无人机导航技术
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KN4072实物图
27
总体方案特点分析
1. INS/GPS组合系统作为主要导航系统 2. SINS/GPS/ADS的组合导航系统结构
大气数据系统(ADS)是一种自主、无源工作的系统，可靠性较高， 而且不受高度、地形等因素的影响，在高空长航时无人机的全程 都可以使用，因此，是一种较为理想的信息源。 增强导航系统的容错性和可靠性。
卫星导 航
辅助导 航设备
惯性/卫星定位组合是一种比较理想的组合导航 系统。在无人机导航领域，多年来惯性/卫星定位组 合导航系统的研究一直受到普遍的关注，大量的理 论研究成果得到实际应用。
4
Ⅱ.常见的几类导航系统
1. 单一导航
a) b) 卫星导航系统 惯性导航系统(INS) d ) 多普勒导航 e ) 图形匹配导航系统
分类：
a.
地磁匹配（研究中更为广泛）
b. 地形滤波
18
地磁导航特点
A. 优点：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。
B. 缺点：
a. 地磁匹配需要存储大量的地磁数据；
b. 实时性与计算机处理数据的能力有关
行组合，更多的是和图形/惯性组合。
图形匹配导航可分为地形匹配导航和景像匹配导航两种。
16
图形匹配导航优缺点
A. 优点：没有累积误差，隐蔽性好，抗干扰性能较强。
B. 缺点：
a. 实时性受到制约；
b. 工作性能受地形影响； c. 受天气影响； d. 飞行器的机动性。
17
地磁导航
基本原理： 地磁场是矢量场，在地球近地空间内任意一点的地磁矢量与其它地 点的地磁矢量是不同的，且与该地点的经纬度是一一对应的。因此，理 论上只要知道该点的地磁场矢量就可实现全球定位。
地磁导航系统目前尚未成功应用于无人机（2015.6）
19
天文导航
天文导航是根据天体来测定飞行器位置和航向的导航技术。 天体坐标位置 天体运动规律 地平信息 特点：1）应用范围广（海陆空均可） 2） 可靠性高、自主性强、隐蔽性好
构成
飞机高度角
几何算法
飞机位置
20
天文导航自动化设备的一般构成
21
组合导航
23
Ⅲ. 全球鹰无人机导航系统分析
X-47B
HTV-2
法 国 神 经 元
雷神
24
导航系统的性能要求分析
精确
• • 全球鹰无人机的定位精度可达10 m内； 姿态角精度20″，姿态角分辨率优于1″；
•
•
航向角精度1′；
航向角分辨率优于1′。
可靠
• 要求其具有极高的可靠性和自主性,可以在不同条件下调整导航系统以保证导航精
29
Ⅳ. 无人机导航技术的发展趋势
1. 2. 3. 4. 应用新型惯导系统，提高导航精度； 新型导航技术的不断发展，为无人机导航提供更多选择； 增加导航组合因子，提高导航健壮性； 面对不确知环境，具备智能性、自适应性的导航能力。
30
31
机载软件
大气数据系统 IMMC 信息融合算法 故障检测隔离算法 „„
全球鹰无人机整体导航示意图
26
2. 传感器配置特点
1）使用激光捷联惯导系统作为惯性导航系统 优点：
准备时间短 角速度测量范围宽、线性度好 可靠性好，价格较便宜
2）INS/GPS采用一体化设计(KN4072)
3）开放式的传感器管理(IMMC)
14
多普勒导航特点
A. 优点： 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。
B. 缺点： a. 隐蔽性不好;
b.
c.
系统工作受地形影响；
测量有积累误差。
15
图形匹配导航系统（地形辅助导航）
预先将无人机经过的地域，通过大地测量、航空摄影或已有的地形图 等方法将地形数据（主要是地形位置和高度数据）制成数字化地图， 存贮在机载计算机中，当飞机飞越上述区域时，其上的探测设备再次 对该区域进行测量并与预先存储的原图进行比较，确定实际位置和位 置偏差，从而实现对无人机的导航。 单纯的图形匹配导航不能提供地理坐标位置，必须和其他导航方式进
c.
d. e.
不受外界干扰；
不受地形影响； 能够全天候工作。
B.
缺点：
系统精度取决于单个传感器精度，实际空间位置的漂移是不可避免
的，并随时间累积。
13
多普勒导航
多普勒导航系统是利用多普勒 效应实现的，该系统由磁罗盘或陀 螺仪表、多普勒雷达和导航计算机 组成。
磁罗盘或陀螺仪表的作用类似
于指北针，可测出无人机的航向角。 多普勒雷达不断地沿着某方向 向地面发出无线电波，利用无人机 和地面有相对运动产生多普勒效应， 测出雷达发射的电磁波和接收到的 回波的频率变化，从而计算出无人 机相对于地面的飞行速度，速度的 方向就是该点航线的方向。
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
用一些相关技术提高精度，比如大气数据系统、航迹推算
技术等。
22
INS / GPS 组合导航系统
组合导航常以 INS 作为主导航系统，而将其他导航定位误差不随时 间积累的导航系统，如无线电导航、天文导航、地形匹配导航和卫星 导航等系统作为辅助导航系统。 GPS 的低动态、窄带宽、高精度 “黄金组合” INS的高动态、宽频带、误差慢漂移特性 典型应用案例： 全球鹰、捕食者
8
GPS导航原理
9
惯性导航系统
A. B. C. 分类：平台式惯导系统 & 捷联惯导系统 包含模块：计算机、加速度计、陀螺仪或其他运动传感器的平台 工作原理：
加速度
位置变化
速度变化
角速度
姿态变化
实现定位导航
初始条件
10
平台式惯导系统
11
捷联惯导原理图
12
惯导系统的特点 A. 优点：
a. b. 不依赖外界任何信息实现完全自主的导航； 隐蔽性好；
度满足要求； • 尽可能保持静默，以使自己被发现、被攻击的可能性最小。
长航时
• • 高空长航时无人机要飞行数十小时，这就需要导航系统的高度稳定； 一些可用于短程无人机的缓慢发散的导航方法并不适合高空长航时无人机。
25
导航系统总体方案分析
KN4072 INS/GPS导航系统 设备硬件
1.导航系统组成
c)
无线电跟踪系统
f ) 地磁导航
g) 天文导航
5
2. 组合导航
a) b) INS / GPS 组合导航系统 惯导 / 多普勒组合导航系统
c)
d) e)
惯导 / 地磁组合导航系统
惯导 / 地形匹配组合导航系统 GPS / 航迹推算组合导航系统
6
卫星导航系统
全球范围内有影响的卫星定位系统:
7
卫星导航系统（以GPS为例）
ห้องสมุดไป่ตู้
28
全球鹰无人机侦察范围能够覆盖74 000 km2。超强的续航能力和侦 察能力使得全球鹰无人机可以在全球范围内执行多种任务。全球鹰无人 机载有的侦察任务设备包括红外光电系统,合成孔径雷达，可执行的侦 察任务包括长时间隐蔽在任务区域高空侦察敌方重要军事目标，如机动 导弹发射架，或动态监视敌军行动，并实时通过卫星与地面指挥中心联 系，为前线作战提供最新信息。
无 人 机 导 航 技 术
1
重要性
必要条件
对于操作者…
对于无人机自身…
2
目 录
I. 无人机导航技术发展现状
II. 常见的几类导航系统
III. 全球鹰无人机导航系统分析 IV. 无人机导航技术的发展趋势
3
I. 无人机导航技术发展现状
组合 导航
捷联惯 导系统 惯性 （SINS） 导航
主要导 航系统
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总体方案特点分析
1. INS/GPS组合系统作为主要导航系统 2. SINS/GPS/ADS的组合导航系统结构
大气数据系统(ADS)是一种自主、无源工作的系统，可靠性较高， 而且不受高度、地形等因素的影响，在高空长航时无人机的全程 都可以使用，因此，是一种较为理想的信息源。 增强导航系统的容错性和可靠性。
卫星导 航
辅助导 航设备
惯性/卫星定位组合是一种比较理想的组合导航 系统。在无人机导航领域，多年来惯性/卫星定位组 合导航系统的研究一直受到普遍的关注，大量的理 论研究成果得到实际应用。
4
Ⅱ.常见的几类导航系统
1. 单一导航
a) b) 卫星导航系统 惯性导航系统(INS) d ) 多普勒导航 e ) 图形匹配导航系统
分类：
a.
地磁匹配（研究中更为广泛）
b. 地形滤波
18
地磁导航特点
A. 优点：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。
B. 缺点：
a. 地磁匹配需要存储大量的地磁数据；
b. 实时性与计算机处理数据的能力有关
行组合，更多的是和图形/惯性组合。
图形匹配导航可分为地形匹配导航和景像匹配导航两种。
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图形匹配导航优缺点
A. 优点：没有累积误差，隐蔽性好，抗干扰性能较强。
B. 缺点：
a. 实时性受到制约；
b. 工作性能受地形影响； c. 受天气影响； d. 飞行器的机动性。
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地磁导航
基本原理： 地磁场是矢量场，在地球近地空间内任意一点的地磁矢量与其它地 点的地磁矢量是不同的，且与该地点的经纬度是一一对应的。因此，理 论上只要知道该点的地磁场矢量就可实现全球定位。
地磁导航系统目前尚未成功应用于无人机（2015.6）
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天文导航
天文导航是根据天体来测定飞行器位置和航向的导航技术。 天体坐标位置 天体运动规律 地平信息 特点：1）应用范围广（海陆空均可） 2） 可靠性高、自主性强、隐蔽性好
构成
飞机高度角
几何算法
飞机位置
20
天文导航自动化设备的一般构成
21
组合导航
23
Ⅲ. 全球鹰无人机导航系统分析
X-47B
HTV-2
法 国 神 经 元
雷神
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导航系统的性能要求分析
精确
• • 全球鹰无人机的定位精度可达10 m内； 姿态角精度20″，姿态角分辨率优于1″；
•
•
航向角精度1′；
航向角分辨率优于1′。
可靠
• 要求其具有极高的可靠性和自主性,可以在不同条件下调整导航系统以保证导航精
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Ⅳ. 无人机导航技术的发展趋势
1. 2. 3. 4. 应用新型惯导系统，提高导航精度； 新型导航技术的不断发展，为无人机导航提供更多选择； 增加导航组合因子，提高导航健壮性； 面对不确知环境，具备智能性、自适应性的导航能力。
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31
机载软件
大气数据系统 IMMC 信息融合算法 故障检测隔离算法 „„
全球鹰无人机整体导航示意图
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2. 传感器配置特点
1）使用激光捷联惯导系统作为惯性导航系统 优点：
准备时间短 角速度测量范围宽、线性度好 可靠性好，价格较便宜
2）INS/GPS采用一体化设计(KN4072)
3）开放式的传感器管理(IMMC)
14
多普勒导航特点
A. 优点： 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。
B. 缺点： a. 隐蔽性不好;
b.
c.
系统工作受地形影响；
测量有积累误差。
15
图形匹配导航系统（地形辅助导航）
预先将无人机经过的地域，通过大地测量、航空摄影或已有的地形图 等方法将地形数据（主要是地形位置和高度数据）制成数字化地图， 存贮在机载计算机中，当飞机飞越上述区域时，其上的探测设备再次 对该区域进行测量并与预先存储的原图进行比较，确定实际位置和位 置偏差，从而实现对无人机的导航。 单纯的图形匹配导航不能提供地理坐标位置，必须和其他导航方式进
c.
d. e.
不受外界干扰；
不受地形影响； 能够全天候工作。
B.
缺点：
系统精度取决于单个传感器精度，实际空间位置的漂移是不可避免
的，并随时间累积。
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多普勒导航
多普勒导航系统是利用多普勒 效应实现的，该系统由磁罗盘或陀 螺仪表、多普勒雷达和导航计算机 组成。
磁罗盘或陀螺仪表的作用类似
于指北针，可测出无人机的航向角。 多普勒雷达不断地沿着某方向 向地面发出无线电波，利用无人机 和地面有相对运动产生多普勒效应， 测出雷达发射的电磁波和接收到的 回波的频率变化，从而计算出无人 机相对于地面的飞行速度，速度的 方向就是该点航线的方向。
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
用一些相关技术提高精度，比如大气数据系统、航迹推算
技术等。
22
INS / GPS 组合导航系统
组合导航常以 INS 作为主导航系统，而将其他导航定位误差不随时 间积累的导航系统，如无线电导航、天文导航、地形匹配导航和卫星 导航等系统作为辅助导航系统。 GPS 的低动态、窄带宽、高精度 “黄金组合” INS的高动态、宽频带、误差慢漂移特性 典型应用案例： 全球鹰、捕食者
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GPS导航原理
9
惯性导航系统
A. B. C. 分类：平台式惯导系统 & 捷联惯导系统 包含模块：计算机、加速度计、陀螺仪或其他运动传感器的平台 工作原理：
加速度
位置变化
速度变化
角速度
姿态变化
实现定位导航
初始条件
10
平台式惯导系统
11
捷联惯导原理图
12
惯导系统的特点 A. 优点：
a. b. 不依赖外界任何信息实现完全自主的导航； 隐蔽性好；
度满足要求； • 尽可能保持静默，以使自己被发现、被攻击的可能性最小。
长航时
• • 高空长航时无人机要飞行数十小时，这就需要导航系统的高度稳定； 一些可用于短程无人机的缓慢发散的导航方法并不适合高空长航时无人机。
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导航系统总体方案分析
KN4072 INS/GPS导航系统 设备硬件
1.导航系统组成
c)
无线电跟踪系统
f ) 地磁导航
g) 天文导航
5
2. 组合导航
a) b) INS / GPS 组合导航系统 惯导 / 多普勒组合导航系统
c)
d) e)
惯导 / 地磁组合导航系统
惯导 / 地形匹配组合导航系统 GPS / 航迹推算组合导航系统
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卫星导航系统
全球范围内有影响的卫星定位系统:
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卫星导航系统（以GPS为例）
ห้องสมุดไป่ตู้
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全球鹰无人机侦察范围能够覆盖74 000 km2。超强的续航能力和侦 察能力使得全球鹰无人机可以在全球范围内执行多种任务。全球鹰无人 机载有的侦察任务设备包括红外光电系统,合成孔径雷达，可执行的侦 察任务包括长时间隐蔽在任务区域高空侦察敌方重要军事目标，如机动 导弹发射架，或动态监视敌军行动，并实时通过卫星与地面指挥中心联 系，为前线作战提供最新信息。
无 人 机 导 航 技 术
1
重要性
必要条件
对于操作者…
对于无人机自身…
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目 录
I. 无人机导航技术发展现状
II. 常见的几类导航系统
III. 全球鹰无人机导航系统分析 IV. 无人机导航技术的发展趋势
3
I. 无人机导航技术发展现状
组合 导航
捷联惯 导系统 惯性 （SINS） 导航
主要导 航系统