超小型无人机的GPS自主导航系统(一)

超小型无人机的GPS自主导航系统
摘要目前GPS导航系统应用越来越广泛，但大多数情况下GPS是作为
一种辅助系统进行导航的。本文从任务背景到方案设计比较详细的介绍j一种单
纯利用GPS导航的系统．分析j GPS导航系统中的一些技术难题和解决方案。并
提出了进一步改进的方向。
关键词GPS 无人机导航
1 引言
随着科技的发展，超小型无人机(指起飞重量在30kg以下的无人机)的任务载荷越来
越轻，如CCD摄像头重量只有5Oog以下，这使得超小型无人机的研究与应用$_ag~tg广
泛，市场需求也越来越大。在民用方面，它可以用于航空摄影、森林防火、高压巡线等工作，
在军用方面它可以完成无人侦察、电子干扰、靶机等任务 由于飞机必须在超视距范围内飞
行，所以必须为其加装一套自主导航系统。这种自主导航系统有以下几点要求：
1)导航范围：20km 以内；
2)重量：3Oog以下；
3)单电源且能耗小{
4)价格低廉。
由于以上几个方面的特殊要求，目前市场上尚无定型的货架产品，必须自己研制开发。
在导航系统的选择上，考虑到价格、精度、载重量等因素，最终选择了GPS全球定位卫星
导航系统。
GPS是一种借以空间卫星的无线电导航和定位系统，借助21颗(外加3颗备份)人造卫
星，能为世界上任何地方，包括陆地、空中、海上甚至外层空间的用户全天候、全时间、连
续地提供精确的三维位置、三维速度以及时间信息，可以对目标进行动态定位。
2 GPS自主导航系统的组成及原理
GPS自主导航系统主要由GPS定位系统和导航系统组成，其导航原理为：预先给飞机
输入待飞航线，在飞行过程中GPS定位系统给出飞机当前的位置和速度，再由导航系统计
算出飞机和理论航线的偏差，结合飞行速度计算出飞机的水平控制律，使飞机按预定航线
飞行。其原理图如图1所示。
图1 GPS自主导航系统原理图
3 GPS定位系统的实现
GPS定位的基本原理是：卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息．用户接收到
这些信息后．经过计算求出接收机的三维位置、-~TY向以及运动速度和时间消息。
一般情况下，GPS接收机接收到1颗卫星的信号，便能确定出时间；若接收到3颗卫星
信号，便能确定出准确的二维信息(经度和纬度)；而接收到4颗卫星的信号，便可实现三
维定位(经度、纬度和高度)。联立4个方程即可求出定位结果，卫星的坐标由卫星星历计算
出，在方程中为已知。
方程为；
一2 ) + ( 一 ，) -I-( l
一五)。+ ( 2一 ) + (z¨
如一 ) + ( 一 )。+ (
丑一L ) + ( 一 )。+ (z4
式中：R—— 伪距离(f一1，2，3，4)；
足一c’ —— (C=光速；f =信号从—个卫星到达接收机的时

间)；
， ， — — 卫星位置( = 1，2，3，4)；
， z —— 用户位置；
C —— 用户时钟偏差。
这样求出的位置坐标位于WGS-84坐标系中，既地心空间大地直角坐标系。在用于导航
系统之前，必须进行坐标转换。按照以下坐标转换公式将WGS-84坐标系转换为当地坐标
系。
[X I ] -一- si n ks in~ 5一- co s ,Xs：in O_s co s~9T X "J]一X o]
式中：( ，Y ， )为本地坐标系，(x，Y．z)为宇宙坐标系，(xD， ， )为当地参照宇宙坐
其中P。(X。，Y，．z1)、 (墨， ，z )为空间航路上两个转弯点，P。‘(X，．Y。．z。)’、
P ‘(X ，Y：， ) 为P。、 在XOY平面上的投影，这样平面导航就可以以投影航线为理