無(wú)人機(jī)工作系統(tǒng)技術(shù)課件：無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)學(xué)習(xí)任務(wù)一

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的認(rèn)知掌握慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理。掌握慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分類、組成、工作原理。了解慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)知識(shí)目標(biāo)無(wú)人機(jī)發(fā)展早期，受電子信息工業(yè)的制約，無(wú)人機(jī)導(dǎo)航主要依賴地面雷達(dá)的無(wú)線電導(dǎo)航方式。1960年以后，隨著陀螺儀、高度計(jì)、氣壓計(jì)等設(shè)備的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)開始使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，從而形成能夠獨(dú)立工作、遠(yuǎn)程飛行的導(dǎo)航能力。但是，慣性導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)的誤差會(huì)不斷積累放大，對(duì)于長(zhǎng)航時(shí)遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)而言，在配置慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的同時(shí)還需要配置額外的定位系統(tǒng)，以便于及時(shí)的對(duì)慣性系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正。此時(shí)，一般還是需要采用雷達(dá)照射方式對(duì)慣性系統(tǒng)進(jìn)行修正。2000年以后，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的構(gòu)建完成使得無(wú)人機(jī)擁有了更加自由的飛行能力。原先慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由主要導(dǎo)航系統(tǒng)地位演變成只提供飛行姿態(tài)的傳感器系統(tǒng)，導(dǎo)航定位功能完全由衛(wèi)星定位系統(tǒng)替代。不過(guò)，在衛(wèi)星定位系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，或者通信信號(hào)不佳的情況下，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)仍然能夠擔(dān)負(fù)起導(dǎo)航的任務(wù)。任務(wù)描述知識(shí)點(diǎn)1：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（InertialNavigationSystem，簡(jiǎn)寫為INS）是一種不依賴于外部信息，只通過(guò)載體內(nèi)的傳感器組合（主要為加速度計(jì)和陀螺儀）進(jìn)行測(cè)量得到旋轉(zhuǎn)速度和加速度信息，結(jié)合初始信息，依據(jù)力學(xué)定律計(jì)算得出載體方位信息。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)、加速度計(jì)、陀螺儀等其他運(yùn)動(dòng)傳感器模塊組成，其工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，故是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。知識(shí)點(diǎn)2：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組成A包括加速度計(jì)和陀螺儀慣性元件。慣性測(cè)量組件B模擬一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系慣性平臺(tái)C根據(jù)加速度信號(hào)進(jìn)行積分計(jì)算，還進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定、對(duì)準(zhǔn)以及進(jìn)行機(jī)內(nèi)的檢測(cè)和管理。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)D給定初始參數(shù)及系統(tǒng)所需的其他參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)航信息?？刂骑@示器知識(shí)點(diǎn)3：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分類慣性導(dǎo)航系統(tǒng)按照采用的平臺(tái)形式分為平臺(tái)式導(dǎo)航系統(tǒng)（GimbaledInertialNavigationSystem，GINS）和捷聯(lián)式導(dǎo)航系統(tǒng)（StrapdownInertialNavigationSystem，SINS）。1.平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，將加速度計(jì)固定在平臺(tái)上，其敏感軸與平臺(tái)軸平行，平臺(tái)的三根穩(wěn)定軸模擬一種導(dǎo)航坐標(biāo)系。知識(shí)點(diǎn)3：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分類2.捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將慣性測(cè)量元件直接固連在載體上，再將其輸出通過(guò)數(shù)學(xué)平臺(tái)（又稱捷聯(lián)矩陣之轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系的參量），進(jìn)行導(dǎo)航解算。即無(wú)穩(wěn)定平臺(tái)，加速度計(jì)和陀螺儀直接與載體相連并跟隨載體轉(zhuǎn)動(dòng)；陀螺儀用于測(cè)量載體角運(yùn)動(dòng)、計(jì)算載體姿態(tài)角，從而確定加速度計(jì)敏感軸指向；再通過(guò)坐標(biāo)變換，將加速度計(jì)輸出的信號(hào)變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系上，進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)按照采用的平臺(tái)形式分為平臺(tái)式導(dǎo)航系統(tǒng)（GimbaledInertialNavigationSystem，GINS）和捷聯(lián)式導(dǎo)航系統(tǒng)（StrapdownInertialNavigationSystem，SINS）。知識(shí)點(diǎn)4：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)特點(diǎn)因慣性導(dǎo)航的定位精度非常依賴于每一個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)精度，而每個(gè)環(huán)節(jié)都是存在誤差的，這樣隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，這些誤差就會(huì)不斷積累，導(dǎo)致最后結(jié)果的誤差是個(gè)放大的量。所以，凡是采用慣性導(dǎo)航的無(wú)人機(jī)都需要一個(gè)額外的手段來(lái)定期地給予慣性導(dǎo)航一個(gè)修正值。慣性導(dǎo)航工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)包括可以實(shí)現(xiàn)全天候全時(shí)間工作于空中、地球表面、水下等地點(diǎn)，自主導(dǎo)航，屏蔽性好，受外界電磁干擾；數(shù)據(jù)更新率高，短期精度高，穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)學(xué)習(xí)任務(wù)二

全球定位系統(tǒng)（GPS）掌握GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的概念、原理、組成、分類。掌握差分GPS技術(shù)的原理、組成。了解GPS導(dǎo)航在無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用。知識(shí)目標(biāo)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也叫全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS），是能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時(shí)間信息的空基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星星座及其支持特定工作所需的增強(qiáng)系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航是利用導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，求出飛行器相對(duì)于衛(wèi)星的位置，再根據(jù)已知的衛(wèi)星相對(duì)地面的位置計(jì)算出飛行器的坐標(biāo)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面臺(tái)站和用戶定位設(shè)備三個(gè)部分組成。任務(wù)描述知識(shí)點(diǎn)1：GPS的組成GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間星座部分——GPS衛(wèi)星、地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶設(shè)備部分——GPS信號(hào)接收機(jī)。知識(shí)點(diǎn)2：GPS導(dǎo)航原理GPS定位的基本原理實(shí)際上就是通過(guò)四顆已知位置的衛(wèi)星來(lái)確定GPS用戶接收機(jī)的位置。知識(shí)點(diǎn)2：GPS導(dǎo)航原理GPS定位的基本原理實(shí)際上就是通過(guò)四顆已知位置的衛(wèi)星來(lái)確定GPS用戶接收機(jī)的位置。知識(shí)點(diǎn)2：GPS導(dǎo)航原理GPS定位的基本原理實(shí)際上就是通過(guò)四顆已知位置的衛(wèi)星來(lái)確定GPS用戶接收機(jī)的位置。知識(shí)點(diǎn)3：差分GPS技術(shù)差分GPS技術(shù)就是在GPS接收器相對(duì)較近的已知坐標(biāo)點(diǎn)上布放一個(gè)GPS基準(zhǔn)站，此基準(zhǔn)站也可以接收到為地面接收器提供位置信息的4顆衛(wèi)星的信號(hào)，根據(jù)這些信號(hào)算出坐標(biāo)值，然后與已知的坐標(biāo)比較，得出坐標(biāo)的偏差量，然后將偏差量或者實(shí)時(shí)測(cè)得的載波相位，通過(guò)數(shù)傳鏈路或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給GPS接收器，接收器根據(jù)接收到的信息進(jìn)行修正。知識(shí)點(diǎn)3：差分GPS技術(shù)根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即：位置差分、偽距差分和相位差分。這三類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。1.位置差分原理這是一種最簡(jiǎn)單的差分方法，任何一種GPS接收機(jī)均可改裝和組成這種差分系統(tǒng)。其基本原理是安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)觀測(cè)4顆衛(wèi)星后便可進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。由于存在著軌道誤差、時(shí)鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應(yīng)以及其他誤差，解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是不一樣的，即存在誤差。基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對(duì)其解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)行改正。那么，最后得到改正后的用戶坐標(biāo)已消去了基準(zhǔn)站和用戶站的共同誤差，提高了定位精度。以上先決條件是基準(zhǔn)站和用戶站觀測(cè)同一組衛(wèi)星的情況，位置差分法適用于用戶與基準(zhǔn)站間距離在100km以內(nèi)的情況。知識(shí)點(diǎn)3：差分GPS技術(shù)根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即：位置差分、偽距差分和相位差分。這三類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。2.偽距差分原理偽距差分是目前用途最廣的一種技術(shù)。幾乎所有的商用差分GPS接收機(jī)均采用這種技術(shù)。其基本原理是在基準(zhǔn)站上的接收機(jī)要求得它至可見(jiàn)衛(wèi)星的距離，并將此計(jì)算出的距離與含有誤差的測(cè)量值加以比較。利用一個(gè)α-β濾波器將此差值濾波并求出其偏差。然后將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距來(lái)解出本身的位置，就可消去公共誤差，提高定位精度。與位置差分相似，偽距差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準(zhǔn)站距離的增加又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對(duì)精度有決定性影響。知識(shí)點(diǎn)3：差分GPS技術(shù)根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即：位置差分、偽距差分和相位差分。這三類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。3.載波相位差分（RTK）原理載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù)（realtimekinematic），是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的。它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。與偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)量及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。知識(shí)點(diǎn)3：差分GPS技術(shù)4.PPK技術(shù)PPK（postprocessedkinematic)技術(shù)，即動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)。其系統(tǒng)也和RTK一樣，是由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站組成。PPK的工作原理，是利用進(jìn)行同步觀測(cè)的一臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)和至少一臺(tái)流動(dòng)接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)量，并進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，省掉中間無(wú)線電傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)。在測(cè)量完成之后，使用GPS處理軟件進(jìn)行線性組合（后處理過(guò)程），形成虛擬的載波相位觀測(cè)量值，確定接收機(jī)之間厘米級(jí)的相對(duì)位置，然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到流動(dòng)站在地方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。知識(shí)點(diǎn)4：GPS導(dǎo)航的特點(diǎn)1.全球范圍內(nèi)連續(xù)覆蓋A2.實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位C3.定位精度高E4.靜態(tài)定位觀測(cè)效率高BD5.操作簡(jiǎn)單6.應(yīng)用廣泛F學(xué)習(xí)任務(wù)三

全球定位系統(tǒng)（GPS）掌握其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的分類、組成、工作原理、特點(diǎn)。了解格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景。了解常用的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的種類及原理。能夠完成無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行時(shí)定位導(dǎo)航的設(shè)置。知識(shí)目標(biāo)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了美國(guó)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)外，還有俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和我國(guó)的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)。另外因?yàn)樵谑覂?nèi)時(shí)，GPS等導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)微弱，需要了解幾種常見(jiàn)的室內(nèi)定位技術(shù)。本任務(wù)主要是了解這些導(dǎo)航系統(tǒng)的組成、原理、優(yōu)點(diǎn)等內(nèi)容。任務(wù)描述知識(shí)點(diǎn)1：中國(guó)北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯(lián)合國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)已認(rèn)定的供應(yīng)商。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r(shí)能力，定位精度10米，測(cè)速精度0.2米/秒，授時(shí)精度10納秒。知識(shí)點(diǎn)2：室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)02激光SLAM03視覺(jué)SLAM01超聲波+光流傳感器04UWB定位系統(tǒng)學(xué)習(xí)任務(wù)四

無(wú)人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用能夠分析總結(jié)多種導(dǎo)航系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用。能夠深入剖析某無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)原理。3.能夠根據(jù)應(yīng)用需求選擇無(wú)人機(jī)導(dǎo)航的方式。知識(shí)目標(biāo)任務(wù)描述無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)負(fù)責(zé)向無(wú)人機(jī)提供參考坐標(biāo)系的位置、速度、飛行姿態(tài)等矢量信息，引導(dǎo)無(wú)人機(jī)按照指定航線飛行，相當(dāng)于無(wú)人機(jī)的“眼睛”。精準(zhǔn)的無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)完成飛行任務(wù)的必要條件。如對(duì)于操控員來(lái)說(shuō)，需要實(shí)時(shí)地知道任何時(shí)刻無(wú)人機(jī)的位置；對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)自主飛行時(shí)，也需要在飛任何時(shí)刻知道自己的位置；對(duì)于全自主飛行模式，無(wú)人機(jī)上葉必須搭載滿足其任務(wù)性能所需的導(dǎo)航設(shè)備。相關(guān)知識(shí)點(diǎn)1：無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)人機(jī)導(dǎo)航方法通常分為自主和非自主兩大類。所謂自主導(dǎo)航，就是無(wú)人機(jī)完全依靠自身所載的設(shè)備，自主地完成導(dǎo)航任務(wù)，和外界不發(fā)生任何聯(lián)系；否則稱為非自主導(dǎo)航。目前無(wú)人機(jī)常用的導(dǎo)航有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線電跟蹤系統(tǒng)、多普勒系統(tǒng)、圖形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)、地磁導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等。多普勒導(dǎo)航圖形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)地磁導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)線電跟蹤系統(tǒng)無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)2：無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展方向1.應(yīng)用新型慣導(dǎo)系統(tǒng)，提高導(dǎo)航精度。隨著激光慣導(dǎo)、光纖慣導(dǎo)和微固態(tài)慣性儀表等慣導(dǎo)系統(tǒng)的研制和應(yīng)用，現(xiàn)代微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，微機(jī)械慣導(dǎo)系統(tǒng)的研制。慣導(dǎo)系統(tǒng)的功耗和體積變的越來(lái)越小，更加適于戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用。加工工藝的提升和關(guān)鍵理論、技術(shù)的突破，會(huì)研發(fā)出更多高精度慣導(dǎo)裝置。2.增加導(dǎo)航組合因子，提高導(dǎo)航健壯性。未來(lái)無(wú)人機(jī)對(duì)導(dǎo)航的穩(wěn)定性和可靠性等性能提出更高的要求，增加組合導(dǎo)航因子，不再依賴于某―項(xiàng)或者某幾項(xiàng)導(dǎo)航技術(shù)，當(dāng)其中的一項(xiàng)或者幾