狭窄水域自主导航系泊中风险与完整性感知的多传感器融合架构及降级性能评估

《Sensors》：Risk-Aware Fault-Tolerant Multisensor Fusion for Human–Machine Decision Support in Autonomous Navigation and Mooring in Confined Waters

　　**摘要**在狭窄水域中自主导航与系泊要求导航解决方案在单个感知通道出现延迟、不可用或受环境降级影响时仍能保持可靠。为此，开发了一种具有风险与完整性感知能力的架构，用于联合处理RTK-GNSS、惯量与航向测量数据、短程雷达、激光雷达、相机、AIS、超声波测距、推进反馈、环境数据以及系泊缆张力数据。该系统采用异步时间对齐，结合传感器质量评估、基于新信息的故障检测与隔离、协方差自适应、活动集重构、保护等级监测，以及在自动化系统与操作人员之间根据风险分配控制权限。该系统在一次为期五天、包含40次运行、四个作业阶段、480个同步评估纪元及16次受控的单传感器或复合传感器降级事件的事件中进行了评估。在标称条件下，水平位置与航向的均方根误差（RMSE）分别为0.043 m和0.176°。全部64条故障激活诊断记录均被识别；平均事件日志检测延迟与受控恢复延迟分别为3.17 s和6.34 s。水平保护等级的覆盖率为：单故障纪元99.3%，复合故障纪元100%。一次复合故障靠泊运行中出现了连续五个被中止的决策纪元，但未记录任何不安全的自主事件。因此，测量结果表明，当感知完整性降低时，导航解决方案存在有界降级，并且控制权限转移采取保守策略。由于所有注入故障的运行均在恶劣天气下采集，而标称运行则在平静或温和条件下采集，因此下文报告的条件类别RMSE差异属于描述性数据，不应被解读为传感器故障的孤立因果效应。