無人機導(dǎo)航定位技術(shù)簡介與分析

1、無人機導(dǎo)航定位技術(shù)簡介與分析無人機導(dǎo)航定位工作主要由組合定位定向?qū)Ш较到y(tǒng)完成， 組合導(dǎo)航系統(tǒng)實時 閉環(huán)輸出位置和姿態(tài)信息， 為飛機提供精確的方向基準(zhǔn)和位置坐標(biāo)， 同時實時根 據(jù)姿態(tài)信息對飛機飛行狀態(tài)進行預(yù)測。組合導(dǎo)航系統(tǒng)由激光陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航、 衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機、 組合導(dǎo)航計算機、 里程計、高度表和基站雷達系統(tǒng)等組成。 結(jié)合了 SAR 圖像導(dǎo)航的定位精度、自主性和星敏感器的星光導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)測 定精度，從而保證了無人飛機的自主飛行。無人機導(dǎo)航是按照要求的精度， 沿著預(yù)定的航線在指定的時間內(nèi)正確地引導(dǎo) 無人機至目的地。 要使無人機成功完成預(yù)定的航行任務(wù)， 除了起始點和目標(biāo)的位 置之外，還必須知

2、道無人機的實時位置、航行速度、航向等導(dǎo)航參數(shù)。目前在無 人機上采用的導(dǎo)航技術(shù)主要包括慣性導(dǎo)航、 衛(wèi)星導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、 地形輔助導(dǎo) 航以及地磁導(dǎo)航等。這些導(dǎo)航技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點，因此，在無人機導(dǎo)航中， 要根據(jù)無人機擔(dān)負(fù)的不同任務(wù)來選擇合適的導(dǎo)航定位技術(shù)至關(guān)重要。 一、單一導(dǎo)航技術(shù)1 慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)， 依靠安裝在載體 （ 飛機、艦船、火箭等 ） 內(nèi)部的加速度計測量載體在三個軸向運動加速度， 經(jīng)積分運算得出載體的瞬時速 度和位 置，以及測量載體姿態(tài)的一種導(dǎo)航方式。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量 裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加速度計和陀螺儀。三自 由度陀螺儀

3、用 來測量飛行器的三個轉(zhuǎn)動運動 ; 三個加速度計用來測量飛行器的 三個平移運動的加速度。計算機根據(jù)測得的加速度信號計算出飛行器的速度和位置數(shù)據(jù)。 控制顯示器 顯示各種導(dǎo)航參數(shù)。 慣性導(dǎo)航完全依靠機載設(shè)備自主完成導(dǎo)航任務(wù)， 工作時不依 賴外界信 息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，不受氣象條件限制，是一 種自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)，具有完全自主、抗干擾、隱蔽性好、全天候工作、輸出導(dǎo) 航信息多、數(shù)據(jù) 更新率高等優(yōu)點。實際的慣性導(dǎo)航可以完成空間的三維導(dǎo)航或 地面上的二維導(dǎo)航。2 定位衛(wèi)星導(dǎo)航 定位衛(wèi)星導(dǎo)航是通過不斷對目標(biāo)物體進行定位從而實現(xiàn)導(dǎo)航功能的。目前，全球范圍內(nèi)有影響的衛(wèi)星定位系統(tǒng)有美國的 GPS歐

4、洲的伽利略，俄羅斯的格拉 納斯。這里主要介紹現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的 GPS全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航。GPS全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航的基本原理：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用 1 和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星 歷、工作 狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。當(dāng)用戶接 收到導(dǎo)航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用 戶的偽距R,再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位 置，由于用戶接收機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，引進一個 t即衛(wèi)星與接收機之間的 時間差作為未知數(shù)。為了求出接收機的位置x、y、z，只要接

5、收機測出四顆衛(wèi)星的偽距，利用公式 （1）便可得到四個方程，聯(lián)立起來便 可求出四個未知數(shù)x、y、z和厶t。(1)R =- x） 2 + （/j + y） 2 +- z） 2 + c3多普勒導(dǎo)航多普勒導(dǎo)航是飛行器常用的一種自主式導(dǎo)航，多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)由磁羅盤或陀螺儀表、多普勒雷達和導(dǎo)航計算機組成。它的工作原理是多普勒效應(yīng)，機上的多 普勒導(dǎo)航雷達不斷向地面發(fā)射電磁波，因飛機與電磁波照射的地面之間存在相 對運動，雷達接收到地面回波的頻率與發(fā)射電磁波的頻率ft相差一個多普勒頻率fd。從而根據(jù) 公式（2）計算出無人機相對于地面的飛行速度（地速），以及偏 流角（即地速與無人機縱軸之間的夾角）。由于氣流的作用，

6、偏流角的大小反映了 地速、風(fēng)速和空 速之間的關(guān)系。磁羅盤或陀螺儀可以測出無人機的航天向角， 即無人機縱軸方向與正北方向之間的夾角。根據(jù)多普勒雷達提供的地速和偏流角 數(shù)據(jù)，以及磁羅盤或陀 螺儀表提供的航向數(shù)據(jù)，導(dǎo)航計算機就可以不斷地計算 出無人機飛過的路線。式中V為飛機的飛行速度，為空速和風(fēng)速的合成速度；丫為速度V與雷達波 束軸線之間的夾角。4地形輔助導(dǎo)航地形輔助導(dǎo)航是指飛行器在飛行過程中，利用預(yù)先儲存的飛行路線中某些地 區(qū)的特征數(shù)據(jù)，與實際飛行過程中測量到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行不斷比較來實施導(dǎo)航修 正的一種方法。地形輔助導(dǎo)航可分為地形匹配、景像匹配和桑地亞慣性地形輔助導(dǎo)航。1) 地形匹配地形匹配也稱為

7、地形高度相關(guān)。其原理是 : 地球陸地表面上任何地點的地理 坐標(biāo)，都可以根據(jù)其周圍地域的等高線或地貌來單值確定。 地形匹配是通過獲取 沿途航線上 的地形地貌情報，并據(jù)此作出專門的數(shù)字地圖并存入計算機，當(dāng)飛 機飛越某塊已數(shù)字化的地形時，機載無線電高度表測出相對高度，氣壓/ 慣性綜合測絕對高度，兩 者相減即得地形標(biāo)高。飛行一段時間后，即可得到真航跡的 一串地形標(biāo)高。 將測得的數(shù)據(jù)與預(yù)先存儲的數(shù)字地圖進行相關(guān)分析， 確定飛機航 跡對應(yīng)的網(wǎng)格位置。因為 事先確定了網(wǎng)格各點對應(yīng)的經(jīng)緯值，這樣便可以用數(shù) 字地圖校正慣導(dǎo)。2) 影像匹配又稱影像相關(guān)。 與地形匹配的區(qū)別是， 預(yù)先輸入到計算機的信息不知是高度 參

8、數(shù)，而是通過攝像等手段獲取的預(yù)定飛行路徑的景像信息， 將這些景象數(shù)字化 后儲存在機載的相關(guān)計算設(shè)備中，這些信息具有很好的可觀測性。飛行中，通過機載的攝像設(shè)備獲取飛行路徑中的景象。 然后利用機載數(shù)字景 象匹配相關(guān)器將其所測與預(yù)存的景象進行相關(guān)比較以確定飛機的位置。3) 桑地亞慣性地形輔助導(dǎo)航 桑地亞慣性地形輔助導(dǎo)航采用了推廣的遞推卡爾曼濾波算法， 具有更好的實 時性。其原理是 : 根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的位置在數(shù)字地圖上找到地形高程。而慣導(dǎo) 系統(tǒng)輸出的 絕對高度與地形高程之差為飛行器相對高度的估計值。它與無線電 高度表實測相對高度之差就是卡爾曼濾波的測量值。 地形的非線性導(dǎo)致了測量方 程的非線性。采用

9、 地形隨機線性化算法可以實時獲得地形斜率，得到線性化的 測量方程， 結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差狀態(tài)方程， 經(jīng)遞推卡爾曼濾波算法可得到導(dǎo)航誤 差狀態(tài)的最佳估計。利用 輸出校正可修正慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差，從而獲得最佳 導(dǎo)航狀態(tài)。5 地磁導(dǎo)航 地磁場為矢量場，在地球近地空間內(nèi)任意一點的地磁矢量都不同于其它地點 的矢量，且與該地點的經(jīng)緯度存在一一對應(yīng)的關(guān)系。 因此， 理論上只要確定該點 的地磁場矢量即可實現(xiàn)全球定位。按照地磁數(shù)據(jù)處理方式的不同，地磁導(dǎo)航分為地磁匹配與地磁濾波兩種方 式。目前地磁匹配在導(dǎo)航應(yīng)用研究中更為廣泛， 它是把預(yù)先規(guī)劃好的航跡某段區(qū) 域某些點的地 磁場特征量繪制成參考圖 ( 或稱基準(zhǔn)圖 )存

10、貯在載體計算機中，當(dāng) 載體飛越這些地區(qū)時，由地磁匹配測量儀器實時測量出飛越這些點地磁場特征 量，以構(gòu)成實時圖。 在載體上的計算機中，對實時圖與參考圖進行相關(guān)匹配， 計算出載體的實時坐標(biāo)位置，供導(dǎo)航計算機解算導(dǎo)航信息。地磁匹配類似地形匹配系統(tǒng)，區(qū)別在于地磁匹配可有多個特征量。 單一導(dǎo)航技術(shù)優(yōu)缺點分析1) 慣性導(dǎo)航。優(yōu)點是不依賴外界任何信息實現(xiàn)完全自主的導(dǎo)航，隱蔽性好， 不受外界干擾， 不受地形影響， 能夠全天候工作。 缺點是定位誤差是隨時間積累 的累積誤差，精度受到慣導(dǎo)系統(tǒng)的影響。2) GPS 導(dǎo)航。優(yōu)點是全球性、全天候、連續(xù)精密導(dǎo)航與定位能力，實時性較 出色。缺點是易受電磁干擾 ;GPS 系統(tǒng)

11、接收機的工作受飛行器機動的影響，比如 GPS的信號更新頻率一般在1 Hz2 Hz,如果飛行器需要快速更新導(dǎo)航信息，單 獨搭載GPS系統(tǒng)就不能滿足飛行器更新信息的需要。3) 多普勒導(dǎo)航。優(yōu)點是自主性好，反應(yīng)快，抗干擾性強，測速精度高，能用 于各種氣候條件和地形條件。缺點是工作時必須發(fā)射電波，因此其隱蔽性不好 ; 系統(tǒng)工作受地形影響， 性能與反射面的形狀有關(guān)， 如在水平面或沙漠上空工作時， 由于反射性不好就會降低性能 ; 精度受天線姿態(tài)的影響 ; 測量有積累誤差， 系統(tǒng)會 隨飛行距離的增加而使誤差增大。4) 地形輔助導(dǎo)航。優(yōu)點是沒有累積誤差，隱蔽性好，抗干擾性能較強。缺點 是計算量較大， 實時性受

12、到制約 ; 工作性能受地形影響， 適合起伏變化大的地形， 不適宜于在平原或者海面使用 ; 同時還受天氣影響，在大霧和多云等天氣條件下 導(dǎo)航效果不佳 ; 要求飛行器按照規(guī)定的路線飛行，不利于飛行器的機動性。5) 地磁導(dǎo)航。地磁導(dǎo)航具有無源、無輻射、隱蔽性強，不受敵方干擾、全天 時、全天候、全地域、能耗低的優(yōu)良特征，導(dǎo)航不存在誤差積累，在跨海制導(dǎo)方 面有一定的優(yōu)勢。缺點是地磁匹配需要存儲大量的地磁數(shù)據(jù) ; 實時性與計算機處 理數(shù)據(jù)的能力有關(guān)。二、組合導(dǎo)航組合導(dǎo)航是指把兩種或兩種以上的導(dǎo)航系統(tǒng)以適當(dāng)?shù)姆绞浇M合在一起， 利用 其性能上的互補特性，可以獲得比單獨使用任一系統(tǒng)時更高的導(dǎo)航性能。除了可以將以

13、上介紹的導(dǎo)航技術(shù)進行組合之外， 還可以應(yīng)用一些相關(guān)技術(shù)定位提高精 度，比如大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、航跡推算技術(shù)等。1）INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng) 組合的優(yōu)點表現(xiàn)在 : 對慣導(dǎo)系統(tǒng)可以實現(xiàn)慣性傳感器的校準(zhǔn)、慣導(dǎo)系統(tǒng)的空中對 準(zhǔn)、慣導(dǎo)系統(tǒng)高度通道的穩(wěn)定等，從而可以有效地提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能和精度 ; 對GPS系統(tǒng)來說，慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助可以提高其跟蹤衛(wèi)星的能力，提高接收機動態(tài) 特性和抗干擾性。另外，INS/GPS綜合還可以實現(xiàn)GPS完整性的檢測，從而提高 可靠性。另外，INS/GPS組合可以實現(xiàn)一體化，把 GPS接收機放入慣導(dǎo)部件中， 以進一步減少系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和成本，便于實現(xiàn)慣導(dǎo)和GPS同步，減小非同步 誤

14、差。 INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)是目前多數(shù)無人飛行器所采用的主流自主導(dǎo)航技 術(shù)。美國的全球鷹和捕食者無人機都是采用這種組合導(dǎo)航方式。2）慣導(dǎo)/多普勒組合導(dǎo)航系統(tǒng) 這種組合方式既解決了多普勒導(dǎo)航受到地形因素的影響， 又可以解決慣導(dǎo)自身的 累積誤差，同時在隱蔽性上二者實現(xiàn)了較好的互補。3）慣導(dǎo)/地磁組合導(dǎo)航系統(tǒng) 利用地磁匹配技術(shù)的長期穩(wěn)定性彌補慣系統(tǒng)誤差隨時間累積的缺點， 利用慣導(dǎo)系 統(tǒng)的短期高精度彌補地磁匹配系統(tǒng)易受干擾等不足，則可實現(xiàn)慣性 /地磁導(dǎo)航， 具備自主性強、隱蔽性好、成本低、可用范圍廣等優(yōu)點，是當(dāng)前導(dǎo)航研究領(lǐng)域的 一個熱點。4）慣導(dǎo)/地形匹配組合導(dǎo)航系統(tǒng)由于地形匹配定位的精度很高，

15、 因此可以利用這種精確的位置信息來消除慣性 導(dǎo)航系統(tǒng)長時間工作的累計誤差， 提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。 由于地形匹配 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)具有自主性和高精度的突出優(yōu)點， 將其應(yīng)用于裝載有多種圖像傳感 器的無人機導(dǎo)航系統(tǒng)，構(gòu)成慣性 /地形匹配組合導(dǎo)航系統(tǒng)，將是地形匹配輔助導(dǎo) 航技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的未來趨勢。5）GPS/ 航跡推算組合導(dǎo)航系統(tǒng)航跡推算的基本原理：在GPS失效情況下，依據(jù)大氣數(shù)據(jù)計算機測得的空速、 磁航向測得的真北航向以及當(dāng)?shù)仫L(fēng)速風(fēng)向，推算出地速及航跡角。當(dāng)GPS定位信號中斷或質(zhì)量較差時，由航跡推算系統(tǒng)確定無人機的位置和速度；當(dāng)GPS定位信號質(zhì)量較好時，利用GPS高精度的定位信息對航跡推算系統(tǒng)

16、進行校正，從而構(gòu)成了高精度、 高可靠性的無人機導(dǎo)航定位系統(tǒng)， 在以較高質(zhì)量保證了飛行安全和品 質(zhì)的同時， 有效降低了系統(tǒng)的成本， 使無人機擺脫對雷達、 測控站等地面系統(tǒng)的 依賴。三、無人機導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢1) 研制新型慣導(dǎo)系統(tǒng) ，提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)精度 新型慣導(dǎo)系統(tǒng)目前已經(jīng)研制出 光纖慣導(dǎo)、 激光慣導(dǎo)、微固態(tài)慣性儀表等多種方式的慣導(dǎo)系統(tǒng)。 隨著現(xiàn)代微機電 系統(tǒng)的飛速發(fā)展，硅微陀螺和硅加速度計的研制進展迅速，其成本低、功耗低、 體積小及質(zhì)量輕的特點很適于戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用。 隨著先進的精密加工工藝的提升和關(guān)鍵 理論、技術(shù)的突破， 會有多種類型的高精度慣導(dǎo)裝置出現(xiàn)， 組合制導(dǎo)的精度也會 隨之提高。2) 增加組合因子 ，提高導(dǎo)航穩(wěn)定性能 未來無人機導(dǎo)航將對組合導(dǎo)航的穩(wěn)定性 和可靠性提出更高的要求， 組合導(dǎo)航因子將會有足夠的冗余， 不再依賴于組合導(dǎo) 航系統(tǒng)中的某一項或者某幾項技術(shù)， 當(dāng)其中的一項或者幾項因子因為突發(fā)狀況不 能正常工作時，不會影響到無人機的正常導(dǎo)航需求。3) 研發(fā)數(shù)據(jù)融合新技術(shù) ，進一步提高組