在GNSS信号被阻断的环境中，无人机自主导航的先进技术及未来发展趋势：技术、架构与应用的综合综述

《Information Fusion》：State-of-the-Art and Future Directions in Autonomous Navigation for UAVs in GNSS-Denied Environments: A Comprehensive Review of Techniques, Architectures, and Applications

　　• 从感知到融合架构的GNSS拒绝型无人机导航分类学
• 视觉、LiDAR、UWB、无线电SLAM和基于学习的融合技术综合
• 使用标准指标和基准数据集进行定量权衡
• 挑战：尺寸、重量和功率（SWaP）限制、漂移、动态场景、干扰和欺骗抵抗能力
• 路线图：语义SLAM、轻量级深度模型和混合多模态融合

**引言**
无人驾驶飞行器（UAV）的普及推动了其在民用和军事领域的快速部署，使其能够应用于物流、基础设施检查、环境监测和灾害响应等领域[1]、[2]、[3]。这些任务的效用和安全性在很大程度上依赖于可靠的导航；然而，大多数运行平台仍然严重依赖全球导航卫星系统（GNSS）进行定位和姿态稳定。GNSS信号容易受到环境障碍的影响，包括室内环境、密集的城市峡谷和地下隧道，以及来自干扰和欺骗的故意干扰，这会降低性能并增加关键任务中的风险[4]、[5]、[6]。因此，迫切需要一种自主的定位、导航和授时（PNT）解决方案，以在GNSS性能下降或不可用时实现强大的自主性[7]。

在过去十年中，UAV从手动操作的平台发展成为越来越自主的系统，应用于民用、工业和国防领域[8]、[9]。实时感知、人工智能和嵌入式计算的进步加速了这一转变，支持其在精准农业、基础设施检查、搜救和环境监测等应用中的更广泛应用[10]、[11]。随着自主性的提高，导航系统必须能够在多样化的操作条件下保持可靠性，尤其是在外部定位支持不可靠的情况下。

一个核心的技术障碍是在GNSS被拒绝或降级的情况下实现可靠的实时定位。城市峡谷、室内环境和地下空间中的信号阻塞会使得基于GNSS的导航失效[12]、[13]。同时，在有争议或敌对环境中，故意的干扰和欺骗对安全和操作连续性构成了重大风险[14]。这些现实情况加剧了对能够在GNSS降级或被拒绝条件下运行的弹性多模态PNT解决方案的研究努力[9]、[15]。这一增长趋势反映在图1中总结的研究趋势中。时间线旨在提供一个代表性的里程碑地图，而不是对所有已发表系统的详尽列表。

实际上，GNSS被拒绝的条件会损害位置完整性，并可能导致导航精度、鲁棒性和任务成功率的显著下降[6]、[9]。环境因素（如室内结构、隧道和密集的城市峡谷）经常阻碍信号传播[21]，而敌对干扰进一步增加了关键任务中危险行为的可能性[12]、[13]。这些挑战促使人们开发依赖于机载感知和估计的导航架构，以维持操作的连续性[22]、[23]。图2概念性地展示了当GNSS观测数据不可靠时，机载感知模式和现代估计框架如何支持自主飞行。

本综述全面总结了2015年至今关于GNSS拒绝环境中的自主无人机导航的最新研究，重点介绍了最先进的方法和新兴趋势。引入了一个结构化的分类系统，将导航策略分为相对定位方法（包括里程计和SLAM）和利用外部参考或先验地图来减少漂移的全局定位方法。对核心感知模式（包括视觉、LiDAR和惯性系统）及其协同集成（如VIO）进行了比较分析[24]、[25]。此外，还探讨了补充的定位技术，包括超宽带（UWB）定位和地形辅助导航（TAN），以及基于学习的语义映射和决策方法[26]、[27]。文中还讨论了持续的挑战，包括尺寸、重量和功率（SWaP）限制、相对方法中的无界误差累积以及对动态环境的敏感性[28]。进一步提出了一个前瞻性的研究路线图，强调轻量级深度学习模型、多模态混合传感器融合和动态的、语义感知的SLAM范式，作为实现多样化现实世界任务中弹性和可扩展无人机自主性的关键因素[10]、[29]。

在整个综述中，“GNSS拒绝”一词广泛用于涵盖信号完全不可用以及严重的GNSS降级（例如衰减、多路径、干扰和欺骗）的情况。必要时，我们区分了拒绝（没有可用的GNSS观测数据）和降级（有偏或间歇性的观测数据），因为这些条件对导航系统有不同的可观测性和故障检测要求。调查范围主要集中在2015年至2025年间发表的经过同行评审的研究和广泛使用的开源系统，选择标准基于与机载实时估计的相关性以及在受控或现场条件下进行定量评估的可行性。

尽管机载感知和嵌入式计算取得了迅速进展，但在GNSS被拒绝或降级的环境中实现可靠的自主性仍然是安全关键任务中UAV部署的一个核心瓶颈。室内空间、密集城市峡谷和地下环境中的信号阻塞，以及在有争议场景中的故意干扰和欺骗，会严重降低导航精度和任务成功率，从而激发了对不依赖外部卫星更新的自主PNT解决方案的需求。

尽管文献有了显著扩展，从传统的过滤和基于模型的估计发展到以SLAM为中心的系统以及基于学习的导航，但现有的综述往往以片段化的方式处理这些发展，例如专注于单一模式（仅视觉或仅LiDAR）、单一估计家族或狭窄的操作环境。这种碎片化使得研究人员和实践者难以（i）根据共同标准比较方法，（ii）理解感知、估计和规划选择如何共同决定鲁棒性，以及（iii）在UAV约束（计算、功率、有效载荷）下选择可行的架构，同时仍满足动态环境中的可靠性要求。

因此，本综述的目的是提供一个综合的、系统导向的视角，将感知模式、估计框架和基于学习的决策与GNSS拒绝操作的实际现实联系起来，其中漂移累积、感知退化和实时执行约束共同塑造了性能。

本综述通过沿互补轴组织文献，提供了GNSS拒绝环境中自主无人机导航的统一综合，反映了实际系统的构建、评估和部署方式。首先，我们引入了一个结构化的分类系统，将相对定位（里程计和SLAM）与基于外部参考或先验地图的全局定位区分开来，阐明了如何在实践中实现受限制的漂移操作。其次，我们进行了以模式为中心的比较分析，研究了视觉、LiDAR和惯性系统，以及它们通过VIO和多模态融合来提高降级感知和动态操作条件下的鲁棒性的方式。第三，我们超越了估计器级别的总结，将感知和融合选择与系统级约束联系起来，包括SWaP限制、实时可行性以及安全关键操作的故障检测和恢复要求。最后，我们通过基于基准的比较和以设计为导向的矩阵来整合定量证据，以支持实际任务的架构选择。这些贡献旨在服务于（i）寻求严谨、系统化了解最新技术的研究人员，以及（ii）需要架构级指导以在真实UAV平台上部署鲁棒GNSS拒绝导航的系统设计者。

为了明确这一贡献与最近调查的相对性，表1对比了本综述的范围和重点与代表性的最新调查论文。

本文的其余部分从概念基础逐步发展到算法构建块，最终到系统级部署。下一节回顾了背景建模概念和GNSS限制；接下来的部分正式化了GNSS拒绝导航的分类系统，综合了核心估计和映射技术，分析了传感器融合和绝对参考策略，然后扩展到规划、协作自主性、应用和开放研究方向。

**调查方法论**
本调查遵循了一个结构化且可复制的文献回顾协议，旨在提供全面的覆盖范围，同时最小化选择偏差。该过程包括四个阶段：（i）数据库搜索和滚雪球式扩展，（ii）纳入/排除筛选，（iii）质量评估，以及（iv）标准化数据提取和综合。该方法论与本综述的范围保持一致，重点关注2015年至2025年间发表的经过同行评审的研究和广泛使用的开源系统。

**初步和背景**
本节建立了解释和比较整个手册中调查的导航方法所需的系统级基础。具体而言，我们概述了UAV通常采用的坐标框架和运动表示，总结了用于状态传播和控制设计的标准运动学和动态模型，并阐明了将感知、估计和实时操作中的闭环稳定性联系起来的假设。然后，我们回顾了主要机制……

**分类学和基础概念**
本节为GNSS拒绝型无人机导航建立了一个可解释的词汇表，将自主性分解为感知、估计和决策层。目的是减少研究报告中“导航”性能的歧义，并明确方法是否提供相对运动估计、全局/绝对参考、基于地图的定位或完整的闭环自主性流程。

**核心导航技术**
本节将探讨GNSS拒绝导航中的关键感知和状态估计技术，包括惯性导航、VIO和基于SLAM的方法，关注操作原理、性能特性和环境限制。图6提供了本节回顾的关键GNSS拒绝导航方法的高级分类。该分类突出了相关的感知模式并评估了它们的相对鲁棒性。

**传感器融合和架构方法**
可靠的GNSS拒绝型无人机导航很少依赖于单一传感器或估计器；相反，它依赖于结合互补测量的原则性融合架构，同时尊重实时和机载资源限制。本节回顾了用于表示不确定性和融合异构观测的主要概率基础，然后将这些基础与实际架构选择联系起来，包括紧密耦合与松散耦合的集成，这些集成塑造了……

**全局定位和外部参考**
全局定位技术提供了全局参考的位置估计，补充了GNSS拒绝环境中的相对导航和VSLAM方法。通过利用外部参考或绝对测量，这些方法减少了长期漂移并提高了在扩展任务中的导航可靠性[116]。

**高级导航和控制架构**
基于前面章节中讨论的估计和映射能力，本节 focus on 如何在系统级别将导航信息转换为安全和目标导向的行为。我们总结了将定位输出与任务执行连接的主要架构组件，包括规划和障碍物规避，以生成动态可行的轨迹，以及增强复杂环境中感知和决策的学习模块……

**GNSS拒绝型无人机导航的应用**
本节将GNSS拒绝导航置于卫星定位不可靠或不可用的代表性操作环境中。目的是将应用驱动的要求（如在室内检查中的限制和安全约束、地下环境中的感知退化和通信限制、灾害响应中的时间关键决策，以及环境监测中的耐力和覆盖需求）与导航能力联系起来……

**挑战、限制和未来研究方向**
虽然前几节调查了GNSS拒绝型无人机导航的算法和架构工具包，但实际部署仍受到一系列交叉约束的影响，这些约束结合了估计精度、鲁棒性和机载可行性。本节以系统为导向的方式整合了这些限制，重点关注在感知模式和环境中共出现的故障模式，并阐明了为什么在某一层（例如映射保真度）上的改进……

**结论**
本综述提供了GNSS拒绝环境中自主无人机导航的结构化和批判性综合，围绕相对定位方法、全局定位机制以及在实际系统中连接它们的多模态融合架构进行了组织。在文献中，一个明确的模式浮现出来：没有单一的感知模式足以实现长时间的自定义。相反，可靠的运行依赖于结合惯性、视觉、LiDAR、雷达……

**遵守伦理要求**
本文是一篇文献综述，不涉及人类参与者、动物或新的实验数据收集。本研究没有生成或分析新的数据集；因此，不适用数据共享。

**作者贡献声明**
Yunes ALQUDSI：撰写-原始草稿、监督、资源、方法论。
Abdullah ALAMERI：撰写-审阅与编辑、可视化、验证、形式分析、概念化。
Ayman M. ABDALLAH：监督。
Gamil AHMED：撰写-审阅与编辑、调查。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。