GPS 拒止無人機自主

這架無人機知道自己在哪,也知道自己何時不行

Lodestar 是一套用於 GPS 拒止飛行的導航完整性引擎。它在干擾泡中持續追蹤,漂移約 0.9%,當場景真正變得不可觀測時會切換為 RED 並返航,而不是帶著自信卻錯誤的定位解飛向牆壁。信任在估測器之外計算,因此無論底層 VIO 變得多好,它都站得住。

0.92%

在 GPS 拒止航段上維持的位置漂移(我們的)

固定種子的合成任務;航位推算達到 30.95%

於 52.5 s 進入 RED

隧道變得不可觀測時返航

同一任務,LiDAR 融合關閉

100% / 0.1%

已標記的不可觀測隧道/健康航段上的誤報

棄權檢查,本次運行

以下全部是一條 245.3 m 路徑上、固定種子的合成任務,可離線重現。不涉及真實無人機、飛行紀錄或電子戰發射器。

危險的失效不是漂移。而是自信卻錯誤的位置。

電子戰已讓 GPS 在自主無人機如今最關鍵的地方變得不可靠:爭奪中的空域、礦坑、隧道、都市峽谷。反射性的作法是加裝視覺慣性里程計(VIO)然後祈禱。但 VIO 有兩種失效方式,而大家常談的漂移只是其中一種。

第一種失效是 VIO 會漂移,GPS 拒止越久,誤差就累積越多。那是可管理的。第二種更糟:VIO 靜默失效。它鎖定移動物體或空場景,回報一個清晰、自信、卻根本錯誤的位置。對國防、採礦或 Blue UAS 買家來說,自信卻錯誤的位置比誠實的「我不知道」更危險,因為飛機會帶著十足確信依此行動,精準飛向它並不在的地方。

打造此示範時,我們把第二種失效當成真正的問題。把估測器做得更準解決不了它,因為「這個位置可信嗎?」與「這個位置是哪裡?」是不同的問題。你不能用產出第二個答案的同一套機制來回答第一個,就像你不會讓證人自行認證自己的證詞。因此 Lodestar 的持久價值不是更好的估測器。而是坐在估測器之外、願意說出不體面那句話的完整性監測器:這個位置不可信,返航。

運作方式:信任在估測器之外計算

整條管線都是真實、確定性、固定種子的程式碼。合成任務獨立於每個估測器產生真實值;緊耦合 VIO EKF 產出位置;獨立的導航完整性監測器判定該位置是否可信;基準測試加上飛行完整性報告,對照真實值為整次運行評分。

估測器:一個 EKF,三種誠實組態

同一個緊耦合 VIO EKF 在三種真正不同的設定下運行,不是稻草人。航位推算 IMU 不使用視覺。原版 VIO 關閉語意遮罩。完整性感知 VIO(我們的)開啟語意遮罩,因此會拒絕屬於移動物體的視覺特徵,而不是去追蹤它們。當 GPS 在 t=18 s 被拒止時,EKF 從 GPS 交接到視覺,沒有操作員可見的模式切換,並保持位置連續。

完整性監測器:GREEN/AMBER/RED 判定

導航完整性監測器刻意是獨立程式碼。它把三個訊號融合成一個帶硬閾值的完整性狀態:

RED 持續 0.5 秒會鎖住失效保護並下令返航。監測器也會隨信任變化重新權衡 GPS 與 VIO 的比重。因為它活在估測器之外,其判定不取決於被信任的那個東西。

收據:一鍵飛行完整性報告

一鍵將稽核收據匯出為 JSON 與可列印 HTML:計分板、標題指標、棄權正確性、失效保護時間、事件時間軸,以及樁件與延後項目的明確範圍揭露。它完全離線、以固定種子確定性運行,因此整個結果可重現。唯一可選的 LLM 是「草稿敘事」按鈕,它從結構化報告撰寫技術審查敘事,且完全位於飛行迴路之外;確定性完整性閘門做決定,模型只提供建議。

證明:一次飛行,四個節拍

示範是一次連續的固定種子任務。以下是依序的四個節拍,在 LiDAR 融合關閉下記錄,也就是失效保護觸發的標題運行。

Lodestar 儀表板在 GPS 良好基準:完整性狀態讀為 GREEN,漂移為 0.38 m,基準計分板顯示完整性感知 VIO 漂移 0.92%,對照航位推算 30.95% 與原版 VIO 28.79%。
節拍 1,GPS 良好(t 低於 18 s)。 估測軌跡貼在真實值上,完整性讀為 GREEN。這是進入干擾泡之前的基準。

節拍 2,GPS 拒止(t=18 s,干擾泡)

無人機進入模擬的 R-330Zh 式電子戰干擾泡,GPS 掉線。EKF 交接到 VIO,沒有模式切換,持續追蹤至約 0.9% 漂移,而航位推算 IMU 基準爆到 30.95% 漂移與 75.92 m 最終誤差。準確度是真的,但那不是重點。重點是當準確度不再可能時會發生什麼。

移動車隊航段:關閉遮罩的原版 VIO 已鎖定移動車輛並以紅線飛離,而完整性感知軌跡緊貼真實值,完整性狀態讀為 AMBER,可用特徵 2 個、已遮罩 10 個。
節拍 3,移動車隊(t=30 至 43 s)。 一支車隊穿越特徵稀疏的空地。原版 VIO 鎖定移動車輛,飛離至 28.79% 漂移與 70.61 m 誤差,即有紀錄的「追蹤了卡車,以為無人機還停著」失效。語意遮罩拒絕動態特徵,因此完整性感知軌跡站得住。完整性誠實地降到 AMBER,因為靜態特徵現在很少,但軌跡仍然良好。
黑暗隧道航段:可用特徵崩到零,完整性狀態讀為 RED,標籤為位置不可信,時間軸顯示 TRACKING DEGRADED,並於 t=52.5 s 觸發返航。
節拍 4,黑暗隧道(t=52 至 66 s),誠實棄權案例。 視覺特徵崩到接近零。沒有估測器能從不可觀測場景製造出可信位置,因此監測器切換為 RED,並於 t=52.5 s 觸發返航。它不虛報一個定位解。它宣告估測不可信,並下令安全動作。
同一隧道航段切換 LiDAR 融合開啟:完整性維持,沒有失效保護觸發,計分板顯示完整性感知 VIO 加上 LiDAR 為 0.43 m ATE 與 0.01% 漂移。
復原,LiDAR 融合開啟。 切換開啟模擬的緊耦合 LiDAR 距離約束,同一航段變得可觀測。完整性維持,沒有失效保護觸發,本次運行漂移降到 0.01%。LiDAR 是取捨,不是魔法:它增加 250 至 400 g 酬載與 8 至 12 W 功率,是報告攤開而非隱藏的真實 SWaP-C 成本。
匯出的飛行完整性報告,顯示對照獨立真實值的準確度表、棄權正確性、事件時間軸,以及範圍揭露章節。
飛行完整性報告。 一鍵匯出完整稽核收據:對照真實值的準確度、棄權正確性、失效保護時間、事件時間軸,以及樁件與延後項目的明確揭露。這是技術審查收據,為 SBIR 或 AFWERX 審查者會施加的那種審視而建。

數字,附確切範圍

由報告產生器在種子 20260619、245.3 m 路徑上產出,完全可離線重現。標題運行是 LiDAR 融合關閉,RED 失效保護會觸發。

方法(LiDAR 關閉) ATE 最終誤差 漂移
航位推算 IMU 25.37 m 75.92 m 30.95%
原版 VIO(遮罩關閉) 32.95 m 70.61 m 28.79%
完整性感知 VIO(我們的) 0.90 m 2.26 m 0.92%

同一次運行中,GPS 拒止飛行有 56.3% 維持 GREEN 完整性,監測器 100% 標記真正不可觀測的隧道,在健康的 GPS 拒止航段上僅誤報 0.1%。返航失效保護於 t=52.5 s 觸發。模擬 LiDAR 融合開啟時,隧道變得可觀測,漂移降到 0.01%,GREEN 涵蓋率升至 78.9%,且沒有失效保護觸發,這是正確行為,不是漏掉一次。

本次運行量測的吞吐量為 16,000 次 EKF 傳播更新(80 s 以 200 Hz)。NVIDIA Jetson Orin NX 16 GB 上 30 至 45 FPS 的數字是目標硬體規格,並非此處量測,報告也如此標示。

此示範不做什麼

誠實就是產品,因此範圍是明確的。這是機制的示範,不是已部署的管線。

  • 一切皆為 合成且固定種子。沒有真實無人機、飛行紀錄、公開資料集或電子戰發射器。R-330Zh 是具名情境,不是被感測到的訊號。
  • 視覺前端(SuperPoint)、 LiDAR 融合 (模擬的距離約束,而非真實 LiDAR 因子)、MAVLink/autopilot 介面,以及 Jetson 吞吐量均為 樁件或模擬
  • 迴路閉合與姿態圖優化、真實的 ORB-SLAM3 加上 SuperPoint 前端、公開資料集基準、基於優化的滑動視窗後端、PX4 SITL 橋接,以及飛行測試全部 延後
  • 精確的公尺數與百分比是 這一次固定種子任務的結果,而非經飛行測試的保證。持久主張是結構:信任在估測器之外計算、RED 觸發返航,以及在不可觀測場景下棄權。

買家常問的問題

無人機在 GPS 被干擾時如何繼續飛行?

當 GPS 在干擾泡內掉線,Lodestar 交接到緊耦合視覺慣性里程計(VIO)EKF,融合相機地標與 200 Hz IMU 資料持續估測位置。在我們固定種子的合成任務上,漂移維持在飛行路徑的約 0.9%,而航位推算 IMU 基準爆到約 31%。估測器只是故事的一半:獨立的完整性監測器時刻判定位置究竟是否可信。

為什麼自信錯誤的位置比漂移更危險?

略為漂移的位置會優雅地劣化,操作員可以據此規劃;自信卻錯誤的位置則把飛機精準送向它自以為所在、其實並非所在的地方。VIO 在鎖定移動物體或空場景、並回報一個清晰卻根本為假的定位解時,就會這樣失效。Lodestar 的答案是誠實棄權:當沒有任何位置可信時,它說出來並返航,而不是帶著自信卻錯誤的定位解飛向牆壁。

無人機進入隧道、什麼都看不見時會怎樣?

在我們任務的黑暗隧道航段,可用視覺特徵崩到接近零,因此沒有估測器能製造出可信位置。導航完整性監測器切換為 RED,RED 持續 0.5 秒後鎖住失效保護並下令返航,本次運行於 t=52.5 s。切換開啟可選的模擬 LiDAR 融合,同一航段再次變得可觀測,因此監測器正確地維持,沒有失效保護觸發。

這是真實飛行測試還是模擬?

這是模擬。一切都是合成、固定種子的任務,真實值獨立於每個估測器產生,因此運行可逐位元組重現;沒有真實無人機、飛行紀錄或電子戰發射器,R-330Zh 僅作為具名情境。真實的是程式碼:可運作的 VIO EKF、完整性監測器與基準測試全部離線確定性運行。持久主張是結構,亦即信任在估測器之外計算、以及 RED 觸發返航,而不是一次任務的確切公尺數。

這與原版 VIO 或 ORB-SLAM3 有何不同?

原版 VIO 估測位置,但沒有獨立的判定者來判斷該位置是否可信,而且它可能鎖定動態特徵。在同一次固定種子運行中,關閉語意遮罩的原版 VIO 鎖住移動車隊並飛離至約 29% 漂移,即經典的追蹤卡車、以為無人機還停著的案例。Lodestar 加上拒絕移動特徵的語意遮罩,以及活在估測器之外的完整性監測器,因此信任不取決於被信任的那個東西。

Lodestar 能在無人機上、在 Jetson 上運行嗎?

此示範以 FastAPI 服務搭配 NumPy EKF 與完整性監測器,在筆電上離線、確定性運行。NVIDIA Jetson Orin NX 16 GB 上 30 至 45 FPS 的數字是目標硬體規格,不是量測結果,飛行完整性報告也如此陳述。機載部署、真實影像前端,以及飛控/MAVLink 橋接均已延後,並未在此版本建置。

Lodestar 是否符合 Blue UAS 或 NDAA?

Blue UAS 是美國國防創新小組(U.S. Defense Innovation Unit)已核准的、符合 NDAA 的無人機清單,而 SBIR/AFWERX 資助的正是這類 GPS 拒止自主工作;我們將它們作為市場脈絡引用,而非隸屬關係。Veriprajna 並未聲稱列於任何清單或受任何合約約束。此示範為那類審查提供的,是一鍵飛行完整性報告,並明確揭露哪些是樁件、哪些已延後。

技術研究

支撐此示範的研究——架構、驗證設計,以及企業藍圖。

正在為 GPS 不可信的空域打造自主能力?

示範證明的是機制。更難的工作是把它適配到你的平台、你的感測器,以及你的任務。

如果你的團隊正在與 GPS 拒止導航搏鬥,以及自主堆疊何時該拒絕信任自己的位置,我們真心想聽聽你是怎麼思考這件事的。這個問題遍及整個產業,答案也將如此。

導航完整性審查

  • • 評估你的 GPS 拒止失效模式,包括靜默 VIO 失效
  • • 定義對你的任務重要的信任訊號與閾值
  • • 為不可觀測場景設計棄權與失效保護政策
  • • 產出對照真實值、可重現的完整性基準

自主工程建置

  • • 將緊耦合 VIO EKF 與真實影像前端整合
  • • 加入活在估測器之外的完整性監測器
  • • 為你的機體導入感測器融合與飛控橋接
  • • 交付供 SBIR/AFWERX 式審視的技術審查收據
社群媒體

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