北鬥衛星導航系統在無人機上的應用

資料來源：《北鬥導航系統在無人機上的應用》、《一種基於北鬥定位的無人機高樓室內救火系統設計》、《運用北鬥衛星導航系統的植保無人機發展現狀研究》

背景

中國北鬥衛星導航系統（英文名稱：BeiDou Navigation Satellite System，簡稱BDS）是中國自行研製的全球衛星導航系統，也是繼GPS、GLONASS之後的第三個成熟的衛星導航系統。北鬥衛星導航系統（BDS）和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。

北鬥衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球範圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、、服務，並具短報文通信能力，已經初步具備區域導航、定位和授時能力，為分米、釐米級別，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。

2020年6月23日，北鬥三號最後一顆全球組網衛星在西昌衛星發射中心點火升空。

無人機+北鬥的特點

對於無人機來講，定位以及相應的應急通信是非常關鍵的技術，利用北鬥對於導航定位來講，可以極大地提高精度，同時利用北鬥系統也能夠為無人機應用通信提供更為廣泛的覆蓋範圍以及更強的可靠性。

1、提供實時精確位置信息並進行導航定位。可以利用北鬥地基增強系統，為無人機提供實時的釐米級位置信息並進行導航定位。為無人機提供位置信息是北鬥的首要任務，基於北鬥的地基增強系統的精準定位功能和數位化地圖庫配合可在電子地圖上標註出無人機的實時位置和相應時間。

2、顯著提高無人機導航的可靠性。兼容北鬥的多模衛星導航系統能夠顯著提高無人機導航的可靠性，因為利用北鬥GPS等多模衛星導航晶片和模組，能夠同時搜尋並利用多顆導航衛星的信號，使得在視衛星數量從單一GPS系統的10顆左右提升到20餘顆，極大的提高了衛星導航定位的可靠性。實驗中發現 在某些原來GPS信號較差的區域，北鬥無人機能能保持良好的衛星定位效果。

3、利用北鬥短報文功能增強無人機處理突發事件能力。若無人機出現意外，需要緊急迫降來搜尋無人機時，這時候搜尋比較困難，所以利用北鬥系統以後可以設置一些專用指令，使得無人機出現故障的時候，即使在沒有移動通信信號的區域，也可以通過北鬥短報文進行搜救和維修。

4、加強人機信息交流。利用北鬥導航，可加強地面人員設備與無人機的信息交流，提高對無人機的測控能力。地面站可通過北鬥衛星向無人機發送遙控指令，當無人機飛出地面測控範圍內，北鬥可作為備用測控通信技術。

無人機+北鬥的優勢

北鬥加無人機的應用系統由遠程終端控制系統、無人機移動定位接受系統兩部分組成，通過實時獲取北鬥衛星信號和RTK差分定位信息，為無人機飛行作業提供高精準定位支持，並支持接入CORS系統，來獲取更為可靠的定位精度。同時這一系統還可以為無人機制定飛行作業方案，為飛機規劃飛行路線，提高自動化作業能力，有效提高作業效率。

還有一個顯著優勢就是短報文功能，因為在電力巡線、油氣管道巡檢等領域中，無人機系統遇到一個突出問題就是山區地形遮擋造成的視距測控數據鏈經常性中斷，因此可以採取北鬥系統雙向通信功能，比如在無人機上配備北鬥收發系統，能夠利用非常小的代價實現無人機在複雜地形條件下的可靠測控，同時無人機系統還可以利用北鬥終端進行應急搜救，比如說森林防火應用中還可以將無人機系統與北鬥森林火情檢測系統結合，快速將火場坐標、態勢等信息通過北鬥終端發往前線滅火部隊及後臺指揮部。

總結一下，北鬥加無人機系統應用優勢可以分為五個部分，首先是定位精度高，基於北鬥高精度GNSS接收機及天線，支持北鬥、GPS、GLONASS三系統定位。第二是作業標準高。第三是作業範圍廣。第四是控制自動化。第五是應用性通信，利用北鬥短報文通信，可以擴展無人機的應急通信功能。

無人機+北鬥行業應用

行業應用可以說是無人機技術發揮其最大價值的鍵點。對於無人機來講，不管是消費級的應用還是專業級應用，當他們與具體的行業結合在一起的時候，就出現更為廣闊的應用領域以及更加深入的應用範圍。比如說在農業植保的應用，可以非常方便的設置作業軌跡，進行自動飛行控制作業，提高作業精度和效率。因為在2013年農業部出臺了關於加快推進現代植物保護體系建設的意見，鼓勵有條件地區發展無人機防治病蟲害的功能，所以可以預計在今後的三到五年之內，無人機的農業植保市場會迎來一個非常成熟的政策環境。

北鬥衛星導航系統與航空農業結合是農業機械化的發展和延伸，北鬥系統在農業機械的應用對農業實現精細化耕作管理意義重大，可以減輕勞動強度，降低人工成本，提高農田作業精度，提高作業效率，同時還可以提高農產品品質。北鬥衛星導航系統還通過 生成圖像，並利用圖像數據結合圖像處理技術得出農 田的總括信息，土壤的物理指標和化學成分，優化種植方案，計算出所需的種子肥料農藥的具體數量。北鬥衛星導航系統應用在農業氣象監測提高天氣預警業務水平，優化最佳栽種時間，避免遲誤農時影響產值。北鬥衛星導航系統在精細化農業中的應用如圖1所示。

圖1 北鬥衛星導航系統在精細化農業中的應用

圖2 國內植保無人機發展路線圖

在無人機航攝方面，利用北鬥導航系統可以在衛星導航系統容易遮擋的情況下，同樣可以提供比較可靠同時精度比較高的效果。在電力領域尤其是巡線領域，北鬥無人機也應用的範圍比較廣泛。100千米的巡線工作需要20個人員工作一天才能完成，而一架無人機只需要工作三到四個小時，並且無須考慮惡劣環境的影響。

石油石化方面也需要對管線進行相應巡檢。據統 計，2013年我國油氣管道總長達10萬公裡，隨著2014年中俄4000億天然氣供貨合同的籤訂，我國油氣管道長度未來得到可持續發展。森林火災也是無人機應用的重要領域，因為利用無人機系統可以將火場坐標和態勢快速的通過北鬥終端發送到滅火部隊以及後方的指揮部。不僅僅是森林火災，比如山林搜救、消防搶險、火災水災都是需要通信信息來提供相應的保障。

在警用方面，無人機也是有廣泛的應用，比如說交警方面，交通路況檢測等等都是需要無人機大幅度提高交通警察的效率。在特警應用上，尤其是反恐行動也發揮著巨大作用。警用無人機一般是三個方面，一種是微型多旋翼無人機，還有武器發射警用無人機，長航時無人機。

在無人機滅火方面有有應用。基於北鬥定位的無人機高樓室內救火系統。致力於在最大程度上保證消防員的人身安全的系統。本系統使用小型四旋翼無人機來代替傳統的滅火支援人員，採用WiFi 線通信模塊將火災發生的地點發送給無人機，充分利用北鬥衛星精準迅速的定位優勢使用北鬥定位模塊來實現火災發生地點的精準定位；通過火焰檢測模塊精準確定火源位置，並投放滅火彈快速的進行滅火；該高樓室內救火無人機搭載的滅火設備由繼電器、乾粉以及容器組成，具有輕便、小巧、高效易搭載的優點。當系統檢測到火源時，單片 機會控制繼電器打開，通過容器噴灑乾粉進行滅火。從而形成一定範圍內無氧環境，從而達到高效滅火的目的。系統滅火彈如圖3所示。 與此同時，救火無人機身上裝載著生命檢測儀，通過北鬥衛星的精準定位後，無人機能夠自主感知和獲取到被困人員的詳細位置，並將繩索、溼手帕和燒傷藥品等輕型物資投 送到指定地點，被困人員可以運用物資來進行自救並尋找機會迅速逃離現場。

圖3 滅火彈和救火無人機

系統最終實現的主要功能如下：

（1）無線通訊傳輸功能，採用無線網絡將火災發生地點信息傳送給無人機；

（2）救援地點定位功能，無人機接收到信息後，通過北鬥定位搜索，確定火災發生地點的經緯度；

（3）安全高效的救援功能，通過火焰檢測模塊精準確定火源位置，快速進行滅火；

（4）無人機搜救功能，無人機上搭載人體紅外傳感器，經過北鬥衛星的精準定位，可以在最短時間內找到被困人員並投放物資；

（5）緊急救援功能，在消防人員無法進入的環境下； 無人機通過北鬥衛星的精準定位可以將繩索、溼手帕和燒傷 藥品等輕型物資迅速投送到被困人員藏身的地點，從而使被 困人員的生存機率大大增加並可以尋找機會快速逃離現場。

（6）電量檢測功能，電能計量模塊對無人機的電量進 行實時監測，防止救援過程中出現意外情況。

隨著國家北鬥衛星導航系統的不斷完善，尤其是今年6月12日第23顆北鬥導航衛星成功發射，加上北鬥衛星導航系統白皮書的正式發布，北鬥在無人機的應用面將越來越廣泛。