基于北斗导航系统的无人机定向探究

基于北斗导航系统的无人机定向探究
摘要：北斗导航系统可以有效开展伪距测量和载波相位观测量，不仅可以实现
无人机的绝对定位，同时可以用到航向角的测量之中。

本文先对北斗导航系统的
定向算法作一介绍分析，进而提出无人机定向原理验证平台的设计要点及组合定
向试验验证要点，旨在为相关的研究人员提供参考性意见。

关键词：北斗导航系统；无人机；定向；组合定向
无人机是无人飞行器的简称，可以利用空气动力产生上升和移动的力，并可
以由遥控器控制。

近年来无人机已经广泛应用到民生和军事中，可以在危险任务
领域和恶劣环境中发挥巨大的优势。

作为无人机最为重要的功能之一，自主导航
与实时定位尤为关键，鉴于无人机独特的构造和飞行性能，如何实现自主导航和
定向处理一直都是研究的重点。

随着我国北斗导航系统的发展与广泛应用，其在
无人机定向中发挥着重要的作用。

1.基于北斗导航系统的无人机定向算法
无论是我国现阶段初步应用的北斗导航系统还是全球范围内使用的GPS导航
系统，均可以提供三维坐标和三维速度信息，而且可以借助数据处理技术和多个
天线实现载体的航向角实时测量，具有很好的测量精度[1]。

就我国现阶段使用的
北斗导航系统接收机来说，可以有效实现两种观测量，即伪距观测量和载波相位
观测量，这两种观测量均可以应用于无人机的绝对定位和航向角的测量之中。

如
图1，这是北斗导航系统确定载体航向角的思路。

就无人机定向难度来说，如何
依据北斗导航系统并利用主天线和从天线的载波相位测量的差分确定基线矢量相
对于参考坐标系的航向角尤为关键。

图1 北斗导航系统确定载体航向角的思路
为了得到更为精准的定向精度，往往需要将基线矢量位置测量精度控制到厘
米级或者毫米级，以往所使用的码相位观测值因为无法满足测量要求已经很少使用，目前使用的主要是实时精密定位技术，可以利用基于载波相位差分的方式创
建观测模型。

之所以差分可以有效提升测量和定位的精度，分析原因主要是因为
差分可以将两个天线安置到基线的两端，继而利用接收机实现实时接收卫星的目的，两台接收机的相关性可以通过差分方式低效公共的误差。

在基于北斗导航系统的无人机定向算法选择上，目前国内外普遍认为LAMBDA算法最具可靠性和准确性，而且搜索速度也最快，已然成为当前阶段的
主流模糊度求解方法。

就LAMBDA算法在北斗导航系统的双差模糊度解算中来说，主要包括模糊度的整数变换和基于LDLT分解理论的搜索方法。

整数变换可以在
模糊度搜索前将模糊度的参数α通过相应整数变换矩阵Z变换为另一种有利搜索
的参数z，整数变换后所得到的参数并不会对原有数据属性造成更改，可以说，
整数变换完全独立于相关搜索过程。

如图2，整数变换思想。

就LAMBDA算法模
糊度的确定来说，通常情况下模糊度的解算需要通过相关检验，从模糊度组合的
集合中选取最优者，所以确保检验方法选择的科学性与合理性便显得尤为关键。

就目前常用的检验方法来看，最常用的一种当属Ratio，通过比较次小残差平方和与最小残差平方和，可以获得精准的模糊度。

除此之外，值得一提的一点是，北
斗导航系统共有5颗静止轨道卫星，均可以保持对地面的相对位置不变，稳定性
远高于最大仰角或者最大信噪比等方式所选择的主星。

图2 整数变换思想
2.无人机定向原理验证平台的设计要点
2.1硬件架构方案
北斗导航系统的定向原理验证平台包括基带信号处理、微处理器、射频前端、天线以及相关的软件[2]。

射频前端负责信号变频、滤波和数字化，数字化信号经
过基带的捕获、跟踪与处理后可以得到导航所需要的相关电文、伪距及相应的载
波相位。

本文所提出的硬件架构方案为：一块导航处理FPGA＋定向处理CPU，应用原理是借助两个射频通道分别对两个天线所接收到的信息进行分析处理，而后
将其送至FPGA进行基带处理，最后由共用的CPU实现定位定向结算。

如图3，
这是一块导航处理FPGA＋定向处理CPU方案的示意图。

图3 一块导航处理FPGA＋定向处理CPU方案的示意图
2.2北斗导航系统定位定向原理验证平台
北斗导航系统定位定向原理验证平台主要包括四大部分，即定位定向主机设备、电源线与电缆线、接收天线设备及差分信息设备。

如图4，这是北斗导航系
统定位定向原理验证平台构成。

天线部分包括两个卫星接收天线，可以准确获取
北斗导航系统所播发的导航信号。

组合定向主机设备包括的组件较多，主要有基
带处理单元、接口单元、显示控制单元、定位定向解算单元及供电单元等[3]。

差
分数据接收设备的优势在于可以准确获取外部的差分信息，并且可以将所获得的
差分信息送至组合定向主机，而后应用到组合定向的定位定向计算中去。

图4 北斗导航系统定位定向原理验证平台构成
2.3接收天线设备与基带处理软件设计
目前常用的接收天线设备主要是BD2/GPS兼容高精度测量天线，这种接收天
线设备可以以GPS系统和北斗导航系统为基础，创建新型的双频高精度用户机天线，优势在于具有抗多路径能力，工作频率较高，反向反射≤15dB，天线相位中
心漂移≤1mm，LNA增益为28dB±2dB。

基带处理软件可以设计为一个嵌入式的软件，嵌入到基带处理单元之中，可
以有效完成对硬件的控制，同时还具有控制伪码环路和载波环路的作用。

另外，
单点定位软件也可以设计成一个嵌入式的软件，将其嵌入到定位定向解算单元之中，可以精准得到定位定向仪的钟差，优势十分明显。

3.结语
对于无人机定向来说，北斗导航系统可以捕获足量的卫星数目，能够在短时
间内进行载波整周模糊度结算，定向的可靠性大大提升，这对于无人机在国防安
全和民事应用均有十分重要的意义。

但总的来说，现阶段北斗导航系统在无人机
定向中的应用还有很大的提升空间，相关的理论基础和实践经验还有很大的欠缺，这需要在今后的研究中加大力度，重点对北斗导航系统定位定向原理验证平台及
硬软件设计等进行深入研究，以此优化无人机定向系统，推动无人机在国防安全
和民事中获得更好的应用。

参考文献
[1]李盈婷,黄也,陈善雄.基于北斗导航系统的空气质量检测无人机系统[J].计算机科
学与应用,2019,9(04):7.
[2]任丽艳,李英成,薛艳丽,等.基于北斗技术的无人机飞行监管系统开发与应用[J].国土资源遥感,2018,030(02):238-242.
[3]王高亮,王强,罗嘉伟.基于北斗导航的植保无人机定位设计[J].智能计算机与应用,2017,7(05):46-49.。