无人机导航定位技术简介与分析

无人机导航定位技术简介与分析无人机导航定位工作主要由组合定位定向导航系统完成，组合导航系统实时 闭环输出位置和姿态信息，为飞机提供精确的方向基准和位置坐标，同时实时根 据姿态信息对飞机飞行状态进行预测。组合导航系统由激光陀螺捷联惯性导航、 卫星定位系统接收机、组合导航计算机、里程计、高度表和基站雷达系统等组成。 结合了 SAR 图像导航的定位精度、自主性和星敏感器的星光导航系统的姿态测 定精度，从而保证了无人飞机的自主飞行。无人机导航是按照要求的精度，沿着预定的航线在指定的时间内正确地引导 无人机至目的地。要使无人机成功完成预定的航行任务，除了起始点和目标的位 置之外，还必须知道无人机的实时位置、航行速度、航向等导航参数。目前在无 人机上采用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、多普勒导航、地形辅助导 航以及地磁导航等。这些导航技术都有各自的优缺点，因此，在无人机导航中， 要根据无人机担负的不同任务来选择合适的导航定位技术至关重要。 一、单一导航技术1 惯性导航惯性导航是以牛顿力学定律为基础，依靠安装在载体（飞机、舰船、火箭等） 内部的加速度计测量载体在三个轴向运动加速度，经积分运算得出载体的瞬时速 度和位 置，以及测量载体姿态的一种导航方式。惯性导航系统通常由惯性测量 装置、计算机、控制显示器等组成。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪。三自 由度陀螺仪用 来测量飞行器的三个转动运动 ;三个加速度计用来测量飞行器的 三个平移运动的加速度。计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。控制显示器 显示各种导航参数。惯性导航完全依靠机载设备自主完成导航任务，工作时不依 赖外界信 息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，不受气象条件限制，是一 种自主式的导航系统，具有完全自主、抗干扰、隐蔽性好、全天候工作、输出导 航信息多、数据 更新率高等优点。实际的惯性导航可以完成空间的三维导航或 地面上的二维导航。2 定位卫星导航定位卫星导航是通过不断对目标物体进行定位从而实现导航功能的。目前， 全球范围内有影响的卫星定位系统有美国的GPS，欧洲的伽利略，俄罗斯的格拉 纳斯。这里主要介绍现阶段应用较为广泛的 GPS 全球定位系统导航。GPS全球定位系统导航的基本原理:当GPS卫星正常工作时，会不断地用1 和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。导航电文包括卫星星 历、工作 状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。当用户接 收到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用 户的伪距R,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位 置，由于用户接收机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，引进一个At 即卫星与接收机之间的 时间差作为未知数。为了求出接收机的位置 x、y、z， 只要接收机测出四颗卫星的伪距，利用公式(1)便可得到四个方程，联立起来便 可求出四个未知数x、y、z和At。R =: + (y, + y)3 + (2, - 2): + X c3多普勒导航多普勒导航是飞行器常用的一种自主式导航，多普勒导航系统由磁罗盘或陀 螺仪表、多普勒雷达和导航计算机组成。它的工作原理是多普勒效应，机上的多 普勒导航雷 达不断向地面发射电磁波，因飞机与电磁波照射的地面之间存在相 对运动，雷达接收到地面回波的频率与发射电磁波的频率ft相差一个多普勒频 率fd。从而根据 公式(2)计算出无人机相对于地面的飞行速度(地速)，以及偏 流角(即地速与无人机纵轴之间的夹角)。由于气流的作用，偏流角的大小反映了 地速、风速和空 速之间的关系。磁罗盘或陀螺仪可以测出无人机的航天向角， 即无人机纵轴方向与正北方向之间的夹角。根据多普勒雷达提供的地速和偏流角 数据，以及磁罗盘或陀 螺仪表提供的航向数据，导航计算机就可以不断地计算 出无人机飞过的路线。fd = f, y eosy(2)式中v为飞机的飞行速度，为空速和风速的合成速度；Y为速度V与雷达波 束轴线之间的夹角。4地形辅助导航地形辅助导航是指飞行器在飞行过程中，利用预先储存的飞行路线中某些地 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来实施导航修 正的一种方法。地形辅助导航可分为地形匹配、景像匹配和桑地亚惯性地形辅助导航。1）地形匹配地形匹配也称为地形高度相关。其原理是:地球陆地表面上任何地点的地理 坐标，都可以根据其周围地域的等高线或地貌来单值确定。地形匹配是通过获取 沿途航线上 的地形地貌情报，并据此作出专门的数字地图并存入计算机，当飞 机飞越某块已数字化的地形时，机载无线电高度表测出相对高度，气压/惯性综 合测绝对高度，两 者相减即得地形标高。飞行一段时间后，即可得到真航迹的 一串地形标高。将测得的数据与预先存储的数字地图进行相关分析，确定飞机航 迹对应的网格位置。因为 事先确定了网格各点对应的经纬值，这样便可以用数 字地图校正惯导。2）影像匹配又称影像相关。与地形匹配的区别是，预先输入到计算机的信息不知是高度 参数，而是通过摄像等手段获取的预定飞行路径的景像信息，将这些景象数字化 后储存在机载的相关计算设备中，这些信息具有很好的可观测性。飞行中，通过机载的摄像设备获取飞行路径中的景象。然后利用机载数字景 象匹配相关器将其所测与预存的景象进行相关比较以确定飞机的位置。3）桑地亚惯性地形辅助导航桑地亚惯性地形辅助导航采用了推广的递推卡尔曼滤波算法，具有更好的实 时性。其原理是:根据惯导系统输出的位置在数字地图上找到地形高程。而惯导 系统输出的 绝对高度与地形高程之差为飞行器相对高度的估计值。它与无线电 高度表实测相对高度之差就是卡尔曼滤波的测量值。地形的非线性导致了测量方 程的非线性。采用 地形随机线性化算法可以实时获得地形斜率，得到线性化的 测量方程，结合惯导系统的误差状态方程，经递推卡尔曼滤波算法可得到导航误 差状态的最佳估计。利用 输出校正可修正惯导系统的导航误差，从而获得最佳 导航状态。5 地磁导航地磁场为矢量场，在地球近地空间内任意一点的地磁矢量都不同于其它地点 的矢量，且与该地点的经纬度存在一一对应的关系。因此，理论上只要确定该点 的地磁场矢量即可实现全球定位。按照地磁数据处理方式的不同，地磁导航分为地磁匹配与地磁滤波两种方 式。目前地磁匹配在导航应用研究中更为广泛，它是把预先规划好的航迹某段区 域某些点的地 磁场特征量绘制成参考图（或称基准图）存贮在载体计算机中，当 载体飞越这些地区时，由地磁匹配测量仪器实时测量出飞越这些点地磁场特征 量，以构成实时图。 在载体上的计算机中，对实时图与参考图进行相关匹配， 计算出载体的实时坐标位置，供导航计算机解算导航信息。地磁匹配类似地形匹配系统，区别在于地磁匹配可有多个特征量。 单一导航技术优缺点分析1）惯性导航。优点是不依赖外界任何信息实现完全自主的导航，隐蔽性好， 不受外界干扰，不受地形影响，能够全天候工作。缺点是定位误差是随时间积累 的累积误差，精度受到惯导系统的影响。2）GPS导航。优点是全球性、全天候、连续精密导航与定位能力，实时性较 出色。缺点是易受电磁干扰;GPS系统接收机的工作受飞行器机动的影响，比如 GPS的信号更新频率一般在1 Hz2 Hz，如果飞行器需要快速更新导航信息，单 独搭载GPS系统就不能满足飞行器更新信息的需要。3）多普勒导航。优点是自主性好，反应快，抗干扰性强，测速精度高，能用 于各种气候条件和地形条件。缺点是工作时必须发射电波，因此其隐蔽性不好; 系统工作受地形影响，性能与反射面的形状有关，如在水平面或沙漠上空工作时， 由于反射性不好就会降低性能;精度受天线姿态的影响;测量有积累误差，系统会 随飞行距离的增加而使误差增大。4）地形辅助导航。优点是没有累积误差，隐蔽性好，抗干扰性能较强。缺点 是计算量较大，实时性受到制约;工作性能受地形影响，适合起伏变化大的地形， 不适宜于在平原或者海面使用;同时还受天气影响，在大雾和多云等天气条件下 导航效果不佳;要求飞行器按照规定的路线飞行，不利于飞行器的机动性。5）地磁导航。地磁导航具有无源、无辐射、隐蔽性强，不受敌方干扰、全天 时、全天候、全地域、能耗低的优良特征，导航不存在误差积累，在跨海制导方 面有一定的优势。缺点是地磁匹配需要存储大量的地磁数据;实时性与计算机处 理数据的能力有关。二、组合导航组合导航是指把两种或两种以上的导航系统以适当的方式组合在一起，利用 其性能上的互补特性，可以获得比单独使用任一系统时更高的导航性能。 除了 可以将以上介绍的导航技术进行组合之外，还可以应用一些相关技术定位提高精 度，比如大气数据系统、航迹推算技术等。DINS/GPS组合导航系统组合的优点表现在:对惯导系统可以实现惯性传感器的校准、惯导系统的空中对 准、惯导系统高度通道的稳定等，从而可以有效地提高惯导系统的性能和精度; 对GPS系统来说，惯导系统的辅助可以提高其跟踪卫星的能力，提高接收机动态 特性和抗干扰性。另外，INS/GPS综合还可以实现GPS完整性的检测，从而提高 可靠性。另外，INS/GPS组合可以实现一体化，把GPS接收机放入惯导部件中， 以进一步减少系统的体积、质量和成本，便于实现惯导和GPS同步，减小非同步 误差。INS/GPS组合导航系统是目前多数无人飞行器所采用的主流自主导航技 术。美国的全球鹰和捕食者无人机都是采用这种组合导航方式。2）惯导/多普勒组合导航系统 这种组合方式既解决了多普勒导航受到地形因素的影响，又可以解决惯导自身的 累积误差，同时在隐蔽性上二者实现了较好的互补。3）惯导/地磁组合导航系统 利用地磁匹配技术的长期稳定性弥补惯系统误差随时间累积的缺点，利用惯导系 统的短期高精度弥补地磁匹配系统易受干扰等不足，则可实现惯性/地磁导航， 具备自主性强、隐蔽性好、成本低、可用范围广等优点，是当前导航研究领域的 一个热点。4）惯导/地形匹配组合导航系统 由于地形匹配定位的精度很高，因此可以利用这种精确的位置信息来消除惯性导航系统长时间工作的累计误差，提高惯性导航系统的定位精度。由于地形匹配 辅助导航系统具有自主性和高精度的突出优点，将其应用于装载有多种图像传感 器的无人机导航系统，构成惯性/地形匹配组合导航系统，将是地形匹配辅助导 航技术发展和应用的未来趋势。5）GPS/航迹推算组合导航系统航迹推算的基本原理:在GPS失效情况下，依据大气数据计算机测得的空速、 磁航向测得的真北航向以及当地风速风向，推算出地速及航迹角。当GPS定位信 号中断或质量较差时，由航迹推算系统确定无人机的位置和速度;当GPS定位信 号质量较好时，利用GPS高精度的定位信息对航迹推算系统进行校正，从而构成 了高精度、高可靠性的无人机导航定位系统，在以较高质量保证了飞行安全和品 质的同时，有效降低了系统的成本，使无人机摆脱对雷达、测控站等地面系统的 依赖。三、无人机导航技术发展趋势1）研制新型惯导系统，提高组合导航系统精度 新型惯导系统目前已经研制出 光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式的惯导系统。随着现代微机电 系统的飞速发展，硅微陀螺和硅加速度计的研制进展迅速，其成本低、功耗低、 体积小及质量轻的特点很适于战术应用。随着先进的精密加工工艺的提升和关键 理论、技术的突破，会有多种类型的高精度惯导装置出现，组合制导的精度也会 随之提高。2）增加组合因子，提高导航稳定性能 未来无人机导航将对组合导航的稳定性 和可靠性提出更高的要求，组合导航因子将会有足够的冗余，不再依赖于组合导 航系统中的某一项或者某几项技术，当其中的一项或者几项因子因为突发状况不 能正常工作时，不会影响到无人机的正常导航需求。3）研发数据融合新技术，进一步提高组合导航系统性能 组合导航系统的关键 器件是卡尔曼滤波器，它是各导航系统之间的接口，并进行着数据融合处理。目 前研究人员正在研究新的数据融合技术，例如采用自适应滤波技术，在进行滤波 的同时，利用观测数据带来的信息，不断地在线估计和修正模型参数、噪声统计 特性和状态增益矩阵，以提高滤波精度，从而得到对象状态的最优估计值。 此 外，如何将神经网络人工智能、小波变换等各种信息处理方法引入以组合制导为 核心的信息融合技术中正在引起人们的高度重视，这些新技术一旦研制成功，必 将进一步提高组合制导的综合性能。