《无人机系统理论基础》课件-项目4：导航与定位技术

第十九课时导航技术概述BU

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AVIATION目录/CONTENTS§2导航技术的分类§3导航的基本手段§1导航技术的发展§1导航技术的发展导航技术的发展导航系统定义：引导载体从一个地点按一定的轨迹运动到另一个地点功能：提供坐标系位置、速度、飞行姿态，引导无人机按照航线飞行意义：社会发展和经济发展的基本要素导航技术的发展发展历程远古时代：利用显著的地形地貌或者人为制造的标记物宇宙天体导航：利用星体、星座等指引方向北斗七星和北极星导航技术的发展发展历程标志性的导航设备与方法：指南车、计里鼓、磁罗盘、指南针海员历、航海表、经纬位置表示法北斗七星和北极星导航技术的发展惯性导航基础：牛顿三大定律原理：测量载体加速度和角速度，通过积分运算，获得飞行器的瞬时速度瞬时位置及姿态信息特点：自主式导航系统，体积小、成本低、精度高、隐蔽性好导航技术的发展无线电导航基础：无线电通信技术定义：利用无线电技术对运载体航行的全部过程实施导航的技术导航技术的发展无线电导航原理：对无线电信号的测量，确定运载体当前所处位置及其航行参数，引导运载体的安全航行优点：受外界限制小、精度高、测量速度快、体积小质量轻、可靠性高、价格低无线电导航导航技术的发展卫星导航基础：无线电导航原理：利用人造地球卫星进行导航优点：解决了原有的无线电导航系统信号覆盖范围和定位精度之间的矛盾，覆盖范围广、定位精度高、稳定性好、无积累误差§2导航技术的分类导航技术的分类测角、测距、测速、测姿等系统按无人机导航系统测量的几何参量划分：测角系统、测距系统、测距差系统、测速系统、测加速度系统、测姿系统等角度的测量：选取角度为恒定值时所形成的几何面（线）无线电导航-测角法导航技术的分类测角、测距、测速、测姿等系统测距：选取导航台为中心的一个球面或圆测距差：以两个导航台为焦点的双曲面（线）无线电导航-测距法导航技术的分类测角、测距、测速、测姿等系统测速度与加速度：通过积分计算出运载体在各个方向所移动的距离测姿：测量运载体的航向角、俯仰角和横滚角导航技术的分类单一导航与组合导航按无人机导航使用导航手段的数量分类：单一导航、组合导航组合导航的优点：充分利用某一单个导航技术的优点，避免其不足组合导航基本原理导航技术的分类自主式导航与非自主式导航按需求分类：自主式导航、非自主式导航自主式导航：利用载体上的导航设备独立产生或得到导航信息非自主式导航：除载体导航设备外，使用载体外部的导航设备导航技术的分类有源导航与无源导航按无人机导航收发信号分类：有源导航、无源导航有源导航：用户设备工作时向外发射信号，导航台站通过用户设备配合工作，得到用户的定位信息无源导航：运载体不需发射信号，独立测量、采集、接收信号导航技术的分类近程导航与远程导航按无人机导航的有效作用距离划分：近程导航、远程导航近程导航：作用距离＜500km远程导航：作用距离＞500km§3导航的基本手段导航的基本手段卫星导航定义：利用人造地球卫星，对地面、海洋、天空和空间的导航用户进行导航定位特点：全球覆盖、全天候、不间断、实时、高精度四大卫星导航系统导航的基本手段卫星导航组成：空间人造卫星、地面测控站、用户接收定位设备空间人造卫星：接收并存储由地面测控站发来的导航信息执行地面测控站发送的控制指令向地面持续发射导航定位信号导航的基本手段卫星导航地面测控站：功能：控制系统运行内容：卫星跟踪网原理：导航电文和控制命令播发给卫星的注人站与主控中心站导航的基本手段卫星导航用户接收定位设备：通过捕获、跟踪视线范围内卫星发射的导航信号，确定自身的空间位置定位原理：a.用户接收设备精确测量空中4颗或4颗以上卫星发来的测距信号导航的基本手段卫星导航定位原理：b.计算信号传播的时间或相位测量卫星与用户间的距离c.完成数学模型的求解运算，获得用户实时三维位置坐标及时间信息卫星导航工作原理导航的基本手段卫星导航优点：全球全天候导航、精度高、设备小、自动化智能化程度高缺点：精度受卫星时钟、卫星轨道、电离层、对流层、多径因素影响、易受其他无线电波的干扰、在恶劣环境下难以定位导航的基本手段惯性导航原理：利用惯性器件测量运载体本身的加速度和角速度运算得到载体的速度、位置和姿态等信息惯性导航基本原理导航的基本手段惯性导航常见的惯性器件：加速度计、陀螺仪、磁力计、高度计常用含有惯性元件或设备的系统：惯性测量单元（IMU）、惯性导航系统（INS）、航姿参考系统（AHRS）、微机电系统（MEMS）导航的基本手段惯性导航特点：无源自主导航，不受外界干扰和虚假信号的影响缺点：积分过程中产生积累误差，不适用于长时间导航惯性导航工作原理导航的基本手段无线电导航原理：利用无线电技术对运载体航行的全部（或部分）过程实施导航无线电导航系统或设备：能够完成全部或部分无线电导航功能的技术装置组合无线电导航台：置于地面、飞机、船舰或已知运动轨迹的卫星上，为其他用户载体提供导航定位功能的无线电导航系统或设备导航的基本手段无线电导航常见系统：无线电高度表、无线电着陆引导系统、多普勒导航系统、塔康系统、罗兰系统、卫星导航系统优点：不受时间、天气等的限制，测量精度高、作用距离远、定位速度快、设备简单可靠缺点：易被发现干扰，过度依赖载体外的导航设备支持导航的基本手段图形匹配导航原理：预先储存在飞行路线上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，实施导航修正分类：地形匹配导航、景像匹配导航、桑地亚惯性地形辅助导航导航的基本手段图形匹配导航优点：无累积误差、隐蔽性好、抗干扰性能较强缺点：计算量大、实时性不佳、易受地理环境与气象条件影响、灵活性与适应性较差基于地面图像辅助的无人机定位导航导航的基本手段地磁导航原理：根据地球近地空间的地磁特性，确定载体经纬度并进行导航地磁导航原理图导航的基本手段地磁导航基础：地球近地空间任意点的地磁矢量都与其他地点的地磁矢量不同，且与该地点的经纬度存在一一对应关系按照对地磁数据处理方式的不同分类：地磁匹配、地磁滤波导航的基本手段地磁导航优点：无源导航，无辐射、隐蔽性强、不受敌方干扰、全天时、全天候、全地域、能耗低、不存在误差积累缺点：精度易受干扰，需要存储大量地磁数据导航的基本手段重力导航基础：重力测量、重力异常和重力垂线偏差的测量与补偿原理：用重力敏感仪表通过测量重力实现图形跟踪事先做好各条路线的重力分布图利用重力敏感仪器测定重力场的特性来搜索期望的路线人工神经网络或统计特性曲线法等，使运载体确认、跟踪或横过某条路线导航的基本手段重力导航特点：无源导航，精度高不、受时间限制、不受干扰、无辐射、隐蔽性强适用区域：地理特性变化比较大的区域导航的基本手段视觉导航原理：通过摄像机采集视觉图像图像处理、计算机视觉模型识别等技术，获取运动信息和空间位置信息无人机视觉导航导航的基本手段视觉导航分类：主动式视觉导航、被动式视觉导航特点：简单、成本低、经济性好、应用范围广，定位效果依赖于对周围环境的分辨程度和识别能力导航的基本手段天文导航定义：对宇宙中自然天体的测量来确定载体自身位置和航向的导航技术原理：1.根据天体的位置，测量天体相对导航用户参考基准面的高度角和方位角等2.计算载体的位置和航向等导航信息导航的基本手段天文导航优点：自主式导航，不需要地面设备的支持、不受电磁场、隐蔽性好、定位误差与定位时刻无关缺点：定位、定向的精度一般分类：单星导航、双星导航、三星导航导航的基本手段天文导航单星导航：航向基准误差大，定位精度低双星导航：定位精度高，两颗星体的方位角差越接近90°定位精度越高三星导航：检查前两次测量的可靠性，确定航天器在三维空间中的位置双星导航导航的基本手段天文导航自动星体跟踪器：天空背景中搜索、识别和、踪星体，测跟踪器瞄准线相对于参考坐标系的角度天文罗盘：通过测量太阳或星体方向指示飞行器的航向六分仪：通过对恒星或行星的测量，指示出飞行器的位置和距离 组成：星体跟踪器、惯性平台、计算机、电子设备、标准时间发生器导航的基本手段天文导航星体跟踪器组成：光学望远镜系统、星体扫描装置、星体辐射探测器、星体跟踪器信号处理电路、驱动机构原理：扫描星体进行搜索并转入跟踪状态，测出星体的高度角和方位角导航的基本手段天文导航星体跟踪器③电荷耦合器件：体积小、灵敏度高、寿命长，不用高压供电，能直接获得精确的空间信息导航的基本手段UWB导航定义：以超宽带通信技术为基础，利用超宽带无线电信号实现高精度定位原理：利用脉冲冲击的调制方式，形成扩频宽带信号进行信息传输UWB定位基本原理导航的基本手段UWB导航优点：传输速率高、功耗低、抗多径效果好、安全性高和系统复杂度低缺点：占用带宽大，易对其他无线电系统造成干扰定位系统组成导航的基本手段Wi-Fi导航定义：利用Wi-Fi信号进行定位的一种导航手段原理：1.Wi-Fi接入点向周围发射信号2.定位终端检测接入点的信号强弱大小并发送给中心服务器WIFI定位导航的基本手段Wi-Fi导航原理：3.服务器查询接入点在数据库里的坐标，进行定位运算4.服务器传递结果给定位终端WIFI定位导航的基本手段Wi-Fi导航优点：不需额外的硬件成本、受非视距的影响较小、具有良好的可扩展性缺点：Wi-Fi信号的稳定性不强、定位精度不够高第二十课时卫星导航技术原理BU

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AVIATION目录/CONTENTS§2GPS系统定位原理§1概述§1概述概述卫星导航定位系统基本作用：向各类用户和运动平台实时提供准确、连续的位置、速度和时间信息卫星：围绕行星运转的物体基础：人造卫星运动时，电磁波在传播过程中出现了多普勒效应概述发展历程1958年美国海军武器实验室开始研制1964年建成多普勒卫星定位系统（NNSS）NNSS的缺陷：无法满足连续实时定位与精密大地定位的要求在NNSS的基础上，研制全球卫星导航定位系统（GNSS）概述卫星导航定位系统的构成空间段：由一个包含有多颗卫星的星座构成，广播测距码和导航电文控制段：由监视和控制网络组成，管理卫星星座和更新卫星导航电文监测站：接收卫星数据，采集气信息，所收集到的数据传送给主控站概述卫星导航定位系统的构成主控站：管理、协调地面监控系统各部分的工作收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站监控卫星状态，向卫星发送控制指令卫星维护与异常情况的处理。注入站：将导航电文注入导航卫星，接收、解码和处理GPS卫星的测距码和导航电文概述卫星导航定位系统的构成著名卫星定位系统：美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟体Galo、中国BDS卫星导航概述卫星导航定位系统的分类按照控制方式：自主式、中心式按照定位原理：TOA（到达时间）、TDOA（到达时间差）按照卫星轨道：地球低轨道、静止轨道、混合轨道§2GPS系统定位原理GPS系统定位原理GPS简介作用：在全球范围内实现全天候、连续、实时卫星导航定位与测速，进行高精度的时间传递与精密定位24颗分布在距地球20000km高空的6个轨道面上的地球同步卫星组成定义：以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统GPS系统定位原理GPS的组成空间部分：24颗工作卫星地面控制系统：监测站、主控制站、地面天线用户设备部分：GPS信号接收机GPS卫星系统的组成GPS系统定位原理GPS的组成空间部分GN3卫星星座：24工作卫星组成，21颗为导航的卫星，3颗为备用卫星卫星的运行周期：12恒星时GPS卫星星座GPS系统定位原理GPS的组成跟踪站的分类：主控站、监控站、注入站主控站：根据各监控站对GPS的观测数据，计算卫星星历与改正参数控制卫星，调度备用卫星具有监控站的功能GPS系统定位原理GPS的组成控制部分监控站的作用：接收卫星信号、监测卫星的工作状态注入站的作用：将主控站计算出的卫星星历和改正数等注入卫星GPS地面监控系统GPS系统定位原理GPS的组成用户设备组成：GPS接收机、数据处理软件、相应的用户设备作用：接收GPS卫星所发出的信号，进行导航定位等工作GPS接收机GPS系统定位原理GPS信号GPS卫星发射5种频率的载波信号C/A码：调制在L1载波，是1MHz的伪随机噪声码，码长为1023位，周期为1ms利用卫星的PRN号来区分卫星测定测站到卫星间的距离GPS系统定位原理GPS信号P码被调制在L和L2载波上，10MHz的伪随机噪声码，周期为7天实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码GPS系统定位原理GPS信号导航信息调制L1载波，信号频率50Hz，包含GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数利用导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置GPS系统定位原理GPS的服务类型服务类型：标准定位服务、精密定位服务标准定位服务：由标准定位子系统提供，主要面向全世界的民用用户精密定位服务：由精密定位子系统提供，主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户GPS系统定位原理GPS定位的误差源与GPS卫星有关的因素降低广播星历精度、在基准信号中加入高频抖动卫星星历误差、卫星钟差卫星信号发射天线相位中心偏差卫星时钟误差GPS系统定位原理GPS定位的误差源与传播途径有关的因素电离层延迟:地球周围的电离层对电磁波的折射效应对流层延迟：地球周围的对流层对电磁波的折射效应电离层和对流层对GPS信号的延迟GPS系统定位原理GPS定位的误差源与传播途径有关的因素③多路径效应：受接收机周围环境的影响多径效应GPS系统定位原理GPS定位的误差源与接收机有关的因素接收机钟差接收机天线相位中心偏差接收机软件和硬件造成的误差接收终端所处位置的影响GPS系统定位原理GPS定位的误差源其他GPS控制部分人为或计算机造成的影响数据处理软件的影响GPS系统定位原理GPS定位方法GPS的基本原理：不断使用1和0二进制码元组成的伪随机码发射导航电文用户提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比得到伪距R利用导航电文中卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置GPS系统定位原理GPS定位方法④利用4颗卫星的伪距得到4个方程⑤联立求解得到4个未知数x、y、z和卫星与接收机之间的时间差△t伪距定位原理GPS系统定位原理GPS定位方法的分类①伪距定位优点：数据处理简单、定位条件要求低、不存在整周模糊度的问题缺点：观测值精度低、AS问题GPS系统定位原理GPS定位方法②载波相位定位优点：观测值精度高缺点：数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题载波相位定位GPS系统定位原理GPS定位方法的分类①绝对定位原理：采用一台接收机，确定接收机天线的绝对坐标特点：作业方式简单，可以单机作业，精度不高、GPS系统定位原理GPS定位方法的分类②相对定位原理：采用两台以上的接收机同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系GPS系统定位原理GPS定位方法的分类获取定位结果的时间①实时定位原理：根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置②非实时定位原理：通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位GPS系统定位原理GPS定位方法的分类①动态定位原理：数据处理时，将接收机天线的位置作为随时间的改变而改变的量②静态定位原理：数据处理时，将接收机天线的位置作为不随时间改变而改变的量北斗定位系统用户终端第二十一课时北斗导航、组合导航和差分定位BU

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AVIATION目录/CONTENTS§2组合导航§1北斗卫星导航系统§3差分定位技术原理§1北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统简介中国自行研制的全球卫星导航系统是第三个成熟的卫星导航系统特点：全球范围全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信、区域导航、定位和授时能力定位精度：10m，测速精度：0.2m/8，授时精度：10ms北斗卫星导航系统系统组成由空间段、地面段和用户段组成空间段：地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星、中圆地球轨道卫星地面段：主控站、时间同步/注入站和监测站、星间链路运行管理设施卫星导航北斗卫星导航系统系统组成功能特点：快速、全天候、实时定位短报文通信，一次可传送120个汉字的信息精密授时，精度达10ms系统容纳的最大用户数为54000/h北斗卫星导航系统系统特点空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，高轨卫星多，抗遮挡能力强提供多个频点的导航信号，提高服务精度北斗卫星导航系统系统特点融合导航与通信能力，具备定位导航授时、星基增强、地基增强、精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多种服务能力同时具有定位和通信功能，不需依靠其他通信网络支持北斗卫星导航系统无人机+北斗的特点提供实时精确位置信息并进行导航定位显著提高无人机导航的可靠性利用北斗短报文功能增强无人机处理突发事件能力加强人机信息交流北斗卫星导航系统无人机+北斗的优势应用系统：组成：远程终端控制系统、无人机移动定位接受系统实时获取北斗卫星信号和RTK差分定位信息，提供精准定位支持支持接入CORS系统，获取可靠的定位精度为无人机制定飞行作业方案、规划路线，提高自动化作业能力北斗卫星导航系统无人机+北斗的优势短报文功能：少代价实现无人机在复杂地形条件下的可靠测控利用北斗终端进行应急搜救北斗卫星导航系统无人机+北斗行业应用农业部鼓励有条件地区发展无人机防治病虫害的功能农业机械应用：减轻劳动强度，降低人工成本，提高农田作业精度、作业效率、农产品品质利用图像处理技术得出农田总括信息、土壤的物理指标和化学成分、优化种植方案北斗卫星导航系统无人机+北斗行业应用农业气象监测：提高天气预警业务水平、优化最佳栽种时间、避免迟误农时影响产值北斗卫星导航系统在精细化农业中的应用北斗卫星导航系统无人机+北斗行业应用无人机航摄：在容易遮挡的情况下获得可靠、精度高的效果其他：电力领域、石油石化、森林火灾、山林搜救、消防抢险、火灾水灾、警用北斗卫星导航系统无人机+北斗行业应用灭火方面：、使用小型四旋翼无人机，可利用WiFi线，携带火焰检测模块、灭火设备、生命检测仪北斗卫星导航系统无人机+北斗行业应用灭火方面无线通讯传输功能救援地点定位功能安全高效的救援功能无人机搜救功能紧急救援功能电量检测功能§2组合导航组合导航导航系统测量并解算运载体的瞬时运动状态和位置航空导航的种类