無人機導航與通信技術PPT完整全套教學課件

《無人機導航與通信技術》01導航的定義及意義02無人機發(fā)展歷程及常見導航方法03無人機常見導航坐標系04機械轉子陀螺儀05MEMS陀螺儀06MEMS陀螺儀校準及故障檢修07MEMS加速度計校準及故障檢修08慣性導航系統(tǒng)工作原理及排故方法09航姿參考系統(tǒng)及磁羅盤工作原理10磁場干擾及校準方法11地基無線電導航發(fā)展歷程及種類12ADF定向機及工作原理13VOR工作原理14VOR功用15無線電高度表和測距機16衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展和種類17GPS絕對定位18GPS故障分析與排除19靜態(tài)相對定位20-21動態(tài)相對定位及網(wǎng)絡RTK設置方法22光流定位工作原理及排故方法23雙目視覺導航24組合導航25發(fā)射機和接收機的通信方法26高頻調制課程介紹：1.課程的性質及作用2.課程的主要內容3.課程的考核方法4.課堂紀律要求及考核方法假設你穿越至沒有實現(xiàn)電氣化的時代，要出門遠(航)行或者帶兵打仗時，如何做到不迷路？導入新課：123R1導航定義及意義1．古代導航方法2．導航的定義3．導航、制導與控制的區(qū)別課時：2學時教學目標：1.掌握導航的基本概念和作用。；2.了解導航、制導與控制的區(qū)別及聯(lián)系；3.掌握導航的定義。知識目標：教學目標：1.學會資料收集和小組合作學習的方法。能力目標：素質目標：1.具有嚴謹細致的工作作風；2.具有合作意識、效率意識和全局意識。R1.1.1北斗七星R1.1中國古代導航方法我國古人很早就掌握了通過北斗七星來辨別方位和季節(jié)的方法，古書《鹖冠子》就有：“斗柄東指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬?！盧1.1.2司南和指南車R1.1中國古代導航方法指南車和利用地磁效應的司南不同，是利用齒輪傳動系統(tǒng)和離合裝置來指明方向的一種機械裝置，在特定條件下，不論車子轉向何方，木人的手始終指向南方。機械手表定方向：

時數(shù)折半對太陽，12指的是北方R1.1.1六分儀R1.2歐洲近代導航方法R1.3導航的定義

廣義上的定義：引導各種運載體（飛機、船舶、車輛等）以及個人按既定航線航行的過程稱為導航，它是保證運載體安全、準確地沿著選定路線，準時到達目的地的一種手段。

狹義上來說，導航是指確定運載體在某一時刻的位置、速度和姿態(tài)。作為無人機導航的感知單元，導航系統(tǒng)承擔著無人機狀態(tài)參量測量與估計的重任。那我們的人生需要導航么？R1.3導航、制導與控制的區(qū)別和聯(lián)系無人機導航、制導和控制系統(tǒng)回顧與練習中國古代導航方法有哪些？導航廣義上和狹義上的定義是？導航、制導與控制的區(qū)別是？《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.什么是導航？2.導航、制導與控制的區(qū)別？3.導航的作用？觀看以下兩種無人機的視頻，猜測其采用的導航方式是？導入新課：123R1無人機發(fā)展歷程及導航方法1．無人機的發(fā)展歷程2．單一導航方法3．組合導航方法課時：2學時教學目標：1.了解無人機導航技術的種類；2.了解組合導航的定義。知識目標：教學目標：1.學會資料收集和小組合作學習的方法。能力目標：素質目標：1.具有嚴謹細致的工作作風；2.有一定的創(chuàng)新思維。R1.1.1萌芽期R1.1無人機發(fā)展歷程sperry空中魚雷號蜂王號瑞安火蜂號Kettering空中魚雷號復仇者一號洛克希德M-21和D-21R1.1.2發(fā)展期R1.1無人機發(fā)展歷程先鋒RQ-2AMQ捕食者無人機RQ-7B幻影200火力偵察（FireScout）無人直升機R1.1.3蓬勃期R1.1無人機發(fā)展歷程觀看以下兩種無人機的視頻，猜測其采用的導航方式是？R1.2單一導航方法R1.2.1慣性導航R1.2單一導航方法R1.2.2衛(wèi)星導航R1.2單一導航方法R1.2.3地形輔助導航R1.2單一導航方法R1.2.4地磁導航R1.2單一導航方法R1.2.5無線電導航R1.3組合導航

組合導航是指把兩種或兩種以上的導航技術以適當?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方法更高的導航性能。lINS/GPS組合導航慣導/地磁組合導航GPS/航跡推算組合導航慣導/地形匹配組合導航回顧與練習無人機發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段？無人機單一導航方式有哪些？大疆精靈4上用到了哪些組合導航方法？《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.無人機經(jīng)歷了哪些發(fā)展歷程？2.無人機常見導航方法有哪些？讓無人機飛往下一個目標點時，需要知道該目標點的哪些具體信息？導入新課：NEXT?123R1導航坐標系1．什么是坐標系？2．導航常用坐標系課時：2學時教學目標：1.掌握笛卡爾直角坐標系的定義。2.掌握球面坐標系的定義。3.掌握無人機導航中常用坐標系的定義和分類。知識目標：教學目標：1.在笛卡爾直角坐標系中，能根據(jù)已知的兩個坐標軸，確定第三個坐標軸的指向。2.給定一架無人機，能確定這架無人機的機體坐標系。3.能夠簡要說出地理坐標系轉換至當?shù)厮阶鴺讼档倪^程。能力目標：素質目標：1.增強數(shù)據(jù)安全保密意識，提高防范能力；2.培養(yǎng)細節(jié)意識。R1.1.1坐標系定義R1.1什么是坐標系？

為了說明質點的位置、運動的快慢、方向等，必須選取坐標系。在參照系中，為確定空間一點的位置，按規(guī)定方法選取的有次序的一組數(shù)據(jù)，就叫做"坐標"。R1.1.2坐標系種類R1.1什么是坐標系？R1.2.1導航常用坐標系R1.2導航常用坐標系無人機導航中常見的坐標系包括：（1）地球中心坐標系（EarthCenteredEarthFixedCoordinateSystem,ECEF）（2）WGS-84大地坐標系（WorldGeodeticCoordinateSystem1984，WGS84）（3）2000國家大地坐標系（ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，CGCS2000）（4）導航坐標系（如North-East-DownCoordinateSystem,NED）（5）機體坐標系（BodyFrame）R1.2.2地理坐標系R1.2導航常用坐標系地理坐標系R1.2.2地理坐標系R1.2常用導航坐標系坐標系WGS84CGCS2000北京54西安80參考橢球WGS_84CGCS2000Krasovsky_1940IAG75橢球極半徑b6356752.3142456356752.3141406356863.01877304736356755.288158橢球赤道半徑a6378137.0000006378137.0000006378245.0000006378140.000000扁率1/298.2572235631/298.2572221011/298.31/298.25722101參考水準面

85黃海56黃海85黃海種類地心坐標系地心坐標系參心坐標系參心坐標系R1.2.3導航坐標系R1.2常用導航坐標系導航坐標系北東地坐標系東北天坐標系R1.2.4機體坐標系R1.2常用導航坐標系機體坐標系回顧與練習1、我們國家的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用的坐標系是？2、無人機導航中用到的坐標系有哪些？3、查找資料，簡要描述下GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用的坐標系。4、簡述六旋翼無人機的機體坐標系。《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.坐標系的種類有哪些？2.常見的地理坐標系有哪些？3.機體坐標系是如何定義的？觀看介紹飛機姿態(tài)儀、航向儀、轉彎側滑儀的視頻，提問飛機上的這些儀表是如何獲得測量數(shù)據(jù)的呢？導入新課：123R1機械轉子陀螺儀1．機械轉子陀螺儀的性質2．機械轉子陀螺儀在航空上的應用課時：2學時教學目標：1.掌握機械轉子陀螺儀的性質；2.了解機械轉子陀螺儀在航空上的應用。知識目標：教學目標：1.會分析機械轉子陀螺儀的定軸性和進動性；2.會利用機械轉子陀螺儀的特性分析航空儀表測量原理。能力目標：素質目標：1.具有嚴謹細致的工作作風；2.有一定的正向和逆向分析思維。R1.1.1穩(wěn)定性R1.1機械轉子陀螺儀的性質

穩(wěn)定性是指陀螺儀保持其自轉軸在空間的方向不發(fā)生變化的特性，包含定軸性和章動兩種形式。R1.1.2進動性R1.1機械轉子陀螺儀的性質

是指當陀螺轉子高速旋轉時，如果施加的外力矩是沿著除自轉軸以外的其它軸向，陀螺儀并不順著外力矩的方向運動，其轉動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。R1.2.1轉彎角速度儀R1.2機械轉子陀螺儀在航空上的應用R1.2.2航向陀螺儀R1.2機械轉子陀螺儀在航空上的應用航向陀螺儀是一種能給出飛機轉彎角度和航向指示的陀螺裝置。它是三自由度均衡陀螺儀，其底座固連在飛機上，轉子軸提供慣性空間的給定方向。若開始時轉子軸水平放置，并指向儀表的零方位，則當飛機繞鉛直軸轉彎時，儀表就相對轉子軸轉動，從而能給出轉彎的角度和航向的指示。由于摩擦及其他干擾，轉子軸會逐漸偏離原始方向，因此每隔一段時間（如15分鐘）須對照精密羅盤作一次人工調整。R1.3小組討論假設以飛行員視角，飛機頭部螺旋槳順時針旋轉：當飛機向左偏航時，在陀螺力矩作用下飛機？，向右偏航時飛機？?；仡櫯c練習1、機械轉子陀螺儀的種類及特性有哪些？2、什么是陀螺儀的穩(wěn)定性和進動性？3、操控一架四旋翼無人機偏航，除了會產(chǎn)生偏航力矩外，還會產(chǎn)生什么力矩？《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.機械轉子陀螺儀的種類及特性？2.機械轉子陀螺儀在航空上有哪些應用？大家拆開Pixhawk飛控，看一下有沒有機械轉子陀螺儀？如果有，在哪？如果沒有，那么我們的多旋翼無人機飛控是如何測量飛機的姿態(tài)呢？導入新課：123R1MEMS陀螺儀1．科氏力的產(chǎn)生2．MEMS陀螺儀的結構組成和工作原理課時：2學時教學目標：1.掌握科氏力大小和方向的判定；2.了解MEMS陀螺儀姿態(tài)測量原理。知識目標：教學目標：1.會分析科氏力的大小和方向；能力目標：素質目標：1.具有嚴謹細致的工作作風；2.有一定的正向和逆向分析思維。R1.1科氏力的產(chǎn)生

科里奧利力(Coriolisforce)也就是常說的科氏力，是對旋轉體系中進行直線運動的質點由于慣性相對于旋轉體系產(chǎn)生的直線運動的偏移的一種描述。R1.2.1什么是MEMSR1.2MEMS陀螺儀MEMS是微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystems）的英文縮寫。MEMS是美國的叫法，在日本被稱為微機械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)，它是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。

MEMS陀螺儀成本低、體積小、重量輕（只有幾克重），且穩(wěn)定性和精度都比機械轉子陀螺儀高，在民用無人機上得到廣泛使用。R1.2.2MEMS陀螺儀工作原理R1.2MEMS陀螺儀

MEMS陀螺儀通常安裝有兩個方向的可移動電容板，徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動，橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的電容變化。這樣，MEMS陀螺儀在驅動下就會不停地來回做徑向運動或震蕩，從而得到不停地在橫向來回變化的科里奧利力，進而在橫向作與驅動力垂直的微小震蕩。這種科里奧利力正比于角速度，所以由電容的變化便可以計算出MEMS陀螺儀的角速度。R1.3小組討論基于科氏力現(xiàn)象，分析討論湘江兩岸受江水沖刷情況。回顧與練習1、什么是科氏力？2、Pixhawk飛控是如何測量角速度的？《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.什么是科氏力？2.MEMS陀螺儀測角速度原理是怎樣的？為啥多旋翼無人機飛控里的陀螺儀需要校準？導入新課：123R1陀螺儀校準方法及故障檢修1．陀螺儀誤差種類2.陀螺儀溫漂特性3．陀螺儀數(shù)據(jù)校準方法4.陀螺儀故障檢修課時：2學時教學目標：1.了解陀螺儀誤差；2.熟悉陀螺儀校準方法。知識目標：教學目標：1.會進行陀螺儀的校準；2.會對陀螺儀進行故障檢修能力目標：素質目標：1.具有嚴謹細致的工作作風；2.有一定的創(chuàng)新思維。R1.1陀螺儀的誤差種類

MEMS慣性器件的誤差一般分成兩類：系統(tǒng)性誤差和隨機誤差。系統(tǒng)性誤差本質就是能找到規(guī)律的誤差，所以可以實時補償?shù)?，主要包括常值偏移、比例因子、軸安裝誤差等。但是隨機誤差一般指噪聲，無法找到合適的關系函數(shù)去描述噪聲，所以很難處理。一般采用時間序列分析法對零點偏移的數(shù)據(jù)進行誤差建模分析，可以用卡爾曼濾波算法減小隨機噪聲的影響。

從物理意義和誤差來源分，也可以把MEMS陀螺儀漂移分為常值漂移、角度隨機游走、速率隨機游走、量化噪聲和速率斜坡等。R1.2陀螺儀溫漂特性

MEMS的陀螺儀的零偏是會受到環(huán)境溫度的影響產(chǎn)生變化的。溫度變化了，解算的姿態(tài)角數(shù)據(jù)有偏差，根本原因是上電校準的零偏數(shù)據(jù)不能再用了。下圖為陀螺儀在靜止狀態(tài)下，溫度變化時，陀螺儀三個軸向的測量數(shù)據(jù)變化趨勢，由圖可以看出，當溫度逐漸上升時，三個軸向的數(shù)據(jù)都向遞增的方向偏移。R1.2陀螺儀溫漂特性

解決方法：

一種是傳感器數(shù)據(jù)保持恒溫輸出；

另外一種就是事先進行溫飄標定。

不過，這種方法也較為麻煩，比如飛控量產(chǎn)時，需要每一個都這么做；其次是時間長了，標定會有偏差。R1.3.1陀螺儀誤差模型R1.3陀螺儀校準

目前大多數(shù)的陀螺校準其實就是去掉零點偏移量，采集一定的數(shù)據(jù)求平均，這個平均值就是零點偏移，后續(xù)飛控所讀的數(shù)據(jù)減去零偏即可。R1.3.2校準方法R1.3陀螺儀校準(1)陀螺儀的誤差校準主要是處理確定性誤差，主要是零偏、比例因子、安裝誤差等，尤其是零偏的處理，會影響到姿態(tài)估計的準確性；(2)去零偏時，最好先讓陀螺儀處于水平靜止狀態(tài)，再進行校準處理；(3)陀螺儀的溫漂也需要進行處理，使其適應各種溫度環(huán)境下的飛行；(4)至于濾波，看具體情況，一般450軸距的飛行器，濾波帶寬設置成30hz即可，普通的一階低通濾波器即可滿足需求。R1.4故障檢修（1）由于無人機槳葉轉速快，且槳葉材質較硬，旋轉的槳葉會給人員造成很大的傷害，因此檢修前一定要將槳葉拆除，千萬不要帶槳操作。（2）檢修前準備好相關的工具盒和材料盒，做好工具三清點工作，拆卸下來的墊片、螺母、槳葉等要擺放好。（3）拆除無人機的動力電池。（4）排故前，確保飛控正確安裝。R1.3.1檢修前的工作R1.4故障檢修（1）Gyrosnothealthy：這是由于陀螺儀數(shù)據(jù)跳動比較厲害，且數(shù)值不在量程范圍內或者沒有數(shù)據(jù)輸出。可能的原因是Pixhawk飛控中的MPU6000芯片存在硬件問題，或者是飛控上電時沒有處于靜止狀態(tài)，從而導致報錯。解決方案如下：

將無人機放平且讓其保持靜止不動，然后重新上電等待一段時間，讓陀螺儀進行自校準。如果飛控狀態(tài)指示燈紅藍交替閃爍幾秒鐘，表示陀螺儀正在進行校準。R1.3.2常見故障類型及檢修方法R1.4故障檢修（2）Gyrocalfailed：這個故障的原因一般是上電時，即在飛控狀態(tài)燈紅藍燈閃爍時，飛控突然掉電所致；另外還有可能是陀螺儀測量的數(shù)據(jù)超過限值。

解決方案是查找飛控掉電原因，并確保飛控供電不受影響，然后將無人機重新放平，并重新上電。R1.3.2常見故障類型及檢修方法R1.4故障檢修（3）Gyrosinconsistent：這是由于飛控上的2個陀螺儀的旋轉角速度相差20度/秒以上導致的，可能的原因是其中一個陀螺儀硬件出現(xiàn)故障，或者是陀螺儀標定不正確。解決方案如下：

將無人機放平，重新上電校準；

如果是硬件出現(xiàn)故障，則需要按照第一步的方法進行排故。R1.3.2常見故障類型及檢修方法R1.3小組討論1.學生分組討論陀螺儀校準注意事項；2.學生進行角色扮演，一名學生提問故障信息及解決方法，另一名學生給出分析及維修建議?；仡櫯c練習1、簡述MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)校準方法?！稛o人機導航與通信技術》課前回顧：1.MEMS陀螺儀校準步驟及注意事項？為啥多旋翼無人機飛控里的加速度計需要校準？導入新課：123R1加速度計校準方法及故障檢修1．加速度計測量原理2.加速度計校準方法3．加速度計故障檢修課時：2學時教學目標：1.了解加速度計測量原理；2.熟悉加速度計校準方法。知識目標：教學目標：1.會進行加速度計校準；2.會對加速度計進行故障檢修能力目標：素質目標：1.具有嚴謹細致的工作作風；2.有一定的創(chuàng)新思維。R1.1加速度計測量原理R1.1加速度計測量原理R1.2加速度計校準

靜態(tài)放置情況下，無論加速度計的位置在哪，所測得的加速度模值始終應該是當?shù)刂亓铀俣?，而實際情況往往不滿足這個條件，所以就需要對加速度計進行校準，校準的目的是為了提高姿態(tài)解算的精度。加速度計一般校準一次即可，不需要每次都上電校準。

加速度計校準方法主要有兩種，一種是依賴于高精度的外部設備，比如用轉臺來進行精確標定，主要校準加速度計安裝誤差、比例系數(shù)和零位偏移，采用的方法是靜態(tài)六位置法標定法。六位置法一般需要借助高精度轉臺進行試驗測試。

另外一種則是重力參考標定（PX4固件加速度計校準算法），飛控會自動運行代碼或離線數(shù)據(jù)采集進行參數(shù)計算。利用MissionPlanner地面站進行加速度計校準R1.2加速度計校準R1.3故障檢修（1）飛控已經(jīng)連接好遙控器接收機，并拆掉螺旋槳和動力電池；（2）檢修前準備好相關的工具盒和材料盒，做好工具三清點工作，拆卸下來的零部件要擺放好；（3）排故前，確保飛控正確安裝，并做好減振措施。R1.3.1檢修前的工作R1.3故障檢修（1）如果故障信息是“Accelsnothealthy”，可能的原因是加速度計硬件出了問題；也有可能是刷了固件之后，馬上啟動飛控，導致報這個錯誤。解決方案如下：查閱芯片資料，檢查加速度計硬件，注意飛控上有兩個加速度計，一個是和陀螺儀集成在一起，另一個是和磁力計集成在一起，檢查的時候需要用示波器和萬用表對兩個加速度計都進行檢查，如果硬件出現(xiàn)問題，需要及時更換芯片，并重新刷固件，重新校準加速度計。如果硬件沒問題，需要重新給飛控上電，并重新連接R1.3.2常見故障類型及檢修方法R1.3故障檢修（2）如果故障信息是“Accelsinconsistent”，這是由于兩個加速度計出現(xiàn)讀數(shù)不一致的現(xiàn)象，差值超過1m/s2?？赡艿脑蚴瞧渲幸粋€加速度計硬件故障，或者是加速度計標定不正確。解決方案如下：按照上一步的方法檢查硬件是否故障，如果沒有故障，則重新上電，并重新進行加速度計校準。R1.3.2常見故障類型及檢修方法R1.3小組討論1.學生分組討論加速度計校準方法及注意事項；2.學生進行角色扮演，一名學生提問故障信息及解決方法，另一名學生給出分析及維修建議。回顧與練習1、簡述MEMS加速度計校準方法?！稛o人機導航與通信技術》課前回顧：1.加速度計測量原理及校準步驟；2.加速度計故障檢修方法。有了加速度計和陀螺儀后，如何用于無人機導航？導入新課：123R1慣導系統(tǒng)工作原理及故障檢修1．慣導系統(tǒng)組成及特點2.平臺式慣導工作原理3．捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)4.慣導系統(tǒng)常見故障檢修步驟課時：2學時教學目標：1.了解慣導系統(tǒng)的基本組成及工作原理；2.熟悉慣導系統(tǒng)排故方法。知識目標：教學目標：1.會對慣導系統(tǒng)常見故障進行檢修。能力目標：素質目標：1.具有嚴謹細致的工作作風；2.有一定的創(chuàng)新思維。R1.1慣導系統(tǒng)組成及特點R1.1慣導系統(tǒng)組成及特點其主要特點如下：（1）自主性，全球、全天候導航；（2）隱蔽性；（3）連續(xù)三維定位、定向；（4）能獲取運動載體完備的運動信息。R1.2平臺式慣導工作原理跟蹤慣性坐標系跟蹤當?shù)厮阶鴺讼礡1.2平臺式慣導工作原理R1.3捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)R1.4故障檢修（1）飛控已經(jīng)連接好遙控器接收機，并拆掉螺旋槳和動力電池；（2）檢修前準備好相關的工具盒和材料盒，做好工具三清點工作，拆卸下來的零部件要擺放好；（3）排故前，確保飛控正確安裝，并做好減振措施。R1.4.1檢修前的工作R1.3故障檢修無人機開機自檢時，顯示“IMU異常”。無人機開機自檢的時候顯示IMU異常，可能的原因是飛行器受到大的震動或者沒有水平放置。此時需要重新校準IMU，步驟如下：（1）檢修前將無人機所有的槳葉都拆卸掉。（2）打開飛機遙控器，把飛機放置在水平的臺面上。（3）進入DJIGOApp，打開“飛控參數(shù)設置”，進到“傳感器”頁面，然后選擇“IMU校準”。校準過程中不能移動飛機，校準時長大約5-10分鐘。R1.3.2常見故障類型及檢修方法R1.3故障檢修無人機開機自檢時顯示“IMU預熱中”這種現(xiàn)象可能的原因是IMU沒有校準好，解決方法如下：（1）將飛機所有槳葉都拆掉。（2）等待飛機冷卻后進行校準，并確保飛機處于水平位置。（3）開機連接，在DJIGOAPP中右上角進入菜單，然后選擇飛行器圖標，點擊傳感器，點擊IMU校準，等待幾分鐘。注意的是這中間不要有任何操作，也不要碰飛行器。R1.3.2常見故障類型及檢修方法R1.3小組討論1.學生分組討論無人機是如何利用加速度計和陀螺儀進行導航的？回顧與練習1、慣性導航系統(tǒng)有哪些分類？2、簡述飛機利用平臺式慣導求得實時位置和速度的方法。3、簡述捷聯(lián)式慣導測量位置和速度的原理。4、捷聯(lián)式慣導相較于平臺式慣導具有哪些優(yōu)點？《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.慣導系統(tǒng)組成及特點；2.平臺式和捷聯(lián)式慣導工作原理。慣性導航系統(tǒng)沒有磁羅盤，那么民用無人機飛控中為啥又有磁羅盤？磁羅盤的具體作用是啥？導入新課：123R1航姿參考系統(tǒng)及磁羅盤工作原理1．什么是航姿參考系統(tǒng)2.磁羅盤工作原理課時：2學時教學目標：1.了解航姿參考系統(tǒng)和慣導系統(tǒng)的區(qū)別；2.熟悉磁羅盤工作原理。知識目標：教學目標：1.會區(qū)別AHRS和IMU。能力目標：素質目標：1.具有艱苦樸素的工作作風和迎難而上的工作信念；2.有一定的創(chuàng)新思維。R1.1什么是航姿參考系統(tǒng)

在沒有高可靠性加速度計和高精度陀螺儀的情況下，消費級無人機飛控普遍采用低成本的微機電系統(tǒng)(MEMS)器件為主構成的航姿參考系統(tǒng)（AttitudeandHeadingReferenceSystem，縮寫為AHRS），如MEMS加速度計、磁力計、陀螺儀等。這些傳感器通常成本低廉、精度較低，所以在這種低精度陀螺儀和加速度計的架構下必須綜合運用地球的重力場、磁場等場向量來進行修正。AHRS能夠為飛行器提供準確可靠的橫滾、俯仰、航向等姿態(tài)與航行信息，一般由加速度傳感器、陀螺儀以及地磁傳感器等組成，內部一般采用多傳感器數(shù)據(jù)融合單元進行航姿解算。R1.1什么是航姿參考系統(tǒng)綜上，AHRS和IMU區(qū)別如下：

（1）采用的傳感器精度和種類不一樣。AHRS一般采用精度低的傳感器，且比IMU多一個磁力計。

（2）AHRS是通過與地球參考得出自身姿態(tài)，而IMU是相較于自身的初始姿態(tài)來進行姿態(tài)測量。

（3）AHRS包含了嵌入式的姿態(tài)數(shù)據(jù)解算單元與航姿信息，IMU僅僅提供傳感器數(shù)據(jù)，并不具有提供準確可靠的姿態(tài)數(shù)據(jù)的功能。由于AHRS中的陀螺儀和加速度計在前面內容有介紹，所以接下來介紹下AHRS用到的磁力計R1.2磁羅盤工作原理

電子羅盤也叫數(shù)字指南針、磁力計，是利用地磁場來確定北極的一種設備。現(xiàn)在一般用磁阻傳感器和磁通門加工而成的電子羅盤。

電子羅盤可由地球的磁場來感測方向，為導航提供方向數(shù)據(jù)。然而，電子設備所受到的磁場干擾，比地球磁場要強，導致電子羅盤容易受到各種環(huán)境因素的干擾。因此，電子羅盤需要經(jīng)過頻繁的校正，才能維持方向數(shù)據(jù)的準確度。

電子羅盤是無人機重要的導航工具，能實時提供運載體的航向和姿態(tài)。要實現(xiàn)電子羅盤功能，需要一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個三軸加速度傳感器。隨著微機械工藝的成熟，芯片廠商推出了將三軸磁力計和三軸加速度計集成在一個封裝里的二合一傳感器模塊LSM303D。比如在開源飛控Pixhawk中就用到了LSM303D芯片。R1.2磁羅盤工作原理

地球的磁場像一個條形磁體一樣由地磁南極指向地磁北極。在磁極點處磁場和當?shù)氐乃矫娲怪保辉诔嗟溃艌龊彤數(shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球，磁場方向傾斜指向地面。R1.2磁羅盤工作原理

在LSM303D中，磁力計采用各向異性磁致電阻材料來檢測空間中磁感應強度的大小。這種具有晶體結構的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強弱變化會導致AMR自身電阻值發(fā)生變化。R1.2磁羅盤工作原理

當有外界磁場時，AMR上主磁域方向就會發(fā)生變化而不再是初始的方向了，那么磁場方向和電流的夾角θ也會發(fā)生變化。對于AMR材料來說，θ角的變化會引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關系。R1.3小組討論1.大家查閱火星的相關地質和大氣資料，然后給出火星無人機可能的導航方案？回顧與練習1、什么是AHRS，其與IMU的區(qū)別是？2、磁力計工作原理是？?！稛o人機導航與通信技術》課前回顧：1.航姿參考系統(tǒng)是什么？2.磁羅盤磁航向角測量原理。為啥裝完飛機或者在新環(huán)境下飛行，都要進行磁羅盤校準？導入新課：123R1磁場干擾及磁羅盤校準方法1．磁場干擾；2.磁羅盤校準方法。課時：2學時教學目標：1.熟悉磁場干擾的類型；2.熟悉磁羅盤校準方法；3.磁羅盤排故知識目標：教學目標：1.會進行磁羅盤校準；2.會排除磁羅盤故障。能力目標：素質目標：1.具有艱苦樸素的工作作風和迎難而上的工作信念；2.有一定的創(chuàng)新思維。R1.1磁場干擾當沒有磁場干擾時，讓磁羅盤在當?shù)厮矫鎯刃D一圈。得到的測量曲線如圖3-56所示，是一個標準的圓。R1.1磁場干擾當羅盤所在的環(huán)境中存在磁偶極子時，便會產(chǎn)生硬磁干擾，如無人機上的電調、電機、導線中的電流和電池等。由于這些磁偶極子都會產(chǎn)生一個附加的磁場(恒定磁場，類似地磁場，可看作是一個向量場)。。R1.1磁場干擾軟磁干擾是由可磁化物質扭曲當?shù)氐拇艌鏊斐傻?。這些物質主要包括鎳、鐵和其他能造成干擾的磁性材料。通過上面的分析，不難發(fā)現(xiàn)，在有軟磁干擾情況下，測量所得的曲線將會是一個橢圓。R1.1磁場干擾硬磁干擾和軟磁干擾同時存在，且需要補償。在這種情況下，本地磁場的測量曲線表現(xiàn)為發(fā)生了一定程度上偏移(相對坐標中心)的橢圓。需要說明的是本地的實際磁場可能會明顯大于地球磁場，所以，羅盤中的磁傳感器需要有足夠的量程進行測量和校準。R1.2磁羅盤校準方法R1.2磁羅盤校準方法板載校準

進度條完后會出數(shù)據(jù)，之后飛控斷電重新連接。注意，出數(shù)據(jù)后不用點擊“接受”按鈕。如果羅盤進度條一直在動，一直不出數(shù)據(jù)的，建議飛控刷最新版本估計，地面站用最新的；同時，GPS要用支架撐起來固定好，飛控的箭頭和GPS的箭頭保持一致。R1.3磁羅盤排故

故障信息為“Compassoffsetstoohigh”：一般都是磁羅盤附近有磁性物體（馬達、螺絲、電池等），或者環(huán)境有比較強的磁場干擾引起的。解決方案如下：（1）使用外置羅盤避開飛控內部各種干擾。（2）確保無人機周圍沒有干擾磁場，比如遠離高壓線、基站以及含有鐵和鎳的金屬物體。（3）重新上電，并重新進行磁羅盤校準。R1.3磁羅盤排故

故障信息為“Compassnothealthy”如果故障信息為“Compassnothealthy”，其含義是羅盤不健康，可能的原因是硬件損壞；或者是環(huán)境溫度低于0攝氏度，導致羅盤傳感器沒有數(shù)據(jù)。解決方案如下：（1）無人機重新上電，重新校準羅盤，如果還是同樣的故障信息，進行下一步。（2）如果無人機所處環(huán)境溫度過低，做好保溫措施，重新上電。（3）在地面站的狀態(tài)窗口，檢查羅盤數(shù)值是否正確（見圖）。R1.3磁羅盤排故

故障信息為“Compassesinconsistent”如果故障信息為“Compassesinconsistent”，其含義是羅盤不一致，原因是內部羅盤和外部羅盤指向不一致（>45度）。通常是外部羅盤方向設置不正確導致。解決方案為在地面站的全部參數(shù)表中，修改compass_orient參數(shù)；或者保持外羅盤方向和飛控方向一致，并重新做校準即可。R1.4小組討論1.不進行磁羅盤校準就飛行，可能帶來的后果是？回顧與練習1、為啥要進行磁羅盤校準？2、磁羅盤校準步驟是？《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.磁場干擾的類型；2.磁羅盤校準方法。民航飛機是怎么進行航線飛行的？導入新課：123R1地基無線電導航發(fā)展歷程及種類1．地基無線電導航發(fā)展的三個階段；2.分類。課時：2學時教學目標：1.熟悉地基無線電導航的種類知識目標：教學目標：1.會根據(jù)不同應用場景選擇合適的無線電導航方式。能力目標：素質目標：1.具有敬仰航空、敬重裝備和敬畏生命的職業(yè)素養(yǎng)。2.具備一定的探知精神。R1.1發(fā)展歷程1.早期階段地基無線電導航發(fā)明于1912年，最早用于航海，引導船舶航行，類似于海上燈塔。20世紀30年代，無線電信標用來提供機場的方位信息。這時期發(fā)展的無線電導航系統(tǒng)主要是方位系統(tǒng)，屬近中程，提供的位置線為大圓弧或恒位線，近距離可當作直線。R1.1發(fā)展歷程1.發(fā)展階段1941年，出現(xiàn)了儀表著陸系統(tǒng)（ILS），即盲降系統(tǒng)，是應用最為廣泛的飛機精密進近和著陸引導系統(tǒng)。其作用是由地面發(fā)射的兩束無線電信號實現(xiàn)航向道和下滑道指引，建立一條由跑道指向空中的虛擬路徑，飛機通過機載接收設備，確定自身與該路徑的相對位置，使飛機沿正確方向飛向跑道并且平穩(wěn)下降高度，最終實現(xiàn)安全著陸。R1.1發(fā)展歷程1.發(fā)展階段1942年，發(fā)明了臺卡（Decca），其采用連續(xù)波信號，頻率為70～129kHz，用于海上近程高精度定位的一種低頻連續(xù)波相位雙曲線定位系統(tǒng)。臺卡導航系統(tǒng)是最早出現(xiàn)的以相位延遲原理進行工作的雙曲線導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的發(fā)射臺以連續(xù)波的形式發(fā)射同一頻率的不同諧波信號，而不是發(fā)射脈沖信號。該系統(tǒng)主要適用于對近海航行的潛艇定位。臺卡導航系統(tǒng)的不足之處在于它僅僅是一個局部導航系統(tǒng)，無法在更大的范圍內使用。1943年美國建成中程系統(tǒng)羅蘭-A;1944年英國建成中近程系統(tǒng)臺卡。在此基礎上,50年代末美國建成遠程系統(tǒng)羅蘭-C。40年代中期德國研制成中遠程方位系統(tǒng)桑尼，并由英國發(fā)展為更完善的康索爾。這些系統(tǒng)作用距離大大增加，可提供較高的定位精度。R1.1發(fā)展歷程1.成熟階段至60年代，發(fā)展了超遠程系統(tǒng)歐米伽（Omega）系統(tǒng)，是超遠程連續(xù)波雙曲線相位差無線電導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用連續(xù)波信號，頻率為10~14（kHz），能穿透水下10m以上，定位精度達2~4（nmile），數(shù)據(jù)更新速率0.1次/分。該系統(tǒng)是在信號傳輸過程中衰減較小，作用距離可達929~1296.4（km）之間，定位準確度為1852~3704（m）。奧米加系統(tǒng)在全世界設置了8個發(fā)射臺，工作區(qū)域可覆蓋全球，能實現(xiàn)全天候、全球性無線電導航定位。奧米加系統(tǒng)經(jīng)過20多年的建設，其最后一個發(fā)射臺于1983年正式投入使用。這一時期，近程高精度定位系統(tǒng)也得到進一步發(fā)展。近年來，還發(fā)展了近程甚高頻無線電測向系統(tǒng)，與雷達配合使用，可在與對方用甚高頻無線電話通信時，測定其方位。R1.2種類及指標（1）分類按有效作用距離分：近程、中程、遠程、超遠程系統(tǒng);按所測電信號參量分：振幅、頻率、相位、脈沖、混合系統(tǒng);按所測幾何參量分：測角、測距、測距差、測高系統(tǒng);按工作方式分：有源、無源系統(tǒng)；按機載設備實現(xiàn)的系統(tǒng)功能分：自備式、他備式；按飛機的飛行區(qū)域分：航路、終端區(qū)。R1.2種類及指標（2）地基無線電導航的技術指標導航精度：即定位誤差，用概率統(tǒng)計方法描述;覆蓋范圍：與規(guī)定的定位精度相對應;系統(tǒng)容量：可同時提供定位服務的用戶數(shù)量;信息更新率：單位時間內可為用戶提供定位服務的次數(shù);其它指標：連續(xù)性、可用性、可靠性、完好性等。R1.4小組討論1.如果固定翼無人機使用地基無線電導航方法的話，我們應該著重留意哪些導航參數(shù)？回顧與練習1、地基無線電導航的種類有哪些？2、民航飛機一般用到哪些地基無線電導航方式？《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.地基無線電導航發(fā)展歷程；2.地基無線電導航分類及技術指標。塞斯納飛機在空中是如何使用自動定向機定向的？導入新課：123R1地基無線電導航發(fā)展歷程及種類1．系統(tǒng)組成和主要功能；2.ADF測角原理。課時：2學時教學目標：1.熟悉自動定向機測向原理；知識目標：教學目標：1.會識讀ADF指示儀。能力目標：素質目標：1.具有敬仰航空、敬重裝備和敬畏生命的職業(yè)素養(yǎng)。2.具備一定的探知精神。R1.1系統(tǒng)組成和主要功能機載自動定向機系統(tǒng)通過接受地面導航臺的無線電信號，可以實現(xiàn)的的主要功用有：（1）測量飛機縱軸方向(航向)到地面導航臺的相對方位角，并顯示在方位指示器上。（2）對飛機進行定位。（3）利用自動定向機判斷飛機飛越導航臺的時間。R1.1系統(tǒng)組成和主要功能1.地面設備NDB發(fā)射天線NDB航圖標識雙歸航臺R1.1系統(tǒng)組成和主要功能2.機載自動定向機系統(tǒng)機載自動定向機系統(tǒng)主要包括自動定向接收機、接收天線、方位指示器。R1.1系統(tǒng)組成和主要功能2.機載自動定向機系統(tǒng)(1)ADF指示器R1.2ADF測角原理1）環(huán)形天線的方向性由于地面NDB導航臺向四面八方發(fā)射相同的信號，而ADF要能夠識別無線電信號的來向，因此要采用方向性天線。R1.2ADF測角原理另外，為了確定最小值方向，一般還需增加一環(huán)形天線，這樣就需兩個環(huán)形天線和一根垂直天線，且兩環(huán)形天線分別與飛機的縱軸平行和垂直放置，這樣感應的電動勢相位相差90°。將這兩個感應電動勢分別加在測角器的固定繞組上，測角器的轉子將在合成磁場的作用下轉動，從而指示出導航臺的相對方位，這樣做的好處是不再需要轉動機構就可判斷信標臺的方向。R1.4小組討論1.給定ADF儀表，如何確定地面導航臺的方位？回顧與練習1、簡述自動定向機系統(tǒng)的組成及工作原理。2、說明環(huán)形天線的工作原理。3、下圖為ADF指示器，請讀出相對方位角的大小。如果已知飛機的磁航向為30度，則導航臺的磁方位角為多少？《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.ADF測角原理；2.ADF儀表識讀方法。能否直接確定導航臺所在位置磁北為基準的飛機磁方位？（對比ADF）導入新課：123R1地基無線電導航發(fā)展歷程及種類1．VOR導航相關角度；2.甚高頻全向信標系統(tǒng)結構組成；3.VOR測角原理課時：2學時教學目標：1.了解甚高頻全向信標系統(tǒng)結構組成；2.熟悉VOR導航相關角度的定義；3.了解VOR測角原理。知識目標：教學目標：1.會繪制VOR導航相關角度；2.會認讀VOR航圖標識。能力目標：素質目標：1.具有敬仰航空、敬重裝備和敬畏生命的職業(yè)素養(yǎng)。2.具備一定的探知精神。R1.1VOR導航相關角度VOR導航系統(tǒng)的功能之一是測量飛機的VOR方位角，而VOR方位角在無線電磁指示器(RMI)上的指示又是通過磁航向加相對方位指示的。因此，了解這些角度的定義和相互關系，有助于理解VOR機載設備的工作原理。lVOR方位角與飛機磁航向無關，只與飛機相對VOR臺地理位置有關；l飛機磁方位和VOR方位角相差180o；lVOR方位角等于磁航向與相對方位角的和。R1.2甚高頻全向信標系統(tǒng)結構組成1.地面導航臺R1.2甚高頻全向信標系統(tǒng)結構組成2.機載設備R1.2甚高頻全向信標系統(tǒng)結構組成2.機載設備RMI指示器HIS指示器R1.3VOR測角原理VOR導航臺會發(fā)射兩個對30Hz信號進行調制后的射頻信號。這兩個30Hz信號分別稱為基準相位信號和可變相位信號?；鶞氏辔恍盘栂喈斢谌轿还饩€，其相位在VOR臺周圍的各個方位上相同；可變相位信號相當于旋轉光束，其相位隨VOR臺的徑向方位而變.R1.4小組比拼1.根據(jù)VOR導航相關角度定義，繪制對應的角度?；仡櫯c練習1、VOR相關的導航角度有哪些？2、簡要說明一下VOR測角原理?！稛o人機導航與通信技術》課前回顧：1.VOR導航相關角度；2.甚高頻全向信標系統(tǒng)結構組成；3.VOR測角原理。如何根據(jù)VOR指示儀確定飛機的位置？導入新課：123R1地基無線電導航發(fā)展歷程及種類1．VOR的功能；2.如何利用VOR指示儀進行定位。課時：2學時教學目標：1.熟悉VOR的功能；2.熟悉VOR指示儀的識讀。知識目標：教學目標：1.會根據(jù)VOR指示儀的指示繪制導航臺和飛機之間的位置關系。能力目標：素質目標：1.具有敬仰航空、敬重裝備和敬畏生命的職業(yè)素養(yǎng)。2.具備一定的探知精神。R1.1VOR的功能（1）定位R1.1VOR的功能（2）沿選定的航路導航R1.2VOR導航實現(xiàn)無人機的定位現(xiàn)有一大型無人機在張家界三官寺機場附近飛行，無人機附近有兩個VOR導航臺，現(xiàn)要求僅用VOR導航實現(xiàn)無人機的定位。R1.3小組比拼1.分小組進行“看VOR指示儀確定飛機相對導航臺位置信息”比賽?；仡櫯c練習下圖是黃花國際機場標號為ZGHA-7E的航路圖，看懂圖并回答下列問題：（1）在下圖中畫出飛機的磁航向角。（2）將飛機上VOR設備的頻率調至114.05MHz，調整駕駛艙里VOR儀表的OBS按鈕，使指針指向240度，試在下圖中繪制出向臺和背臺區(qū)域，并說明飛機當前處于哪個區(qū)域？《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.VOR的功能；2.VOR指示儀的識讀；3.如何根據(jù)航圖設置VOR指示儀。如何確定無人機離地面的高度以及到導航臺的距離？導入新課：123R1無線電高度表和測距系統(tǒng)1．無線電高度表；2.測距機。課時：2學時教學目標：1.了解無線電高度表工作原理；2.了解DME測距原理。知識目標：教學目標：1.會識讀高度指示器；2.會根據(jù)DME測距機指示進行無人機定位。能力目標：素質目標：1.具有敬仰航空、敬重裝備和敬畏生命的職業(yè)素養(yǎng)。2.具備一定的探知精神。R1.1無線電高度表（1）組成和基本工作原理R1.1無線電高度表（2）無線電高度表的種類1.普通調頻連續(xù)波無線電高度表R1.1無線電高度表（2）無線電高度表的種類2.等差頻調頻連續(xù)波無線電高度表R1.1無線電高度表（2）無線電高度表的種類3.脈沖無線電高度表

脈沖式無線電高度表是通過測量脈沖信號往返飛機和地面的傳播時間來測定高度的。其測高原理與普通的測距雷達基本相同，因此也稱為雷達高度表。脈沖無線電高度表的高度測量范圍取決于發(fā)射脈沖的重復周期，最小可測高度決定于脈沖寬度，而測高精度是由對脈沖前沿的測量精度及設備噪聲決定的。R1.1無線電高度表（3）高度指示器R1.2測距機一、功用和組成R1.2測距機二、工作原理R1.2測距機三、任務實施任務詳情：設一架大型無人機從張家界三官寺機場起飛，往機場東北方向30公里處執(zhí)行航測任務，現(xiàn)要求僅依靠DME設備了解無人機的實時位置。R1.3小組比拼1.給定航圖，分小組進行DME測距無人機定位比賽?；仡櫯c練習1、一般什么情況下會用到無線電高度表？2、簡述無線電高度表測高原理。3、DME有什么作用？4、簡述DME的測距原理。5、已知VOR導航臺測得的飛機磁方位角為60度，且和VOR導航臺同在一個位置的DME測得的飛機距離導航臺為90nmile，試在下圖中畫出飛機的位置。《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.無線電高度表的種類；2.DME是啥；3.無線電高度表和DME的區(qū)別。從汽車導航以及無人機物流等應用，引出衛(wèi)星導航的種類及發(fā)展。導入新課：123R1衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展和種類1．第一代全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)；2.全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)。課時：2學時教學目標：1.了解衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展歷程；2.了解衛(wèi)星導航系統(tǒng)的種類。知識目標：教學目標：1.能說出世界上主要的衛(wèi)星導航系統(tǒng)種類以及區(qū)別。能力目標：素質目標：1.具有敬仰航空、敬重裝備和敬畏生命的職業(yè)素養(yǎng)。2.具備一定的探知精神。R1.1第一代全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)

第一代全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，又名美國海軍衛(wèi)星導航系統(tǒng)（NavyNavigationSatelliteSystem,簡稱NNSS）,由于系統(tǒng)里的衛(wèi)星運行在與赤道夾角為90度的極軌道上，也即沿著地球的子午線繞地球旋轉，故也稱為子午（Transit）衛(wèi)星導航系統(tǒng)。R1.1第一代全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)

采用多普勒測量方法，就可以測定接收機在不同時間至同一衛(wèi)星的距離差，再結合衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，就可以采用雙曲面定位法來求解載體的位置。R1.1第一代全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)

由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量較少，無法實現(xiàn)對全球的連續(xù)覆蓋，且衛(wèi)星運行高度較低，每隔1～2小時才有一顆衛(wèi)星飛過地面觀測站，意味著不能同時接受到多顆衛(wèi)星信號；這樣一臺接收機需要通過觀測一次完整的衛(wèi)星通過數(shù)據(jù)，才能獲取良好的定位幾何條件，定位時間長，也無法提供快速連續(xù)實時三維導航定位；而且不同衛(wèi)星信號頻率相同，導致有時需要關閉部分衛(wèi)星避免干擾；另外該系統(tǒng)受地球重力場和大氣阻力影響大，且需要進行多普勒積分，導致定位精度低，只能用于低動態(tài)、低精度定位，難以滿足飛機、導彈等高動態(tài)導航定位要求。R1.2全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)1、美國的全球定位系統(tǒng)GPS基本功能為定位、測速、授時，是由空間部分、控制部分和用戶部分組成。R1.2全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)1、美國的全球定位系統(tǒng)1)空間部分空間部分即為GPS衛(wèi)星星座，是由24顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星高度約為20200km，分布在傾角為的6個軌道平面內，運行周期約為11小時58分。R1.2全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)1、美國的全球定位系統(tǒng)2)地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分包括1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站.R1.2全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)1、美國的全球定位系統(tǒng)3)用戶部分用戶部分即為GPS接收機，其功能為接收衛(wèi)星星歷、測定從接收機至GPS衛(wèi)星的距離，并利用上述信息確定自身的三維位置、三維運動速度和鐘差等參數(shù)。R1.2全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)2、俄羅斯格洛納斯導航系統(tǒng)GLONASS（GlobalNavigationSatelliteSystem）是俄羅斯的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)。GLONASS系統(tǒng)提供軍用和民用兩種服務。GLONASS由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測控制站和用戶設備三部分組成。主要服務內容包括確定陸地、海上及空中目標的坐標及運動速度信息等。GLONASS技術，可為全球海陸空以及近地空間的各種軍、民用戶全天候、連續(xù)地提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息。該系統(tǒng)衛(wèi)星星座標準配置由24顆衛(wèi)星組成，其中工作衛(wèi)星21顆，備份衛(wèi)星3顆，衛(wèi)星高度為19100km，分布在傾角為64.8°的3個軌道平面內，這三個軌道平面兩兩相隔120度，同平面內的衛(wèi)星之間相隔45度，衛(wèi)星的運行周期約為11小時15分。R1.2全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)3、歐洲伽利略系統(tǒng)歐洲伽利略系統(tǒng)（GALILEO）是歐洲計劃建設的新一代民用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，系統(tǒng)構成主要由空間段，環(huán)境段，地面段，用戶段4部分組成?？臻g段為30顆衛(wèi)星構成的星座。星座中的27顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3顆為候補衛(wèi)星，衛(wèi)星運行高度為24126km，位于3個傾角為56°的軌道平面內；地面段由2個地面控制中心組成。GALILEO是世界上第一個專門為民用目的設計的全球性衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，與現(xiàn)在普遍使用的GPS相比，它將更先進、更加有效、更為可靠。它的總體思路具有四大特點：自成獨立體系；能與其它的GNSS系統(tǒng)兼容互動；具備先進性和競爭能力；公開進行國際合作。Galileo提供五種服務：公開服務（OS），與GPS的SPS相類似，免費提供；生命安全服務（SoLS）；商業(yè)服務（CS）；公共特許服務（PRS）；以及搜救（SAR）服務。R1.2全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)4、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)第一階段是從1994年至2003年，建成北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)，簡稱北斗一號，目標是具備區(qū)域有源服務能力。R1.2全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)4、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)第二階段是從2004年至2012年，建成北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)，簡稱北斗二號，最終形成區(qū)域無源服務能力。這一階段的發(fā)展目標是構成一個具有連續(xù)實時無源三維定位測速能力的區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)，為我國及亞太地區(qū)用戶提供無線電導航衛(wèi)星服務。首顆衛(wèi)星于2007年發(fā)射，2012年年底完成了5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO（傾斜地球同步軌道）衛(wèi)星和4顆MEO（中軌道）衛(wèi)星的組網(wǎng)服務。R1.2全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)4、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)第三階段是從2013年至2020年，建成北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，簡稱北斗三號，最終形成全球無源服務能力。北斗三號由空間段、運控段和用戶段組成?？臻g段由30顆衛(wèi)星組成，其中包括3顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和24顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星，這樣的三種軌道混合星座布局抗遮擋能力更強，能實現(xiàn)全球覆蓋、全球服務；運控段包括主控站、注入站和監(jiān)測站；用戶段包括北斗終端、與其他導航系統(tǒng)兼容的終端以及相關的應用服務系統(tǒng)。R1.2全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)5、日本準天頂衛(wèi)星導航系統(tǒng)日本準天頂衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Quasi-ZenithSatelliteSystem，簡稱QZSS）是一個兼具導航定位、移動通信和廣播功能的衛(wèi)星系統(tǒng)，旨在為日本上空運行的美國GPS衛(wèi)星提供“輔助增強”功能。R1.2全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)7、印度區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)（IndianRegionalNavigationSatelliteSystem，簡稱IRNSS）是一個由印度空間研究組織（ISRO）發(fā)展、運營和管理的自由區(qū)域型衛(wèi)星導航系統(tǒng)。印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)將提供兩種服務，包括民用的標準定位服務，及供特定授權使用者（軍用）的限制型服務。R1.3小組比拼學生每六人一組，每小組選出一個組長，負責討論環(huán)節(jié)的組織、記錄和總結。1）分小組討論“世界上主要的衛(wèi)星導航系統(tǒng)有哪些？”以及“衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基本組成是怎樣的”。小組討論后，選派一名代表總結陳述討論結果。2）分小組討論GPS和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的區(qū)別，分別從衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星軌道、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)功能、定位精度等方面進行比較，最后上臺總結陳述。回顧與練習1、北斗三號衛(wèi)星星座和GPS衛(wèi)星星座有什么不一樣的地方？2、北斗三號由什么組成？3、簡述GPS的組成。《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.全球衛(wèi)星導航的種類有哪些？2.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在？為啥衛(wèi)星導航需要至少4顆衛(wèi)星？導入新課：123R1GPS絕對定位1．GPS衛(wèi)星信號結構；2.碼偽距測量和載波相位測量方法；3.GPS絕對定位幾何原理課時：2學時教學目標：1.了解GPS衛(wèi)星信號結構；2.了解碼偽距測量和載波相位測量方法；3.掌握GPS絕對定位幾何原理。知識目標：教學目標：1.使用衛(wèi)星導航時，飛行前能合理地放置無人機。能力目標：素質目標：1.具有吃苦耐勞的工作作風和愛崗敬業(yè)的職業(yè)精神。2.具備一定的愛國素養(yǎng)。R1.1GPS衛(wèi)星信號結構

GPS衛(wèi)星信號主要包含用于導航定位的衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)調制后再廣播給用戶。衛(wèi)星上有日穩(wěn)定度約為的銫原子鐘，產(chǎn)生10.23MHz的基準頻率。衛(wèi)星載波信號工作在L波段，載波信號頻率有四個，分別是L1、L2、L3、L5，載波信號上調制有測距碼和導航電文。R1.1GPS衛(wèi)星信號結構

1.載波R1.1GPS衛(wèi)星信號結構2.測距碼測距碼的作用是測量衛(wèi)星至接收機距離，其實質為偽隨機噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise），既具有隨機噪聲的特性，又可以精確定義（實際上隱含有時間信息）。不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)），對齊的同一組碼間的相關系數(shù)為1。測距碼有兩種，分別是C/A碼和P碼。R1.1GPS衛(wèi)星信號結構3.導航電文導航電文是衛(wèi)星以二進制碼的形式發(fā)送給用戶的導航定位數(shù)據(jù)，其內容主要有：衛(wèi)星星歷、系統(tǒng)時間及衛(wèi)星鐘校正參數(shù)；軌道攝動改正；衛(wèi)星狀態(tài)信息；測距時間標記；電離層延遲改正參數(shù)；其他與導航有關的信息。R1.2距離測量1、碼偽距測量R1.2距離測量2、載波相位測量R1.3GPS絕對定位絕對定位也叫單點定位，是單獨利用一臺GPS接收機的觀測值確定接收機在地球坐標系中絕對位置的方法。其定位結果是與所用星歷同屬一坐標系的絕對坐標。絕對定位實質是根據(jù)測距交會的原理，利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置交會出地面未知點（用戶接收機）在WGS-84坐標系中的位置。R1.3GPS絕對定位絕對定位幾何原理：R1.3GPS絕對定位碼偽距單點定位：碼偽距單點定位即采用偽隨機碼來測量時延，進而得到偽距的方法來獲得接收機的絕對位置。該方法將偽距作為觀測量，根據(jù)前面的知識，偽距計算如下：

R1.3小組比拼學生每六人一組，每小組選出一個組長，負責討論環(huán)節(jié)的組織、記錄和總結。1）分小組查詢GPS絕對定位的分類，并討論這么分類的原因。最后上臺總結陳述。回顧與練習1、衛(wèi)星導航為啥需要至少4顆衛(wèi)星定位？2、簡要描述碼偽距測量原理。3、GPS絕對定位工作原理?！稛o人機導航與通信技術》課前回顧：1.碼偽距測量和載波相位測量方法。2.GPS絕對定位幾何原理。解鎖或者控制基于Pixhawk飛控的無人機時，無人機無法解鎖或者無法執(zhí)行相關命令。如何解決？導入新課：123R1GPS故障分析及排除1．GPS單點定位精度；2.GPS故障分析及排除。課時：2學時教學目標：1.熟悉單點定位精度的含義；2.熟悉地面站HUD窗口和GPS相關的告警信息含義及對應的排故方法；3.熟悉飛行日志GPS主要信息含義。知識目標：教學目標：1.會對GPS常見故障進行分析和排除。能力目標：素質目標：1.具有吃苦耐勞的工作作風和愛崗敬業(yè)的職業(yè)精神。2.具備三敬零無素養(yǎng)。R1.1GPS單點定位精度

單點定位精度和用戶等效距離誤差與精度衰減因子有關，用戶等效距離誤差是將單點定位時可能發(fā)生的所有誤差歸化到站星距離上所得的結果。精度衰減因子是位置質量的指示器，它通過考慮每顆衛(wèi)星相對于星座中其它衛(wèi)星的位置，來預計用該星座能得到的位置精度。DOP值的大小和所觀測衛(wèi)星的數(shù)量與分布有關，表征可見衛(wèi)星在空間幾何分布的好壞，對測距誤差起著放大作用。DOP值越小，準確程度越高，定位的幾何條件越好。R1.1GPS單點定位精度

單點定位精度與用戶等效距離誤差和精度衰減因子滿足如下關系：上式表明GPS絕對定位精度主要取決于衛(wèi)星分布的幾何條件和觀測量的精度。意味著當衛(wèi)星分布相同時，用戶等效距離誤差越小，定位精度越高；R1.1GPS單點定位精度

當用戶等效距離誤差相同時，衛(wèi)星分布越好（數(shù)量多且分布均勻），定位精度越高。R1.2GPS故障分析及排除1、基于地面站HUD窗口告警信息的排故地面站HUD窗口顯示的GPS常見故障信息有“GPSGlitch”、“Need3DFix”、“BadVelocity”、“HighGPSHDOP”等。（1）GPSGlitch“GPSGlitch”的含義是GPS出現(xiàn)故障?？赡艿脑蚴荊PS損壞。解決方法是更換好的GPS模塊。R1.2GPS故障分析及排除1、基于地面站HUD窗口告警信息的排故（2）Need3DFix“Need3DFix”的含義是需要3D鎖定，GPS沒有定位，如果設置電子圍欄或是在懸停模式解鎖，一定要進行成功定位后才能解鎖。該故障信息可能的原因是沒有GPS信號或者沒有檢查到GPS硬件。解決方法為：檢查無人機是否安裝了GPS，如果沒有安裝GPS，就不能切換到需要GPS導航信息的飛行模式，如返航模式、定點模式、自動模式。如果安裝了GPS，就不能在室內飛行；在室外飛行要檢查GPS連接線是否斷開，或者連接線是否正確接到飛控上。如果正確安裝了GPS，在室外飛行時，要將無人機放在室外無遮擋的地方，并等待GPS被3DFix定位。R1.2GPS故障分析及排除1、基于地面站HUD窗口告警信息的排故（3）BadVelocity“BadVelocity”的含義是速度數(shù)據(jù)無效，是速度解算有問題，這與GPS是相關的，因為水平速度很大程度上都取決于GPS數(shù)據(jù)?！癇adVelocity”一般表現(xiàn)為GPS飄逸速度過快，高于50cm/s。該告警信息可能的原因是移動速度過快，或者GPS刷新率低于5HZ。解決方法是等待鎖定更多數(shù)量的GPS衛(wèi)星，可以通過地面站查看鎖定的衛(wèi)星數(shù)量和HDOP數(shù)據(jù)來進行評估，一般HDOP小于1.5表明衛(wèi)星數(shù)量能夠滿足要求。R1.2GPS故障分析及排除1、基于地面站HUD窗口告警信息的排故（4）HighGPSHDOP“HighGPSHDOP”的含義是GPS水平定位精度因子過高，一般是衛(wèi)星數(shù)量不夠導致的，HDOP的精度沒達標不能解鎖。解決方法是將無人機放在室外無遮擋、無干擾的地方，并保證GPS沒有被遮擋，然后等待搜星，當鎖定更多的衛(wèi)星后，HDOP數(shù)據(jù)就會下降。R1.2GPS故障分析及排除2.基于飛行日志的故障分析飛行日志保存了無人機上電后各項飛行數(shù)據(jù)，能記錄無人機在飛行過程中的各種狀態(tài)，其中就包括GPS相關信息。當無人機出現(xiàn)故障后，維護人員可以通過回放飛行日志，來分析可能的故障原因，并據(jù)此制定排故方案。飛行日志里存儲的GPS信息主要有：名稱含義Status0=沒有識別到GPS,1=識別到GPS但未定位,2=GPS和2D定位成功,3=GPS與3D定位成功NSats當前使用的衛(wèi)星數(shù)量HDop水平定位精度因子（<1.5是好的，>2.0不是很好）LatGPS緯度LngGPS經(jīng)度AltGPS報告的高度VZ垂直速度Spd水平地面速度GCrs航向U布爾值，表明是否在使用GPSR1.2GPS故障分析及排除2.基于飛行日志的故障分析（1）在自動模式下（AUTO\LOITER\RTL），GPS異常會導致無人機突然飛向一個錯誤的位置或者來回飄逸。GPS異常一般包括：丟星或者衛(wèi)星數(shù)量突然減少。在飛行日志中，可以很直觀的看見衛(wèi)星數(shù)量NSats的減少和HDOP值的變大.R1.2GPS故障分析及排除2.基于飛行日志的故障分析通過飛行日志還可以查看GPS錯誤信息和故障保護信息。在飛控中，GPS子系統(tǒng)代碼為11，GPS故障保護子系統(tǒng)代碼為7，可通過查看飛行日志中ERR條目下的Subsys確定是哪個子系統(tǒng)出現(xiàn)問題。下圖繪制的是Subsys曲線圖，圖中直線對應的值為11，據(jù)此就可以確定這段時間內只有GPS出現(xiàn)錯誤信息了。R1.2GPS故障分析及排除2.基于飛行日志的故障分析確定好子系統(tǒng)后，就可以進一步查看詳細信息，每個子系統(tǒng)都有對應的錯誤代碼。子系統(tǒng)GPS的錯誤代碼有兩個，分別是ECode2和ECode0，ECode2表示GPS故障，ECode0表示GPS故障解除。下圖紅框中就顯示了GPS錯誤代碼，從圖中可以看出，先后三個時間點出現(xiàn)了GPS故障，不過故障很快就消除了。R1.3小組比拼學生每六人一組，每小組選出一個組長，負責討論環(huán)節(jié)的組織、記錄和總結。1）給定無人機故障現(xiàn)象描述和對應的飛行日志，分小組分析故障并給出排故方法?；仡櫯c練習1、測站接收機產(chǎn)生一個與衛(wèi)星偽隨機碼結構和初相都相同的基準信號，當接收機接收到衛(wèi)星發(fā)射的C/A碼信號后，將基準信號時延τ與接收信號對齊，該時延即為衛(wèi)星信號傳播的時間。然而在實際計算中，進行兩信號比對的長度為1ms（1023個碼元），在極端情況下，基準信號延遲1ms（CA碼周期）即可保證信號對齊，此時τ≤1ms，這時算出的衛(wèi)星至接收機的距離不會超過300km，而GPS衛(wèi)星高度一般為20000km，說明我們的時延計算有誤，那錯哪兒了呢？2、若偽距測量均方差為±4m，PDOP=5,VDOP=4,HDOP=3,則偽距單點定位三維空間定位精度、高程方向定位精度、水平方向定位精度各位多少？3、絕對定位可分細分為哪些類型？《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.GPS單點定位精度。2.GPS故障分析及排除。如何提高GPS定位的精度？導入新課：123R1靜態(tài)相對定位1．結構形式；2.種類。課時：2學時教學目標：1.熟悉靜態(tài)相對定位的結構形式；2.熟悉靜態(tài)相對定位消除的誤差種類。知識目標：教學目標：1.會描述靜態(tài)相對定位的過程和優(yōu)點。能力目標：素質目標：1.具有吃苦耐勞的工作作風和愛崗敬業(yè)的職業(yè)精神。2.具備三敬零無素養(yǎng)。R1.1基本概念

靜態(tài)相對定位是指用兩臺接收機分別安置在基線的兩個端點，其位置靜止不動，同步觀測4顆以上相同的衛(wèi)星，解算基線向量，從而確定兩個端點在協(xié)議地球坐標系中的相對位置的方法。

靜態(tài)相對定位一般采用測相偽距觀測值作為基本觀測量。為了可靠地確定載波相位的整周未知數(shù)，一般需要1～3h的觀測時間，對于中等長度的基線（100～500km），其精度可達量級，是當前GPS定位中精度最高的一種方法。

在測相偽距觀測中，首要問題是如何快速而精確的確定整周未知數(shù)。在確定好整周未知數(shù)后，隨著觀測時間的加長，相對定位的精度不會顯著提高。因此提高定位效率的關鍵在于快速而可靠地確定整周未知數(shù)。

由于當距離不太遠的兩個測站同步觀測相同衛(wèi)星時，GPS的各種觀測誤差具有較強的相關性，所以一種簡單而有效的消除或減弱誤差的方法是將GPS的各種觀測量進行不同的線性組合，然后作為相對定位的相關觀測量。R1.2基本觀測量及其線性組合1、單差觀測方程單差即在不同觀測站，同步觀測相同衛(wèi)星所得觀測量之差。消除衛(wèi)星鐘差的影響R1.2基本觀測量及其線性組合2、雙差觀測方程雙差即在不同觀測站，同步觀測同一組衛(wèi)星，所得單差之差。雙差模型消除了接收機鐘差的影響。R1.2基本觀測量及其線性組合1、三差觀測方程三差是在不同歷元，同步觀測同一組衛(wèi)星，在雙差的基礎上進一步做差。三差模型消除了整周未知數(shù)的影響，但使觀測方程的數(shù)量進一步減少，這會對未知參數(shù)的解算可能產(chǎn)生不利影響。在實際定位中，一般采用雙差模型加平差模型來求解未知參數(shù)。R1.3小組比拼學生每六人一組，每小組選出一個組長，負責討論環(huán)節(jié)的組織、記錄和總結。1）現(xiàn)場查閱資料，分享靜態(tài)相對定位在無人機應用上的案例?；仡櫯c練習1、什么是靜態(tài)相對定位？2、靜態(tài)相對定位有哪些種類？其分別能消除哪些誤差？《無人機導航與通信技術》課前回顧：1.什么是靜態(tài)相對定位？2.靜態(tài)相對定位能消除哪些誤差？3.什么是單基站差分？4.什么是局域差分和廣域差分？對于運動的無人機來說，如何提高其衛(wèi)星導航的定位精度？導入新課：123R1動態(tài)相對定位1．動態(tài)相對定位種類；2.網(wǎng)絡RTK設置方法。課時：2學時教學目標：1.熟悉動態(tài)相對定位的基本概念；2.熟悉單基站差分的結構形式；3.了解局域差分、廣域差分；4.熟悉網(wǎng)絡RTK的基本設置方法。知識目標：教學目標：1.會設置網(wǎng)絡RTK。2.會根據(jù)無人機不同應用場景選擇合適的動態(tài)相對定位方法。能力目標：素質目標：1.具有吃苦耐勞的工作作風和愛崗敬業(yè)的職業(yè)精神。2.具備三敬零無素養(yǎng)。R1.1動態(tài)相對定位種類動態(tài)相對定位是指將一臺接收機安置在基準站上固定不動，基準站在協(xié)議地球坐標系中的坐標已知；另一臺接收機安置在運動載體上，兩臺接收機同步觀測相同衛(wèi)星，以確定載體相對基準站的瞬時位置。R1.1動態(tài)相對定位種類

動態(tài)相對定位過程中存在三類誤差。第一類是每一個用戶接收機公有的，包括衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差等；第二類是不能由用戶測量或由校正模型計算的傳播延遲誤差，包括電離層誤差、對流層誤差；第三類是各用戶接收機固有誤差，包括內部噪聲、通道延遲、多路徑效應等。動態(tài)相對定位可以完全消除第一類誤差，第二類可以大部分消除，主要取決于基準接收機和用戶接收機的距離，第三來誤差則無法消除。動態(tài)相對定位根據(jù)采用的觀測量不同，分為以測碼偽距為觀測量和以測相偽距為觀測量的動態(tài)相對定位。R1.1