在荒涼的環(huán)境中進行偵察對美國軍方來說并不是什么新鮮事。然而，隨著實地的外國威脅變得更加復雜和遙遠，在危險、難以到達的地方收集情報的挑戰(zhàn)需要一種方法，最大限度地收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時最大限度地減少對現(xiàn)場人員的風險。

使用無人機系統(tǒng) （UAS） 或無人機在危險情況下執(zhí)行情報、監(jiān)視和偵察 （ISR） 工作要求它們重量輕、符合法規(guī)，并在動態(tài) GPS 和 GPS 拒絕的環(huán)境中可靠地機動。

沒有全球定位系統(tǒng)，沒問題

GPS已成為汽車，手機和包括UAS在內(nèi)的設(shè)備的標準導航功能。自主UAS使用GPS來確定其緯度和經(jīng)度，以及氣壓計（用于高度）和指南針（用于磁航向），以獲得它們在太空中位置的準確方向和位置。他們還使用此數(shù)據(jù)來確定其他對象的位置，例如任務航點、地理圍欄和起始位置。

GPS信號的強度決定了無人機導航的準確性。GPS在天空視野暢通無阻的情況下效果最好，但隨著用例數(shù)量的增加，UAS必須導航的不同類型的環(huán)境也是如此。

對于UAS來說，在室內(nèi)或建筑物附近導航可能非常具有挑戰(zhàn)性，因為建筑物會阻擋并反射GPS衛(wèi)星與接收器的通信。即使衛(wèi)星強度略有下降，也會導致位置精度迅速下降。GPS信號的退化或丟失會降低位置數(shù)據(jù)的準確性，并可能迫使車輛終止導航，直到有人干預或撞車。

沒有GPS信號，UAS就無法在太空中定位，因此無法自行運行。由于無人機通常必須在動態(tài)GPS中導航到拒絕GPS的環(huán)境，因此當GPS不可用時，它們需要可靠的備用導航工具。通過視覺慣性里程計（VIO），UAS可以在沒有GPS的情況下自主運行。VIO使用視覺和慣性數(shù)據(jù)來測量行進距離和位置，而無需GPS信號。VIO的獨特之處在于它可以在3D空間中測量飛機的位置，并且是許多其他計算機視覺功能的基礎(chǔ)，例如避障，位置控制和GPS拒絕環(huán)境中的自主導航。

同時使用 GPS 和 VIO 的 UAS 可以在動態(tài)環(huán)境中精確導航并完成關(guān)鍵任務，包括：

室內(nèi)監(jiān)控：由于信號干擾會降低或消除 GPS 可靠性，因此在隧道、地雷、掩體和其他結(jié)構(gòu)內(nèi)飛行小型 UAS （sUAS） 可能很困難或不可能。

搜索和救援：根據(jù)地形、茂密的樹木覆蓋和其他自然障礙物，GPS 信號可能微弱甚至不存在，因為障礙物使連接成為挑戰(zhàn)。

災區(qū)：無人機通常用于緊急救援工作，因為它們能夠進入難以到達的地方，但碎片和瓦礫會削弱GPS信號。

關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施：使用UAS測量建筑物，橋梁和其他潛在的禁區(qū)結(jié)構(gòu)，而無需部署現(xiàn)場人員，從而提高安全性，同時提供僅憑人員并不總是可以訪問的多個視角的優(yōu)勢。

越小越好

由于重量是重力的克星，因此UAS必須盡可能輕巧，尤其是在密閉空間中使用時。優(yōu)化重量和飛行的一種方法是在其主印刷電路板（PCB）上使用帶有多個集成組件的自動駕駛儀。

PCB現(xiàn)在比以往任何時候都更小，更智能。傳統(tǒng)上，UAS開發(fā)人員需要使用六到七個不同的板來實現(xiàn)自主性，AI和飛行。然而，隨著新技術(shù)和創(chuàng)新，市場上的一些自動駕駛儀現(xiàn)在將所有計算能力濃縮到一個單板解決方案中。這種單一包裝解決方案可實現(xiàn)更小、更輕的飛行器，非常適合在危險情況下導航。單個 PCB 還可以減少布線和成本，同時提高可靠性，因為組件更少。

另外， 考慮使用集成 PCB 時的易于開發(fā);由于已經(jīng)板上已有軟件，因此開箱即用。基于開源平臺構(gòu)建的 PCB 配有可靠的軟件開發(fā)套件 （SDK），可實現(xiàn)靈活高效的設(shè)計和構(gòu)建，以及用于可選附加組件的功能端口。

美國國防部（DoD）國防創(chuàng)新部門（DIU）率先開展了所謂的“藍色UAS項目”，該項目為國防部和聯(lián)邦政府合作伙伴開發(fā)了值得信賴的sUAS。這項工作建立在美國陸軍的sUAS記錄計劃短程偵察（SRR）的基礎(chǔ)上，以頒布廉價，背包便攜式，垂直起降sUAS。根據(jù)DIU的信息，藍色sUAS系統(tǒng)共享SRR飛行器的功能，但集成了供應商提供的地面控制系統(tǒng)。

藍色UAS框架計劃滿足國防部的要求，即提供在國防部sUAS計劃內(nèi)實現(xiàn)更高水平的現(xiàn)場自主性的sUAS組件;sUAS組件之間的共性，可減少開發(fā)時間和成本;以及通過在可信平臺上測試面向未來的技術(shù)來領(lǐng)先于國防部最新要求的能力。

集成的即插即用解決方案的一個示例是來自ModalAI的VOXL Flight。它將配套計算機與PX4飛行控制器融合在一個PCB上，從而實現(xiàn)GPS拒絕飛行。它的自動駕駛儀從GPS無縫切換到VIO，即使在動態(tài)環(huán)境中也能確保精確飛行。ModalAI自2018年以來一直與DIU合作。

利用 AI 讓無人機更智能

將人工智能（AI）的實時學習與自主無人機的探索能力相結(jié)合，使“智能”UAS成為21世紀軍事行動的重要組成部分。人工智能為無人機增加了先進的感知功能，為飛行員提供物體跟蹤和分類、區(qū)域測繪和實時操作反饋等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這種原始數(shù)據(jù)收集具有前瞻性的好處，使指揮中心人員能夠從捕獲的圖像和反饋中學習，從而制定適用于未來任務的有根據(jù)的理論。

基于GPS拒絕導航構(gòu)建通信拒絕導航

當sUAS在隧道等拒絕GPS的環(huán)境中導航時，它也可能失去與其無線電鏈路的連接，這可能會切斷與飛行員的實時通信。在這些通信被拒絕（通信被拒絕）的情況下，車輛必須能夠獨立于飛行員完成其任務并分析數(shù)據(jù)。這就是機載計算機視覺和人工智能接管的地方。

支持人工智能的UAS進一步受益于智能自導航和物體回避/檢測，這在通信和GPS拒絕環(huán)境中至關(guān)重要。實時處理機載數(shù)據(jù)的能力使無人機能夠獨立于飛行員做出決策。

例如：sUAS被派去執(zhí)行偵察任務，以偵察隧道中的敵方人員并失去無線電鏈路連接。在這種情況下，它仍然可以依靠VIO進行導航，并依靠AI來繪制和探索領(lǐng)土。計算機視覺、機器學習和深度/圖像傳感器使UAS能夠自主掃描和識別可能構(gòu)成威脅的物體或人。一旦檢測到威脅，飛行器就會被編程為返回飛行員，在那里它可以傳達其發(fā)現(xiàn)。

這種自主性為軍事和企業(yè)應用提供了廣泛的用例，包括結(jié)構(gòu)和地下檢查、地形掃描、安全監(jiān)控、在惡劣環(huán)境中檢測危險等。

在惡劣或密集的室內(nèi)環(huán)境中飛行UAS需要精確的飛行解決方案，以便在啟用GPS和拒絕GPS的環(huán)境之間導航。GPS拒絕的自主飛行器也可以在傳統(tǒng)的敵人干擾或操縱GPS信號的戰(zhàn)略之外運行。在拒絕GPS和拒絕通信的環(huán)境中為飛船配備GPS和VIO導航工具，結(jié)合智能AI和計算機視覺解決方案，擴大了這些sUAS的視野。

審核編輯：郭婷