GPS在无人直升机导航中的应用

还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对 4 颗卫星进行测量。 它的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离 后方交会的方法，确定待测点的位置。如图 1 所示，假设 t 时刻在地面待测点上安 置 GPS 接收机，可以测定 GPS 信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的 卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：
1. 引言
无人驾驶直升机(以下简称“无人直升机”)是无人机系列的一个重要分支，它以 尺寸小、结构紧凑、悬停和中速飞行效率高、故障率低和可以垂直起飞着落等特点 而广泛应用于军事和民用。
无人直升机和无人定翼机相比，有以下 4 个突出的特点： ①无人直升机旋翼是个动量矩很大的旋转体，这使得无人直升机的操纵反应迟 缓； ②无人直升机操纵过程中协调动作多，控制系统各通道间协调配置比固定翼无 人机更为复杂困难； ③无人直升机通过旋翼和尾桨操纵，实现各种飞行动作。 ④无人直升机的稳定性较差。尤其在悬停状态下，它是动不稳定的，必须依靠 控制系统不断调节各控制量使系统保持随动稳定。 因此在控制和导航上，无人直升机难度更大。要使无人直升机准确到达目标点， 需要配备更优良的导航系统。 然而目前的导航方法，大多是针对固定翼无人机。主要有以下三种： (1) 使用地面雷达站准确测量无人机的位置，当无人机偏离预定航线时，地面 站发出遥控指令，使无人机按预定航线飞行．这种导航方式，准确度较高，但因小 型无人机机身、机翼多采用非金属材料，电磁反射面积小，故雷达作用距离短。此
[(x 3 -x) 2 +(y 3 -y) 2 +(z 3 -z) 2 ] 1/ 2 +c(V t 3 -V t 0 )=d 3
[(x 4 -x) 2 +(y 4 -y) 2 +(z 4 -z) 2 ] 1/ 2 +c(V t 4 -V t 0 )=d 4
上述四个方程式中待测点坐标 x、y、z 和 Vto 为未知参数，其中 d i =c Δ t i (i=1、2、
(3) 采用机载时间程序控制装置实现无人机自主导航。它不依赖地面和上下行 遥控遥测通道，而是采用机载时间程序控制装置来实现无人机的自主式导航。由于 程序是事先设置的，不可能估计到气流的影响，因此飞行中由于风的影响，会导致 无人机偏航；同时，系统精度主要取决于惯性测量器件（陀螺仪和加速度计），导航 参数的误差（尤其是位置误差）随时间而积累，不适合长时间的导航。
458
软化 俯仰角加速度
K3
软化
微分、软化 Xt 坐标变换
DGPS
K4
软化
Xtg
给定前飞速度
给定俯仰角 K2
限幅电路
舵机
无人直升机
陀螺
K1 俯仰角速率
俯仰角
图 3．纵向控制通道框图
图 3 所示是该系统中的飞机纵向控制通道框图。Xt 是实际的飞机纵向位置，Xtg
是给定的纵向
位置。DGPS 测得飞机的经纬度，送给飞控计算机，采用公式(1) ～ (3)，将经纬度
457
机载计算机把机载GPS接收机送来的飞机位置数据与预定航线进行数据处理，得 到实际航迹点偏离预定航线的误差信号，并把它送到飞行控制器，使飞机自动回到 预定航线上，完成自主式导航。 3．2 差分 GPS 导航
地面基准站 GPS 通过 GPS 设置软件正确设置后，将基准站所测量到的位置相关 数据通过 GPS 电台发送到机载 GPS 接收机。机载 GPS 接收机通过相应的差分程序对 所测量到的数据进行修正。机载 GPS 接收站接收到基准站的修正信息，同时观测与 地面 GPS 基准台相同的 GPS 卫星，解算出飞机的位置数据，将此位置数据经修正信 息修正后，输出比较精确的飞机位置信号；飞控计算机采样到机载 GPS 输出的位置 信号后，与预定航线进行比较，由此得到实际飞行航迹点相对于预定航线的偏离误 差，产生控制信号来控制舵机，使飞机回到预定航线上。
为了得到更高的定位精度，我们通常采用差分 GPS 技术：将一台 GPS 接收机安
置在基准站上进行观测。根据差分 GPS 基准站发送的信息方式可将差分 GPS 定位分
为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同
的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得
2. GPS 基本原理
2.1 GPS 定位基本原理 GPS 由三个独立的部分组成： (1) 空间部分：21 颗工作卫星，3 颗备用卫星。 (2) 地面支撑系统：1 个主控站，3 个注入站，5 个监测站。 (3) 用户设备部分：接收 GPS 卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，
经数据处理，完成导航和定位工作。GPS 接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。 GPS 定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现，同时
第二十届（2004）全国直升机年会论文
GPS 在无人直升机导航中的应用
牛新元 王道波
（南京航空航天大学 自动化学院 江苏 南京 210016）
郭才根
（上海雏鹰科技有限公司 上海 200435）
摘 要：本文介绍了无人驾驶直升机的特点和目前固定翼无人驾驶飞机的几种 定位和导航方法，介绍了 GPS 在某型无人驾驶直升机导航上的应用：论述了该 系统的总体方案和系统的硬件、软件，分析了其关键技术。该系统可自主导航， 也可用遥控系统辅助导航，还可用遥测系统监测；可只用 GPS 单机，也可通过 GPS 电台进行 GPS 差分。试飞结果表明，该系统工作稳定可靠。文章也分析了导 航中存在的一些问题，提出了一些改进的措施。 关键字： GPS 导航 无人直升机
(2) 伪距差分 在基准站上的接收机要求得到它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含 有误差的测量值加以比较。利用一个 α-β 滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然 后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最 后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。 使用这种方法，用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。 (3) 载波相位差分技术 载波相位差分技术又称为 RTK 技术（Real Time Kinematic）, 与伪距差分原理 相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及基准站坐标信息一同传送给用户 站。用户站接收 GPS 卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观 测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。 实现载波相位差分 GPS 的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分相 同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。 后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者为准 RTK 技术， 后者为真正的 RTK 技术。
(3)
上式中 lon, lat 为当前点待转换的飞机的经纬度，x，y 是转换后的直角坐标
系中飞机相对位置，xlon, xlat 是飞机起飞点经纬度值。
悬停中的高度通道控制和定高模态采用了相同的方法，都是采用了大气数据计
算机/GPS 组合定高。由于美国对民用和非特许用户采取了限制政策，人为降低了系
GPS卫星信号
GPS卫星信号
GPS设置软件
GPS 基准站
GPS 数据电台
GPS 数据电台
GPS接收机
指令盘 操纵箱
地面 测控计算机
综合显示器
地面 数据电台
机载 数据电台
机载 飞控计算机
无人直升机
图 2 系统组成框图
4. GPS 在悬停和定高模态中的应用
直升机在一定高度上保持航向和水平位置不变的飞行状态叫悬停，它是直升机 特有的飞行性能，也是稳定性很差的一个模态。悬停时，要求根据风向，操纵纵向 舵机、横向舵机，使旋翼锥体相应倾斜，保持飞机不移位；操纵尾桨舵机，保持航 向无偏转；操纵总距舵机，保持高度不变。因此，直升机定点悬停，要接通高度通 道、航向通道、横向通道和纵向通道，这四个通道又是相互耦合，控制难度很大。 DGPS 能较好地解决横侧向定位问题，而且方法简单可靠。
3. 某型无人直升机导航系统总体方案
某型无人直升机导航总体方案包含两种：单机 GPS 导航和差分 GPS 导航。后者 包含前者，即不用差分或差分信号失效时，差分 GPS 变成单机 GPS 导航。两种导航 方案都可用无线电遥测进行监测，也都可用无线电遥控辅助导航。图 2 所示是带有 DGPS 和无线电遥测遥控功能的某型无人直升机导航系统。该系统由机载设备、地面 站两大部分组成。机载设备包括 GPS 接收机、机载飞行控制计算机、无线电台和机 载 GPS 电台。地面站设备包括 DGPS 基准台、地面测控计算机、DGPS 解算计算机、 操纵箱、指令盘、GPS 电台和无线数据电台。飞控计算机接收并处理 GPS 接收机传 送的 UTC 时间标识、UTC 时间、飞机经纬度、高度和速度等信息。 3．1 单机 GPS 导航
455
卫星2 卫星1 (x1,y1,z1) (x2,y2,z2)
卫星3
(x3,y3,z3)
卫星4
(x4,y4,z4)
Z Y
X （x,y,z)
图 1. GPS 定位原理
[(x -x) 2 +(y -y) 2 +(z -z) 2 ] 1/ 2 +c(V -V )=d
1
11t1 t0 Nhomakorabea1
[(x 2 -x) 2 +(y 2 -y) 2 +(z 2 -z) 2 ] 1/ 2 +c(V t 2 -V t 0 )=d 2
转换成直角坐标的相对位置，送入控制回路。横向通道与此类似。
tmp =(xlat + lat)×0.0174532925×0.5
(1)
x =(111412.876×cos(tmp)－93.503×cos(3.0×tmp))×(lon－xlon) (2)
y = (111132.952－559.849×cos(2.0×tmp))×(lat－xlat)