無人機(jī)導(dǎo)航定位技術(shù)簡介與分析

1、【精品文檔】如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除，僅供學(xué)習(xí)與交流無人機(jī)導(dǎo)航定位技術(shù)簡介與分析.精品文檔.無人機(jī)導(dǎo)航定位技術(shù)簡介與分析無人機(jī)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(shí)時(shí)閉環(huán)輸出位置和姿態(tài)信息，為飛機(jī)提供精確的方向基準(zhǔn)和位置坐標(biāo)，同時(shí)實(shí)時(shí)根據(jù)姿態(tài)信息對飛機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)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(jī)、組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、里程計(jì)、高度表和基站雷達(dá)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(jī)的自主飛行。無人機(jī)導(dǎo)航是按照要求的精度，沿著預(yù)定的航線在指定的時(shí)間內(nèi)正確地引導(dǎo)無人機(jī)至目的地。要使無人機(jī)

2、成功完成預(yù)定的航行任務(wù)，除了起始點(diǎn)和目標(biāo)的位置之外，還必須知道無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置、航行速度、航向等導(dǎo)航參數(shù)。目前在無人機(jī)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(diǎn)，因此，在無人機(jī)導(dǎo)航中，要根據(jù)無人機(jī)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(jī)、艦船、火箭等)內(nèi)部的加速度計(jì)測量載體在三個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)加速度，經(jīng)積分運(yùn)算得出載體的瞬時(shí)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(jì)算機(jī)、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加

3、速度計(jì)和陀螺儀。三自由度陀螺儀用 來測量飛行器的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng);三個(gè)加速度計(jì)用來測量飛行器的三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度。計(jì)算機(jī)根據(jù)測得的加速度信號(hào)計(jì)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(jī)載設(shè)備自主完成導(dǎo)航任務(wù)，工作時(shí)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(diǎn)。實(shí)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(jìn)行定位從而實(shí)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G

4、PS，歐洲的伽利略，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(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)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(shí)鐘改正、電離層時(shí)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(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)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(shí)所處位置，由于用戶接收機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，引進(jìn)一個(gè)t即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的 時(shí)間差作為未知數(shù)。為了求出接收機(jī)的位置x、y、z，只要接收機(jī)測出

5、四顆衛(wèi)星的偽距，利用公式(1)便可得到四個(gè)方程，聯(lián)立起來便可求出四個(gè)未知數(shù)x、 y、z和t。 （1）3 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(dá)和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)組成。它的工作原理是多普勒效應(yīng)，機(jī)上的多普勒導(dǎo)航雷 達(dá)不斷向地面發(fā)射電磁波，因飛機(jī)與電磁波照射的地面之間存在相對運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)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(gè)多普勒頻率fd。從而根據(jù) 公式(2)計(jì)算出無人機(jī)相對于地面的飛行速度(地速)，以及偏流角(即地速與無人機(jī)縱軸之間的夾角)。由于氣流的作用，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(jī)的航

6、天向角，即無人機(jī)縱軸方向與正北方向之間的夾角。根據(jù)多普勒雷達(dá)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(jì)算機(jī)就可以不斷地計(jì)算出無人機(jī)飛過的路線。 式中V為飛機(jī)的飛行速度，為空速和風(fēng)速的合成速度;為速度V與雷達(dá)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(chǔ)存的飛行路線中某些地區(qū)的特征數(shù)據(jù)，與實(shí)際飛行過程中測量到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷比較來實(shí)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 地形匹配也稱為地形高度相關(guān)。其原理是:地球陸地表面上任何地點(diǎn)的地理坐標(biāo)，都可以根據(jù)其周圍地域的等高線或

7、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(bào)，并據(jù)此作出專門的數(shù)字地圖并存入計(jì)算機(jī)，當(dāng)飛機(jī)飛越某塊已數(shù)字化的地形時(shí)，機(jī)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(shí)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(chǔ)的數(shù)字地圖進(jìn)行相關(guān)分析，確定飛機(jī)航跡對應(yīng)的網(wǎng)格位置。因?yàn)?事先確定了網(wǎng)格各點(diǎn)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(jì)算機(jī)的信息不知是高度參數(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(chǔ)存在機(jī)載的相關(guān)計(jì)算設(shè)備中，這些信息具有很好的可

8、觀測性。 飛行中，通過機(jī)載的攝像設(shè)備獲取飛行路徑中的景象。然后利用機(jī)載數(shù)字景象匹配相關(guān)器將其所測與預(yù)存的景象進(jìn)行相關(guān)比較以確定飛機(jī)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(shí)時(shí)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(jì)值。它與無線電高度表實(shí)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 地形隨機(jī)線性化算法可以實(shí)時(shí)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(jì)。

9、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(diǎn)的地磁矢量都不同于其它地點(diǎn)的矢量，且與該地點(diǎn)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(diǎn)的地磁場矢量即可實(shí)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(diǎn)的地 磁場特征量繪制成參考圖(或稱基準(zhǔn)圖)存貯在載體計(jì)算機(jī)中，當(dāng)載體飛越這些地區(qū)時(shí)，由地磁匹配測量儀器實(shí)時(shí)測量出飛越這些點(diǎn)地磁場特征量，以構(gòu)成實(shí)時(shí)圖。 在載體上的計(jì)算機(jī)中，對實(shí)時(shí)圖與參考圖進(jìn)行相關(guān)匹配，計(jì)算出載體的

10、實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置，供導(dǎo)航計(jì)算機(jī)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(gè)特征量。單一導(dǎo)航技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析 1)慣性導(dǎo)航。優(yōu)點(diǎn)是不依賴外界任何信息實(shí)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(diǎn)是定位誤差是隨時(shí)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(diǎn)是全球性、全天候、連續(xù)精密導(dǎo)航與定位能力，實(shí)時(shí)性較出色。缺點(diǎn)是易受電磁干擾;GPS系統(tǒng)接收機(jī)的工作受飛行器機(jī)動(dòng)的影響，比如GPS的信號(hào)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(dú)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(diǎn)是自主性好

11、，反應(yīng)快，抗干擾性強(qiáng)，測速精度高，能用于各種氣候條件和地形條件。缺點(diǎn)是工作時(shí)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(shí)，由于反射性不好就會(huì)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(huì)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(diǎn)是沒有累積誤差，隱蔽性好，抗干擾性能較強(qiáng)。缺點(diǎn)是計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)性受到制約;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(shí)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(jī)動(dòng)性。 5)地磁導(dǎo)航。地磁導(dǎo)航具有無源、無輻射

12、、隱蔽性強(qiáng)，不受敵方干擾、全天時(shí)、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(diǎn)是地磁匹配需要存儲(chǔ)大量的地磁數(shù)據(jù);實(shí)時(shí)性與計(jì)算機(jī)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(bǔ)特性，可以獲得比單獨(dú)使用任一系統(tǒng)時(shí)更高的導(dǎo)航性能。 除了可以將以上介紹的導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)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(diǎn)表現(xiàn)在:對慣導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)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)

13、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(jī)動(dòng)態(tài)特性和抗干擾性。另外，INS/GPS綜合還可以實(shí)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(shí)現(xiàn)一體化，把GPS接收機(jī)放入慣導(dǎo)部件中，以進(jìn)一步減少系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和成本，便于實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)和GPS同步，減小非同步誤差。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(jī)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(shí)在隱蔽性上二者實(shí)現(xiàn)了較好的互補(bǔ)。 3)

14、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(bǔ)慣系統(tǒng)誤差隨時(shí)間累積的缺點(diǎn)，利用慣導(dǎo)系統(tǒng)的短期高精度彌補(bǔ)地磁匹配系統(tǒng)易受干擾等不足，則可實(shí)現(xiàn)慣性/地磁導(dǎo)航，具備自主性強(qiáng)、隱蔽性好、成本低、可用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前導(dǎo)航研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。 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，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(shí)間工作的累計(jì)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(diǎn)，將其應(yīng)用于裝載有多種圖像傳感器的無人機(jī)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

15、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(jì)算機(jī)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(hào)中斷或質(zhì)量較差時(shí)，由航跡推算系統(tǒng)確定無人機(jī)的位置和速度;當(dāng)GPS定位信號(hào)質(zhì)量較好時(shí)，利用GPS高精度的定位信息對航跡推算系統(tǒng)進(jìn)行校正，從而構(gòu)成了高精度、高可靠性的無人機(jī)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(shí)，有效降低了系統(tǒng)的成本，使無人機(jī)擺脫對雷達(dá)、測控站等地面系統(tǒng)的依賴。三、無人機(jī)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(jī)電系統(tǒng)的飛速發(fā)展，硅微陀螺和硅加速度計(jì)的研制進(jìn)展迅速，其成本低、功耗低、體積小及質(zhì)量輕的特點(diǎn)很適于戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用。隨著先進(jìn)的精密加工工藝的提升和關(guān)鍵理論、技術(shù)的突破，會(huì)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(huì)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(jī)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(huì)有足夠的冗余，不再依賴于組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的某一項(xiàng)或者某幾項(xiàng)技術(shù)，當(dāng)其中的一項(xiàng)或者幾項(xiàng)因子因?yàn)橥话l(fā)狀況不能正常工作時(shí)，不會(huì)影響到無人機(jī)的正常導(dǎo)航需求。 3)研發(fā)數(shù)據(jù)融合新技術(shù)