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Δt 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Δt。

（1）3 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。

式中V为飞机的飞行速度，为空速和风速的合成速度;γ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