hz
RAIM 水平保护级门限：10 m
故障检测虚警率：1e-5 / h
融合权重切换条件：GNSS 残差 > 3σ 或 卫星数 < 5
降级策略：GNSS/INS 组合 → INS 递推 → 安全停车/悬停本课程后续将围绕干扰机理、完好性监测、多源融合、故障注入与测试评估逐步展开。第1章的任务是建立全局视角：GNSS干扰不是单一信号问题，而是涉及接收机、算法、传感器、软件架构和安全策略的系统工程问题。只有把“检测—隔离—重构—评估”做成闭环，导航系统才能在复杂电磁环境中保持可信运行。