無人機導航技術的各自的優缺點

無人機導航技術的各自的優缺點

2015年07月10日 13:37作者：任瑞燕編輯：任瑞燕

　　無人機導航是按照要求的精度，沿著預定的航線在指定的時間內正確地引導無人機至目的地。要使無人機成功完成預定的航行任務，除了起始點和目標的位置之外，還必須知道無人機的實時位置、航行速度、航向等導航參數。目前在無人機上採用的導航技術主要包括慣性導航、衛星導航、都卜勒導航、地形輔助導航以及地磁導航等。這些導航技術都有各自的優缺點，因此，在無人機導航中，要根據無人機擔負的不同任務來選擇合適的導航技術至關重要。

　　單一導航技術

　　1 慣性導航

　　慣性導航是以牛頓力學定律為基礎，依靠安裝在載體(飛機、艦船、火箭等)內部的加速度計測量載體在三個軸向運動加速度，經積分運算得出載體的瞬時速度和位 置，以及測量載體姿態的一種導航方式。慣性導航系統通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加速度計和陀螺儀。三自由度陀螺儀用 來測量飛行器的三個轉動運動;三個加速度計用來測量飛行器的三個平移運動的加速度。

　　計算機根據測得的加速度信號計算出飛行器的速度和位置數據。控制顯示器顯示各種導航參數。慣性導航完全依靠機載設備自主完成導航任務，工作時不依賴外界信 息，也不向外界輻射能量，不易受到幹擾，不受氣象條件限制，是一種自主式的導航系統，具有完全自主、抗幹擾、隱蔽性好、全天候工作、輸出導航信息多、數據 更新率高等優點[2]。實際的慣性導航可以完成空間的三維導航或地面上的二維導航。

　　2 定位衛星導航

　　定位衛星導航是通過不斷對目標物體進行定位從而實現導航功能的。目前，全球範圍內有影響的衛星定位系統有美國的GPS，歐洲的伽利略，俄羅斯的格拉納斯[3]。這裡主要介紹現階段應用較為廣泛的GPS全球定位系統導航。

　　GPS全球定位系統導航的基本原理:當GPS衛星正常工作時，會不斷地用1和0二進位碼元組成的偽隨機碼(簡稱偽碼)發射導航電文。導航電文包括衛星星曆、工作 狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。當用戶接收到導航電文時，提取出衛星時間並將其與自己的時鐘做對比便可得知衛星與用戶的偽距R，再 利用導航電文中的衛星星曆數據推算出衛星發射電文時所處位置，由於用戶接收機使用的時鐘與衛星星載時鐘不可能總是同步，引進一個Δt即衛星與接收機之間的 時間差作為未知數。為了求出接收機的位置x、y、z，只要接收機測出四顆衛星的偽距，利用公式(1)便可得到四個方程，聯立起來便可求出四個未知數x、 y、z和Δt。

　　3 都卜勒導航

　　都卜勒導航是飛行器常用的一種自主式導航，都卜勒導航系統由磁羅盤或陀螺儀表、都卜勒雷達和導航計算機組成。它的工作原理是都卜勒效應，機上的都卜勒導航雷 達不斷向地面發射電磁波，因飛機與電磁波照射的地面之間存在相對運動，雷達接收到地面回波的頻率與發射電磁波的頻率ft相差一個都卜勒頻率fd。從而根據 公式(2)計算出無人機相對於地面的飛行速度(地速)，以及偏流角(即地速與無人機縱軸之間的夾角)。由於氣流的作用，偏流角的大小反映了地速、風速和空 速之間的關係。磁羅盤或陀螺儀可以測出無人機的航天向角，即無人機縱軸方向與正北方向之間的夾角。根據都卜勒雷達提供的地速和偏流角數據，以及磁羅盤或陀 螺儀表提供的航向數據，導航計算機就可以不斷地計算出無人機飛過的路線。

　　式中V為飛機的飛行速度，為空速和風速的合成速度;γ為速度V與雷達波束軸線之間的夾角。

　　4 地形輔助導航

　　地形輔助導航是指飛行器在飛行過程中，利用預先儲存的飛行路線中某些地區的特徵數據，與實際飛行過程中測量到的相關數據進行不斷比較來實施導航修正的一種方法。

　　地形輔助導航可分為地形匹配、景像匹配和桑地亞慣性地形輔助導航。

　　1)地形匹配

　　地 形匹配也稱為地形高度相關。其原理是:地球陸地表面上任何地點的地理坐標，都可以根據其周圍地域的等高線或地貌來單值確定。地形匹配是通過獲取沿途航線上 的地形地貌情報，並據此作出專門的數字地圖並存入計算機，當飛機飛越某塊已數位化的地形時，機載無線電高度表測出相對高度，氣壓/慣性綜合測絕對高度，兩 者相減即得地形標高。飛行一段時間後，即可得到真航跡的一串地形標高。將測得的數據與預先存儲的數字地圖進行相關分析，確定飛機航跡對應的網格位置。因為 事先確定了網格各點對應的經緯值，這樣便可以用數字地圖校正慣導。

　　2)影像匹配

　　又稱影像相關。與地形匹配的區別是，預先輸入到計算機的信息不知是高度參數，而是通過攝像等手段獲取的預定飛行路徑的景像信息，將這些景象數位化後儲存在機載的相關計算設備中，這些信息具有很好的可觀測性。

　　飛行中，通過機載的攝像設備獲取飛行路徑中的景象。然後利用機載數字景象匹配相關器將其所測與預存的景象進行相關比較以確定飛機的位置。

　　3)桑地亞慣性地形輔助導航

　　桑地亞慣性地形輔助導航採用了推廣的遞推卡爾曼濾波算法，具有更好的實時性。其原理是:根據慣導系統輸出的位置在數字地圖上找到地形高程。而慣導系統輸出的 絕對高度與地形高程之差為飛行器相對高度的估計值。它與無線電高度表實測相對高度之差就是卡爾曼濾波的測量值。地形的非線性導致了測量方程的非線性。採用 地形隨機線性化算法可以實時獲得地形斜率，得到線性化的測量方程，結合慣導系統的誤差狀態方程，經遞推卡爾曼濾波算法可得到導航誤差狀態的最佳估計。利用 輸出校正可修正慣導系統的導航誤差，從而獲得最佳導航狀態。

　　5 地磁導航

　　地磁場為矢量場，在地球近地空間內任意一點的地磁矢量都不同於其它地點的矢量，且與該地點的經緯度存在一一對應的關係。因此，理論上只要確定該點的地磁場矢量即可實現全球定位。

　　按照地磁數據處理方式的不同，地磁導航分為地磁匹配與地磁濾波兩種方式。目前地磁匹配在導航應用研究中更為廣泛，它是把預先規劃好的航跡某段區域某些點的地 磁場特徵量繪製成參考圖(或稱基準圖)存貯在載體計算機中，當載體飛越這些地區時，由地磁匹配測量儀器實時測量出飛越這些點地磁場特徵量，以構成實時圖。 在載體上的計算機中，對實時圖與參考圖進行相關匹配，計算出載體的實時坐標位置，供導航計算機解算導航信息。

　　地磁匹配類似地形匹配系統，區別在於地磁匹配可有多個特徵量。

　　單一導航技術優缺點分析

　　1)慣性導航。優點是不依賴外界任何信息實現完全自主的導航，隱蔽性好，不受外界幹擾，不受地形影響，能夠全天候工作。缺點是定位誤差是隨時間積累的累積誤差，精度受到慣導系統的影響。

　　2)GPS導航。優點是全球性、全天候、連續精密導航與定位能力，實時性較出色。缺點是易受電磁幹擾;GPS系統接收機的工作受飛行器機動的影響，比如GPS的信號更新頻率一般在1 Hz～2 Hz，如果飛行器需要快速更新導航信息，單獨搭載GPS系統就不能滿足飛行器更新信息的需要。

　　3)都卜勒導航。優點是自主性好，反應快，抗幹擾性強，測速精度高，能用於各種氣候條件和地形條件。缺點是工作時必須發射電波，因此其隱蔽性不好;系統工作受地形影響，性能與反射面的形狀有關，如在水平面或沙漠上空工作時，由於反射性不好就會降低性能;精度受天線姿態的影響;測量有積累誤差，系統會隨飛行距離的增加而使誤差增大。

　　4)地形輔助導航。優點是沒有累積誤差，隱蔽性好，抗幹擾性能較強。缺點是計算量較大，實時性受到制約;工作性能受地形影響，適合起伏變化大的地形，不適宜於在平原或者海面使用;同時還受天氣影響，在大霧和多雲等天氣條件下導航效果不佳;要求飛行器按照規定的路線飛行，不利於飛行器的機動性。

　　5)地磁導航。地磁導航具有無源、無輻射、隱蔽性強，不受敵方幹擾、全天時、全天候、全地域、能耗低的優良特徵，導航不存在誤差積累，在跨海制導方面有一定的優勢。缺點是地磁匹配需要存儲大量的地磁數據;實時性與計算機處理數據的能力有關。

　　組合導航

　　組合導航是指把兩種或兩種以上的導航系統以適當的方式組合在一起，利用其性能上的互補特性，可以獲得比單獨使用任一系統時更高的導航性能。 除了可以將以上介紹的導航技術進行組合之外，還可以應用一些相關技術提高精度，比如大氣數據系統、航跡推算技術等。

　　1)INS/GPS組合導航系統

　　組合的優點表現在:對慣導系統可以實現慣性傳感器的校準、慣導系統的空中對準、慣導系統高度通道的穩定等，從而可以有效地提高慣導系統的性能和精度;對GPS系統來說，慣導系統的輔助可以提高其跟蹤衛星的能力，提高接收機動態特性和抗幹擾性。另外，INS/GPS綜合還可以實現GPS完整性的檢測，從而提高可靠性。另外，INS/GPS組合可以實現一體化，把GPS接收機放入慣導部件中，以進一步減少系統的體積、質量和成本，便於實現慣導和GPS同步，減小非同步誤差。INS/GPS組合導航系統是目前多數無人飛行器所採用的主流自主導航技術[7-8]。美國的全球鷹和捕食者無人機都是採用這種組合導航方式。

　　2)慣導/都卜勒組合導航系統

　　這種組合方式既解決了都卜勒導航受到地形因素的影響，又可以解決慣導自身的累積誤差，同時在隱蔽性上二者實現了較好的互補。

　　3)慣導/地磁組合導航系統

　　利用地磁匹配技術的長期穩定性彌補慣系統誤差隨時間累積的缺點，利用慣導系統的短期高精度彌補地磁匹配系統易受幹擾等不足，則可實現慣性/地磁導航，具備自主性強、隱蔽性好、成本低、可用範圍廣等優點，是當前導航研究領域的一個熱點。

　　4)慣導/地形匹配組合導航系統

　　由於地形匹配定位的精度很高，因此可以利用這種精確的位置信息來消除慣性導航系統長時間工作的累計誤差，提高慣性導航系統的定位精度。由於地形匹配輔助導航系統具有自主性和高精度的突出優點，將其應用於裝載有多種圖像傳感器的無人機導航系統，構成慣性/地形匹配組合導航系統，將是地形匹配輔助導航技術發展和應用的未來趨勢。

　　5)GPS/航跡推算組合導航系統

　　航跡推算的基本原理:在GPS失效情況下，依據大氣數據計算機測得的空速、磁航向測得的真北航向以及當地風速風向，推算出地速及航跡角。當GPS定位信號中斷或質量較差時，由航跡推算系統確定無人機的位置和速度;當GPS定位信號質量較好時，利用GPS高精度的定位信息對航跡推算系統進行校正，從而構成了高精度、高可靠性的無人機導航定位系統，在以較高質量保證了飛行安全和品質的同時，有效降低了系統的成本，使無人機擺脫對雷達、測控站等地面系統的依賴。

　　無人機導航技術發展趨勢

　　1)研製新型慣導系統，提高組合導航系統精度 新型慣導系統目前已經研製出光纖慣導、雷射慣導、微固態慣性儀表等多種方式的慣導系統。隨著現代微機電系統的飛速發展，矽微陀螺和矽加速度計的研製進展迅速，其成本低、功耗低、體積小及質量輕的特點很適於戰術應用。隨著先進的精密加工工藝的提升和關鍵理論、技術的突破，會有多種類型的高精度慣導裝置出現，組合制導的精度也會隨之提高。

　　2)增加組合因子，提高導航穩定性能 未來無人機導航將對組合導航的穩定性和可靠性提出更高的要求，組合導航因子將會有足夠的冗餘，不再依賴於組合導航系統中的某一項或者某幾項技術，當其中的一項或者幾項因子因為突發狀況不能正常工作時，不會影響到無人機的正常導航需求。

　　3)研發數據融合新技術，進一步提高組合導航系統性能 組合導航系統的關鍵器件是卡爾曼濾波器，它是各導航系統之間的接口，並進行著數據融合處理。目前研究人員正在研究新的數據融合技術，例如採用自適應濾波技術，在進行濾波的同時，利用觀測數據帶來的信息，不斷地在線估計和修正模型參數、噪聲統計特性和狀態增益矩陣，以提高濾波精度，從而得到對象狀態的最優估計值。 此外，如何將神經網絡人工智慧、小波變換等各種信息處理方法引入以組合制導為核心的信息融合技術中正在引起人們的高度重視，這些新技術一旦研製成功，必將進一步提高組合制導的綜合性能。