无人机导航定位技术简介与分析

无人机导航定位技术简介与分析无人机导航定位工作主要由组合定位定向导航系统完成，组合导航系统实时闭环输出位置和姿态信息，为飞机提供精确的方向基准和位置坐标，同时实时根据姿态信息对飞机飞行状态进行预测。组合导航系统由激光陀螺捷联惯性导航、卫星定位系统接收机、组合导航计算机、里程计、高度表和基站雷达系统等组成。结合了SAR图像导航的定位精度、自主性和星敏感器的星光导航系统的姿态测定精度，从而保证了无人飞机的自主飞行。\t"/doc/1/1110/_blank"无人机导航是按照要求的精度，沿着预定的航线在指定的时间内正确地引导无人机至目的地。要使无人机成功完成预定的航行任务，除了起始点和目标的位置之外，还必须知道无人机的实时位置、航行速度、航向等导航参数。目前在无人机上采用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、多普勒导航、地形辅助导航以及地磁导航等。这些导航技术都有各自的优缺点，因此，在无人机导航中，要根据无人机担负的不同任务来选择合适的导航定位技术至关重要。一、单一导航技术1惯性导航惯性导航是以牛顿力学定律为基础，依靠安装在载体(飞机、舰船、火箭等)内部的加速度计测量载体在三个轴向运动加速度，经积分运算得出载体的瞬时速度和位置，以及测量载体姿态的一种导航方式。惯性导航系统通常由惯性测量装置、\t"/doc/1/1110/_blank"计算机、控制显示器等组成。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪。三自由度陀螺仪用来测量飞行器的三个转动运动;三个加速度计用来测量飞行器的三个平移运动的加速度。\t"/doc/1/1110/_blank"计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数。惯性导航完全依靠机载设备自主完成导航任务，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，不受气象条件限制，是一种自主式的导航系统，具有完全自主、抗干扰、隐蔽性好、全天候工作、输出导航信息多、数据更新率高等优点。实际的惯性导航可以完成空间的三维导航或地面上的二维导航。2定位卫星导航定位卫星导航是通过不断对目标物体进行定位从而实现导航功能的。目前，全球范围内有影响的卫星定位系统有美国的\t"/doc/1/1110/_blank"GPS，欧洲的伽利略，俄罗斯的格拉纳斯。这里主要介绍现阶段应用较为广泛的\t"/doc/1/1110/_blank"GPS全球定位系统导航。GPS全球定位系统导航的基本原理:当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。当用户接收到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的伪距R，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，由于用户接收机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数。为了求出接收机的位置x、y、z，只要接收机测出四颗卫星的伪距，利用公式(1)便可得到四个方程，联立起来便可求出四个未知数x、y、z和Δt。（1）3多普勒导航多普勒导航是飞行器常用的一种自主式导航，多普勒导航系统由磁罗盘或陀螺仪表、多普勒雷达和导航计算机组成。它的工作原理是多普勒效应，机上的多普勒导航雷达不断向地面发射电磁波，因飞机与电磁波照射的地面之间存在相对运动，雷达接收到地面回波的频率与发射电磁波的频率ft相差一个多普勒频率fd。从而根据公式(2)计算出无人机相对于地面的飞行速度(地速)，以及偏流角(即地速与无人机纵轴之间的夹角)。由于气流的作用，偏流角的大小反映了地速、风速和空速之间的关系。磁罗盘或陀螺仪可以测出无人机的航天向角，即无人机纵轴方向与正北方向之间的夹角。根据多普勒雷达提供的地速和偏流角数据，以及磁罗盘或陀螺仪表提供的航向数据，导航计算机就可以不断地计算出无人机飞过的路线。式中V为飞机的飞行速度，为空速和风速的合成速度;γ为速度V与雷达波束轴线之间的夹角。4地形辅助导航地形辅助导航是指飞行器在飞行过程中，利用预先储存的飞行路线中某些地区的特征数据，与实际飞行过程中测量到的相关数据进行不断比较来实施导航修正的一种方法。1)INS/GPS组合导航系统组合的优点表现在:对惯导系统可以实现惯性传感器的校准、惯导系统的空中对准、惯导系统高度通道的稳定等，从而可以有效地提高惯导系统的性能和精度;对GPS系统来说，惯导系统的辅助可以提高其跟踪卫星的能力，提高接收机动态特性和抗干扰性。另外，INS/GPS综合还可以实现GPS完整性的检测，从而提高可靠性。另外，INS/GPS组合可以实现一体化，把GPS接收机放入惯导部件中，以进一步减少系统的体积、质量和成本，便于实现惯导和GPS同步，减小非同步误差。INS/GPS组合导航系统是目前多数无人飞行器所采用的主流自主导航技术。美国的全球鹰和捕食者无人机都是采用这种组合导航方式。2)惯导/多普勒组合导航系统这种组合方式既解决了多普勒导航受到地形因素的影响，又可以解决惯导自身的累积误差，同时在隐蔽性上二者实现了较好的互补。3)惯导/地磁组合导航系统利用地磁匹配技术的长期稳定性弥补惯系统误差随时间累积的缺点，利用惯导系统的短期高精度弥补地磁匹配系统易受干扰等不足，则可实现惯性/地磁导航，具备自主性强、隐蔽性好、成本低、可用范围广等优点，是当前导航研究领域的一个热点。4)惯导/地形匹配组合导航系统由于地形匹配定位的精度很高，因此可以利用这种精确的位置信息来消除惯性导航系统长时间工作的累计误差，提高惯性导航系统的定位精度。由于地形匹配辅助导航系统具有自主性和高精度的突出优点，将其应用于装载有多种图像传感器的无人机导航系统，构成惯性/地形匹配组合导航系统，将是地形匹配辅助导航技术发展和应用的未来趋势。5)GPS/航迹推算组合导航系统航迹推算的基本原理:在GPS失效情况下，依据大气数据计算机测得的空速、磁航向测得的真北航向以及当地风速风向，推算出地速及航迹角。当GPS定位信号中断或质量较差时，由航迹推算系统确定无人机的位置和速度;当GPS定位信号质量较好时，利用GPS高精度的定位信息对航迹推算系统进行校正，从而构成了高精度、高可靠性的无人机导航定位系统，在以较高质量保证了飞行安全和品质的同时，有效降低了系统的成本，使无人机摆脱对雷达、测控站等地面系统的依赖。三、无人机导航技术发展趋势1)研制新型惯导系统，提高组合导航系统精度新型惯导系统目前已经研制出光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式的惯导系统。随着现代微机电系统的飞速发展，硅微陀螺和硅加速度计的研制进展迅速，其成本低、功耗低、体积小及质量轻的特点很适于战术应用。随着先进的精密加工工艺的提升和关键理论、技术的突破，会有多种类型的高精度惯导装置出现，组合制导的精度也会随之提高。2)增加组合因子，提高导航稳定性能未来无人机导航将对组合导航的稳定性和可靠性提出更高的要求，组合导航因子将会有足够的冗余，不再依赖于组合导航系统中的某一项或者某几项技术，当其中的一项或者几项因子因为突发状况不能正常工作时，不会影响到无人机的正常导航需求。3)研发数据融合新技术，进一步提高组合导航系统性能组合导航系统的关键器件是卡尔曼滤波器，它是各导航系统之间的接口，并进行着数据融合处理。目前研究人员正在研究新的数据融合技术，例如采用自适应滤