无人机技术原理19课件

无人机技术原理第五章无人机的导航技术惯性导航技术1.无人机惯性导航背景

在无人机导航系统中，惯性导航系统被认为是最重要的一种导航系统。惯性导航是以测量运动体加速度为基础的导航定位方法，测量到的加速度经过一次积分可以得到运动速度，经过二次积分可以得到运动距离，从而给出运动体的瞬时速度和位置数据。这种不依赖外界信息，只靠载体自身的惯性测量来完成导航任务的技术也叫自主式导航。惯性导航系统就是一种利用惯性敏感器件、基准方向及最初的位置信息来确定运载体在惯性空间中的位置、方向和速度的自主式导航系统，有时也简称为惯导。2.无人机惯性导航原理和组成假设物体做匀速或变速直线运动，其瞬时位置都取决于初始位置、速度的大小和作用的时间，而速度则取决于初始速度、加速度的大小和作用的时间。也就是说，位置是对速度的积分，速度是对加速度的积分。3.陀螺仪凡能绕定点高速旋转的物体，都可以成为陀螺。利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪。4.加速度计凡能绕定点高速旋转的物体，都可以成为陀螺。利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪。5.平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统是将陀螺仪和加速度等惯性元件通过万向支架角运动隔离系统与运动载物固联的惯性导航系统。惯性导航技术6.捷联式惯性导航系统

捷联惯导系统（SINS）是在平台式惯导系统基础上发展而来的，它是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。捷联式惯性导航系统原理图卫星定位导航技术

卫星导航是借助在预定空间轨道上运行的人造卫星而进行的一种导航技术。在卫星导航中，用户通过测定其相对于卫星的位置可以确定自己在地球上的位置。1.GPS系统2.GLONASS系统GLONASS卫星导航定位系统是在20世纪70年代美苏两霸冷战竞争时代开始研制的，经过20多年努力，于1995年建成。GLONASS系统空中有24颗卫星3.GALILEO系统GALILEO计划是由欧盟发起，欧盟和欧空局（ESA）共同负责的民用卫星导航服务计划，旨在建立一个民用全球卫星导航服务系统。GPS全球定位系统的空间星座由24颗工作卫星构成（BlockII，其中3颗为备用卫星）。4.北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS），是继美国GPS和GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。视觉导航技术1.视觉里程计（VisualOdometry，VO）2.特征匹配3.根据匹配好的特征点估计相机运动4.重建5.直接法（DirectMethods）组合导航技术组合导航系统是将无人机上的导航设备组合成一个统一的系统，利用两种或两种以上的设备提供多重信息，构成一个多功能、高精度的冗余系统。组合导航的优势体现在以下几个方面：1)协作互补功能。综合各子系统的导航信息，取长补短，形成单个子系统不具备的功能和精度，提升导航信息输出频率，扩大系统的使用范围。2)余度功能。各个系统观测同一信息源，测量值冗余度大，增强了导航系统的可靠性与稳定性。组合导航技术

大多数GPS/INS组合系统都采用松组合或紧组合方式。两者的区别在于：在松组合中，GPS提供的量测信息是位置和速度等最终导航结果，由于GPS的位置和速度通常是相关的（在GPS接收机内部采用卡尔曼滤波器的情况下尤为严重），使组合滤波器的估计精度受到影响，并且当导航星少于4颗而无法定位解算时，系统的组合将被完全破环，整个导航系统性能就会迅速恶化；而紧组合中，GPS提供的量测信息是伪距、伪距率和多普勒频率等接收机用于定位的原始信息，克服了松组合方式中量测信息的相关性问题，提高了组合系统的导航精度，且当可用星数目不足4颗时，也可以进行导航。松组合与紧组合方式的实质都是GPS对INS的辅助，缺少对GPS接收机的辅助，当组合系统中GPS接收机跟踪性能下降时，会影响组合系统的导航性能。超紧组合方式则是对INS、GPS进行更深层次的信息融合，一方面为INS提供误差校正信息以提高导航精度，另一方面利用校正后的INS量测信息为GPS跟踪环路提供辅助信息。随着航空、航天、军事等应用对导航系统的高动态、抗干扰等性能要求的提升，超紧组合导航技术逐步成为国内外研究的重点。导航系统的组合方式介绍组合导航技术

超紧组合是一种在硬件级进行一体化的组合方式，除了通过估计INS误差对INS进行反馈校正外，还使用校正后INS信息对GPS接收机的载波环、码环进行辅助或直接用INS信息闭合载波环和码环跟踪环路。超紧组合一体化在实现方式上分为两种：一种是在传统标量接收机的内部，INS辅助接收机码环或载波跟踪环路，辅助后的接收机再与INS采用紧组合方式组合；另一种是用矢量跟踪环路代替传统的GPS接收机跟踪环路，并用组合滤波器代替矢量跟踪接收机中的导航滤波器。第一种超紧组合方式通常称为INS辅助GPS超紧组合，但在实际应用中普遍认为，只要INS能够辅助卫星信号的捕获和跟踪，就可以将两者之间的组合方式称为超紧组合。第二种超紧组合方式称为基于矢量跟踪环路的GPS/INS超紧组合，我们将这种矢量跟踪超紧组合称为深组合。GPS/INS深组合算法又可以根据接收机与卡尔曼滤波器之间信息流动方式的不同分为两类：相关算法和非相关算法。相关算法是把GPS相关累加器输出的I，Q信号直接作为卡尔曼滤波器的量测信息；而非相关算法是先将I，Q信号经传统跟踪环路中的码相位和载波鉴频器处理，然后再作为卡尔曼滤波器的量测信息。下面将对INS辅助GPS超紧组合、相关深组合和非相关深组合的结构、特点以及国内外研究动态分别进行对比分析。GPS／INS超紧组合系统概念与分类组合导航技术1.INS辅助GPS超紧组合模式INS辅助GPS超紧组合是最简单的超紧组合模式，只需在紧组合系统结构的基础上，利用组合导航滤波器对载体多普勒频率进行估计，并将估计结果输送到接收机内部对跟踪环路进行辅助。不同GPS／INS超紧组合模式结构2.GPS/INS深组合模式GPS/INS深组合模式是基于GPS矢量跟踪结构提出的，它将GPS信号的跟踪与GPS/INS信息组合功能集中在一个单独的估计算法中，而INS辅助GPS超紧组合是以传统标量跟踪结构为基础的。3.GPS/INS相关深组合模式根据组合导航卡尔曼滤波器结构的不同，相关深组合可以分为集中滤波相关深组合和级联滤波相关深组合。来自GPS接收机的I、Q信号直接作为组合导航卡尔曼滤波器的量测信息。由于集中滤波相关深组合模式存在计算负担重、状态方程可观测性差、数据跳变等缺点，因此，对于所有实际实现的相关深组合系统都采用了级联卡尔曼滤波结构。4.GPS/INS非相关深组合模式非相关深组合中，I、Q信息不需要数据清除，而是直接通过与传统跟踪环中鉴别器相似的鉴别器模块计算码相位和载波频率偏差。随后这些偏差经求和与比例运算得到频率为1-2Hz的伪距、伪距率信息，这些信息直接作为组合导航滤波器的量测量。为了估计码相位偏差，相关深组合算法中必须估计出载波相位偏差，而非相关深组合由于码相位鉴别功能独立于载波相位鉴别器，因此不需要估计载波相位偏差。组合导航技术1.INS辅助GPS超紧组合模式

从INS辅助GPS超紧组合模式的结构中可以看到，INS的辅助反馈中包含的载体动态信息，不仅可以减小GPS接收机码环和载波所跟踪载体的动态，从而减小码环和载波环的等效带宽，提高整个系统在高动态环境下的抗干扰能力，还可以降低环路滤波器的带宽，达到抑制热噪声的目的，这就有效解决了传统跟踪环设计中存在的动态跟踪性能与抗干扰能力之间的矛盾。因此，与紧组合导航方式相比，接收机动态性能和抗干扰性能有了很大的改善；在硬件实现上，对传统GPS接收机的结构改造小，可操作性强。但是对于这种结构，如果采用低水平的INS，如MEMS-IMU，当载体高动态运动或受到强干扰时，可能会造成跟踪环路不能有效跟踪多普勒频率误差的快速变化，进而使跟踪环路失锁、组合滤波器变得不稳定。另外，由于辅助跟踪环的结构中存在滤波器级联，当环路滤波器带宽小于卡尔曼滤波器的有效带宽时，辅助构型会变得不稳定。其次，每个卫星信号都采用独立的跟踪环进行跟踪，因此对跟踪环路数控震荡器（NCO）的控制不能充分利用已有的导航信息进行辅助，这会影响跟踪环路在强噪声和超高动态环境中的跟踪能力。不同超紧组合模式特点2.GPS/INS深组合模式GPS/INS深组合模式与INS辅助GPS超紧组合模式相比，其优点为：1)深组合导航系统基于矢量跟踪结构，提高了GPS接收机在较低信噪比环境（信号衰减、受到偶然或故意干扰等）中的信号跟踪性能。2)一般INS辅助GPS超紧组合的跟踪环路带宽不能随着载噪比水平的变化而进行调节，而优化的深组合算法会根据载噪比水平调节跟踪环路带宽，这样就增强了系统在受干扰情况下的导航性能。3)在GPS信号出现短暂中断后，深组合系统可以不需要重捕获而保持连续跟踪；INS辅助GPS超紧组合系统则仍需要进行信号的重捕获。4)INS辅助GPS超紧组合系统中存在滤波器串联，为了避免组合导航不稳定，实际使用中，需要对组合导航滤波器的噪声带宽进行限制，以保证其小于跟踪环路带宽。而深组合系统去除了这种串联，使其有了更好的导航性能。组合导航技术不同超紧组合模式特点2.GPS/INS深组合模式GPS/INS深组合模式与INS辅助GPS超紧组合模式相比，其优点为：1)深组合导航系统基于矢量跟踪结构，提高了GPS接收机在较低信噪比环境（信号衰减、受到偶然或故意干扰等）中的信号跟踪性能。2)一般INS辅助GPS超紧组合的跟踪环路带宽不能随着载噪比水平的变化而进行调节，而优化的深组合算法会根据载噪比水平调节跟踪环路带宽，这样就增强了系统在受干扰情况下的导航性能。3)在GPS信号出现短暂中断后，深组合系统可以不需要重捕获而保持连续跟踪；INS辅助GPS超紧组合系统则仍需要进行信号的重捕获。4)INS辅助GPS超紧组合系统中存在滤波器串联，为了避免组合导航不稳定，实际使用中，需要对组合导航滤波器的噪声带宽进行限制，以保证其小于跟踪环路带宽。而深组合系统去除了这种串联，使其有了更好的导航性能。3.GPS/INS相关深组合模式根据组合导航卡尔曼滤波器结构的不同，相关深组合可以分为集中滤波相关深组合和级联滤波相关深组合。来自GPS接收机的I、Q信号直接作为组合导航卡尔曼滤波器的量测信息。由于集中滤波相关深组合模式存在计算负担重、状态方程可观测性差、数据跳变等缺点，因此，对于所有实际实现的相关深组合系统都采用了级联卡尔曼滤波结构。4.GPS/INS非相关深组合模式非相关深组合中，I、Q信息不需要数据清除，而是直接通过与传统跟踪环中鉴别器相似的鉴别器模块计算码相位和载波频率偏差。随后这些偏差经求和与比例运算得到频率为1-2Hz的伪距、伪距率信息，这些信息直接作为组合导航滤波器的量测量。为了估计码相位偏差，相关深组合算法中必须估计出载波相位偏差，而非相关深组合由于码相位鉴别功能独立于载波相位鉴别器，因此不需要估计载波相位偏差。组合导航技术各种GPS／INS组合方式性能对比量的名称松组合紧组合INS辅助GPS超紧组合相关深组合非相关深组合捕获能力一般一般好好好再捕获能力一般一般良好好好定位精度一般良好好很好好弱信号或强干扰差一般良好好很好实现难度很小小一般稍大稍大系统成本较高，必须使用高精度IMU较高，必须使用高精度IMU较低，可以采用低质量MEMSIMU较低，可以采用低质量MEMSIMU较低，可以采用低质量MEMSIMU其他INS、GPS相互独立INS、GPS独立性减小INS、GPS超紧耦合，跟踪环相互独立INS、GPS超紧耦合，根治环相互影响INS、GPS超紧耦合，根治环相互影响不同组合方式性能比较组合导航技术北斗/惯导深组合导航算法在所有的组合导航系统中，以北斗与惯性导航系统INS组合的系统最为理想，而深组合方式是北斗与惯性导航系统组合的最优方法。鉴于GPS

的不可依赖性，北斗卫星导航系统与INS的组合是我国组合导航系统的发展趋势，我国自主研制北斗/INS深组合导航系统需要解决的关键技术。深组合导航算法是由INS导航结果推算出伪距、伪距率，与北斗定位系统观测得到的伪距、伪距率作差得到观测量。通过卡尔曼滤波对INS的误差和北斗接收机的误差进行最优估计，并根据估计出的INS误差结果对INS进行反馈校正，使INS保持高精度的导航。同时利用校正后的INS速度信息对北斗接收机的载波环、码环进行辅助跟踪，消除载波跟踪环和码跟踪环中载体的大部分动态因素，以降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数，从而减小环路的等效带宽，增加北斗接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。其组合方式如图所示，图中只画出了北斗的一个通道，其他通道均相同。组合