无人机导航技术

1、12 必要条件必要条件 对于操作者对于操作者 对于无人机自身对于无人机自身I.无人机导航技术发展现状无人机导航技术发展现状II.常见的几类导航系统常见的几类导航系统III. 全球鹰无人机导航系统分析全球鹰无人机导航系统分析IV. 无人机导航无人机导航技术技术的发展的发展趋势趋势3惯性导航捷联惯导系统（SINS）主要导航系统卫星导航辅助导航设备4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。1.单一导航a)卫星导航系统卫星导航系统 d ) 多普勒导航多普勒导航b)惯性导航系统惯性导航系统

2、(INS) e ) 图形匹配导航系统图形匹配导航系统c)无线电跟踪系统 f ) 地磁导航g) 天文导航天文导航52. 组合导航a)INS / GPS 组合导航系统b)惯导惯导 / 多普勒组合导航系统c)惯导惯导 / 地磁组合导航系统d)惯导惯导 / 地形匹配组合导航系统e)GPS / 航迹推算组合导航系统 6全球范围内有影响全球范围内有影响的卫星定位系统的卫星定位系统: 78GPS导航原理导航原理910A.A.分类：平台式惯导系统分类：平台式惯导系统 & & 捷联惯导系统捷联惯导系统B.B.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包含模块：计算机、加速度计、陀螺仪或其他运动传感

3、器的平台C.C.工作原理：工作原理： 加速度加速度 位置变化位置变化 速度变化速度变化 角速度角速度 姿态变化姿态变化 实现定位导航实现定位导航 初始条件初始条件11平台式惯导系统平台式惯导系统捷联惯导原理图捷联惯导原理图12惯导系统的特点惯导系统的特点A.A. 优点：优点：a.a.不依赖外界任何信息不依赖外界任何信息实现完全实现完全自主的自主的导航；导航；b.b.隐蔽性好；隐蔽性好；c.c.不不受外界受外界干扰；干扰；d.d.不受地形影响；不受地形影响；e.e.能够能够全天候工作全天候工作。B. B. 缺点缺点：系统精度取决于单个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传感

4、器精度，实际空间位置的漂移是不可避免的，并随时的，并随时间间累积。累积。1314多普勒导航系统是多普勒导航系统是利用利用多普勒多普勒效应效应实现实现的，该系统由的，该系统由磁罗盘或陀磁罗盘或陀螺仪表螺仪表、多普勒雷达多普勒雷达和和导航导航计算机计算机组成。组成。磁磁罗盘或陀螺仪表的作用类似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。于指北针，可测出无人机的航向角。多普勒雷达多普勒雷达不断地沿着某方向不断地沿着某方向向地面发出无线电波，利用无人机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，和地面有相对运动产生多普勒效应，测出雷达测出雷达发射发射的电磁波和接收到的的电

5、磁波和接收到的回波的回波的频率变化频率变化，从而计算出无人，从而计算出无人机相对于地面的飞行速度，速度的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。方向就是该点航线的方向。多普勒导航特点多普勒导航特点A.优点：优点：自主性自主性好，反应快，好，反应快，抗干扰性抗干扰性强，测速精度高，能用于各种气候强，测速精度高，能用于各种气候条条件。件。B.缺点：缺点：a.隐蔽性隐蔽性不好不好; b.系统系统工作受地形工作受地形影响；影响；c.测量测量有有积累误差。积累误差。15（地形辅助导航）（地形辅助导航） 预先将无人机经过的地域，通过大地测量、预先将无人机经过的地域，通过大地测量、航空摄影航空

6、摄影或已有的地形图或已有的地形图等方法将地形等方法将地形数据（主要数据（主要是是地形地形位置和高度位置和高度数据）制成数据）制成数字化地图，数字化地图，存贮在存贮在机载计算机机载计算机中，当飞机飞越上述区域时，其上的探测中，当飞机飞越上述区域时，其上的探测设备再次设备再次对该区域进行测量并与预先存储的原图进行对该区域进行测量并与预先存储的原图进行比较比较，确定实际位置和位，确定实际位置和位置偏差，从而实现对无人机置偏差，从而实现对无人机的导航。的导航。 单纯单纯的图形匹配导航不能提供地理坐标的图形匹配导航不能提供地理坐标位置位置，必须和其他导航方式进，必须和其他导航方式进行组合，更多的是和行组

7、合，更多的是和图形图形/惯性组合惯性组合。 图形图形匹配导航可分为地形匹配匹配导航可分为地形匹配导航和导航和景像匹配导航两种景像匹配导航两种。16图形匹配导航优缺点图形匹配导航优缺点A.A. 优点：没有优点：没有累积误差，累积误差，隐蔽性隐蔽性好，抗干扰性能较强好，抗干扰性能较强。B.B. 缺点：缺点：a.a. 实时性实时性受到受到制约；制约；b.b. 工作工作性能受地形性能受地形影响；影响； c.c. 受受天气天气影响；影响；d.d. 飞行器飞行器的机动性。的机动性。17基本原理：基本原理：地磁场地磁场是矢量场，在地球近地空间内任意是矢量场，在地球近地空间内任意一点的一点的地磁矢量与其它地地

8、磁矢量与其它地点的地磁矢量是不同的，且点的地磁矢量是不同的，且与该与该地点的经纬度是一一对应的。因此，理地点的经纬度是一一对应的。因此，理论上论上只要知道只要知道该点的地磁场矢量就可实现全球该点的地磁场矢量就可实现全球定位。定位。分类：分类：a.地磁匹配（研究中更为广泛）地磁匹配（研究中更为广泛）b.地形滤波地形滤波18地磁导航特点地磁导航特点A.A. 优点：无源优点：无源、无辐射、无辐射、隐蔽性隐蔽性强，不受敌方干扰、全天时、全天候、强，不受敌方干扰、全天时、全天候、全地域全地域、能耗、能耗低的优良特征，导航不存在误差积累，在跨低的优良特征，导航不存在误差积累，在跨海制导海制导方方面有一定的

9、优势面有一定的优势。B.B. 缺点：缺点：a.a. 地磁地磁匹配需要匹配需要存储大量存储大量的地磁的地磁数据；数据；b.b. 实时性与计算机处理数据的实时性与计算机处理数据的能力有关能力有关地磁导航系统目前尚未成功应用于无人机（地磁导航系统目前尚未成功应用于无人机（2015.62015.6）19天文导航是根据天体来测定飞行器位置和天文导航是根据天体来测定飞行器位置和航向的航向的导航技术导航技术。天体坐标位置天体坐标位置天体运动规律天体运动规律 飞机高度角飞机高度角 飞机位置飞机位置地平信息地平信息特点：特点：1 1）应用范围广（海陆空均可）应用范围广（海陆空均可） 2 2） 可靠性可靠性高、自

10、主性强、高、自主性强、隐蔽性好隐蔽性好20构成几何算法21 组合导航是指把两种或两种以上的导航系统组合导航是指把两种或两种以上的导航系统以适当以适当的方式的方式组合在一起，利用其组合在一起，利用其性能上的互补特性性能上的互补特性可以获得比单独使可以获得比单独使用任一系统时更高的导航用任一系统时更高的导航性能。性能。 除了可以将以上介绍的导航技术进行组合除了可以将以上介绍的导航技术进行组合之外之外，还可以应，还可以应用一些相关技术提高精度，比如用一些相关技术提高精度，比如大气数据系统大气数据系统、航迹推算、航迹推算技术等。技术等。22 组合导航常以组合导航常以 INS INS 作为主导航系统，而

11、将其他导航定位误差不随时作为主导航系统，而将其他导航定位误差不随时间积累的间积累的导航系统导航系统，如无线电导航、天文导航、地形匹配导航和，如无线电导航、天文导航、地形匹配导航和卫星卫星导航导航等系统作为等系统作为辅助导航系统。辅助导航系统。GPS GPS 的低动态、窄带宽、高的低动态、窄带宽、高精度精度 “黄金组合黄金组合”INSINS的的高动态、高动态、宽频带宽频带、误差慢漂移、误差慢漂移特性特性典型应用案例：典型应用案例：全球鹰、捕食者全球鹰、捕食者2324X-47BX-47B雷神雷神法国神经元HTV-2HTV-2 精确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

12、率优于1；航向角精度1；航向角分辨率优于1。 可靠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。 长航长航时时 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。 2526 KN4072 INS/GPSKN4072 INS/GPS导航系统导航系统 设备硬件设备硬件 大气数据系统大气数据系统1.1.导航系统组成导航系统组成 IMMCIMMC 信息融合算法信息融合算法 机载软件机载软件 故障检测隔离算法故障检测隔离算法 全球鹰无人

13、机整体导航示意图全球鹰无人机整体导航示意图2. 传感器配置特点传感器配置特点1）使用）使用激光捷联惯导系统作为激光捷联惯导系统作为惯性导航系统惯性导航系统 优点：优点： 准备时间短准备时间短 角速度测量范围宽、线性度好角速度测量范围宽、线性度好 可靠性可靠性好，价格好，价格较较便宜便宜2）INS/GPS采用一体化采用一体化设计设计(KN4072)3）开放式的传感器）开放式的传感器管理管理(IMMC)27KN4072实物图实物图1.INS/GPS组合系统作为主要导航系统组合系统作为主要导航系统2.SINS/GPS/ADS的组合导航系统的组合导航系统结构结构 大气数据系统大气数据系统(ADS)是一

14、是一种自主、无源工作的系统种自主、无源工作的系统，可靠性较高，可靠性较高，而且不受高度、地形等因素的影响而且不受高度、地形等因素的影响，在高空长航时无人机的全程在高空长航时无人机的全程都可以使用，因此，是都可以使用，因此，是一种较为理想的信息源。一种较为理想的信息源。 增强导航系统的容错性和增强导航系统的容错性和可靠性。可靠性。28全球鹰无人机侦察范围能够覆盖全球鹰无人机侦察范围能够覆盖74 000 km74 000 km2 2。超。超强的续航能力和侦强的续航能力和侦察能力使得全球鹰无人机察能力使得全球鹰无人机可以在可以在全球范围内执行多种任务。全球鹰无人全球范围内执行多种任务。全球鹰无人机载有机载有的侦察的侦察任务设备包括红外光电系统任务设备包括红外光电系统, ,合成孔径雷达合成孔径雷达，可可执行的侦察执行的侦察任务包括任务包括长时间隐蔽在任务区域长时间隐蔽在任务区域高空侦察高空侦察敌方重要军事敌方重要军事目标目标，如，如机动导机动导弹弹发射架，或动态发射架，或动态监视敌军监视敌军行动，并行动，并实时