任务5.2-验证导航传感器集成与融合

任务5.2验证导航传感器集成与融合多传感器协同——导航集成与融合项目5·搭建无人机通信与导航课程导入组合解算位置信息，惯导可短时导航，二者互补做融合。无人机GPS与惯导导航基础01无人机怎么知道自己在哪里？无人机导航核心是确定自身位置、目标位置与飞行路径。依靠GPS获取绝对位置，IMU惯导采集姿态运动数据，再通过算法解算，从而获知自身所处位置。02GPS被遮挡时无人机还能导航吗？GPS失效后无法依靠卫星定位。可短期依靠惯导IMU或者视觉继续导航，但惯导误差会随时间变大，只适合短时间内维持导航。03惯导系统和GPS各有什么优缺点，如何配合？GPS定位精度高，但易受环境遮挡；惯导不依赖外部信号，更新快，但误差会累积。通过卡尔曼滤波做数据融合，GPS负责长期校准，IMU负责短期稳定。课程目录本任务知识模块无人机导航系统概述介绍无人机导航系统功能，梳理其不同阶段的技术发展历程01惯性导航系统讲解惯导系统原理、优缺点、分类，介绍导航解算所用各类坐标系02全球卫星导航系统介绍各大卫星导航系统，讲解GPS定位原理、单点与差分定位技术03组合导航系统讲解组合导航的融合思想，介绍GPS/INS耦合方式及多传感器导航方案04多传感器协同——导航集成与融合01无人机导航系统概述介绍无人机导航系统功能，梳理其不同阶段的技术发展历程无人机导航系统概述第一部分·无人机导航系统概述导航系统功能相当于无人机的“领航员”，输出位置、速度、飞行姿态信息，引导无人机按照预定航线准确、安全飞行。发展历程早期探索（20世纪50年代）：惯性导航投入无人机使用，依靠陀螺仪、加速度计自主解算位姿，不依赖外部信号，奠定自主飞行基础。国内起步（20世纪50年代中后期）：我国开展惯性导航技术攻关，搭建自主研发体系。技术拓展（20世纪60年代）：天文导航、无线电导航相继应用，多种导航方式优势互补。体系革新（20世纪70年代起）：GNSS卫星导航兴起；与惯导构成组合导航，弥补惯导漂移误差，信号遮挡时维持导航连续，拓展各类应用场景。02惯性导航系统讲解惯导系统原理、优缺点、分类，介绍导航解算所用各类坐标系原理与优缺点第二部分·惯性导航系统基本原理自主式推算导航，依托牛顿力学定律；测量加速度、角速度，一次积分得到速度，二次积分得到位置。完全依靠机载设备，不依赖外部信号。优点隐蔽性好、不受气象影响、导航信息连续、更新率高、短期精度高。缺点定位误差随时间累积，长期精度差；开机校准时间长；设备成本较高。系统组成加速度计、惯性导航平台、导航计算机、控制显示器惯性导航系统分类第二部分·惯性导航系统平台式惯性导航系统（PINS）带有实体陀螺稳定物理平台，隔离载体角运动优点：系统精度高，计算简单缺点：结构复杂、体积大、成本高捷联式惯性导航系统（SINS，无人机主流）无物理稳定平台，陀螺仪、加速度计直接固连在机体上优点：结构简单、体积小、重量轻、成本低、可靠性高缺点：器件工作环境恶劣，坐标变换计算量大常用坐标系第二部分·惯性导航系统惯性导航系统常用坐标系地球坐标系（e系）：以地心为原点，用于描述无人机绝对空间位置载体坐标系（b系）：与无人机机身固连，陀螺仪、加速度计原始数据输出坐标系平台坐标系（p系）：平台式惯导的平台指向坐标系导航坐标系（n系）：导航解算基准，捷联惯导需要将载体数据转换到此坐标系完成运算03全球卫星导航系统介绍各大卫星导航系统，讲解GPS定位原理、单点与差分定位技术全球卫星导航系统第三部分·全球卫星导航系统GPS概述GPS（美国）系统组成空间段：24颗卫星，分布6个轨道面地面段：主控站1个、监测站5个、注入站3个用户段：GPS接收机定位基本原理测量接收机到卫星的距离，至少接收4颗卫星信号，解算出三维坐标与时间。手持导航型GPS机全球卫星导航系统第三部分·全球卫星导航系统GPS单点定位GPS单点定位单台接收机独立接收卫星信号完成位置解算。实现条件：同时捕获≥4颗卫星信号特点：作业简单，无需基准站精度：普通米级，适合普通导航，不满足无人机高精度作业全球卫星导航系统第三部分·全球卫星导航系统GPS相对定位（差分定位）利用多台接收机同步观测，消除公共误差，实现高精度定位，无人机RTK就属于该技术按运动状态静态相对定位：接收机固定，毫米级精度动态相对定位：接收机运动，厘米级精度按数据处理事后处理：采集完成后解算，精度高、实时性差实时处理RTK：现场输出定位结果，无人机主流按差分体系单基站差分（有效半径≤20km）、区域差分、广域差分按观测信号位置差分、伪距差分（亚米级）、载波相位差分RTK（厘米级）全球卫星导航系统第三部分·全球卫星导航系统GLONASS（俄罗斯）24颗卫星实现全球覆盖；FDMA与CDMA混合信号体制；新型K2卫星支持L1/L2/L3三频信号。Galileo（欧洲）主要服务开放服务OS：水平精度＜4m公共管制服务PRS：精度＜1mSAR搜救服务：遇险信号转发与回执全球卫星导航系统第三部分·全球卫星导航系统北斗卫星导航系统（BDS‑中国）发展历程：北斗一号(2000)→北斗二号(2012，亚太服务)→北斗三号(2020，全球服务)系统特点混合星座（GEO+IGSO+MEO），高轨卫星多，抗遮挡性能强多频导航信号，提升定位精度导航+短报文通信融合，可实现位置报告、报文传输现状：在轨44颗工作卫星，服务覆盖全球200多个国家和地区，广泛用于测绘、低空无人机、应急救援。04组合导航系统讲解组合导航的融合思想，介绍GPS/INS耦合方式及多传感器导航方案组合导航系统第四部分·组合导航系统组合导航系统‑GPS/INS组合组合导航基本思想单一导航技术各有优缺点，将多种导航系统融合，取长补短，提升导航精度、可靠性与抗干扰能力。GPS/INS三种耦合方式非耦合：GPS、INS相互独立工作，数据单向输出，无相互反馈。松耦合：GPS与INS互相辅助，实现信息互补。紧耦合：GPS原始观测数据与INS数据深度融合，整体性能最优。课堂互动思考：GPS信号丢失，INS可以独立工作多久？组合导航系统第四部分·组合导航系统多传感器组合导航系统定义：集成≥2种导航传感器，实现多源信息融合。常见组合：GPS/INS/Loran‑C、GPS/GLONASS/INS典型多传感器方案：GPS+INS+TAN(地形辅助导航)+SAR(合成孔径雷达)+JTIDS开发意义：摆脱对单一卫星导航系统的过度依赖，提升导航自主性、抗干扰能力，满足复杂任务与军事场景需求。课堂总结任务5.2验证导航传感器集成与融合导航传感器集成与融合知识总结导航系统解决无人机“飞到哪”，那任务载荷系统主要解决无人机的什么问题？1无人机导航系统概述介绍无人机导航系统功能，梳理其不同阶段的技术发展历程。2惯性导航系统讲解