无人机导航与通信技术PPT完整全套教学课件

《无人机导航与通信技术》01导航的定义及意义02无人机发展历程及常见导航方法03无人机常见导航坐标系04机械转子陀螺仪05MEMS陀螺仪06MEMS陀螺仪校准及故障检修07MEMS加速度计校准及故障检修08惯性导航系统工作原理及排故方法09航姿参考系统及磁罗盘工作原理10磁场干扰及校准方法11地基无线电导航发展历程及种类12ADF定向机及工作原理13VOR工作原理14VOR功用15无线电高度表和测距机16卫星导航系统的发展和种类17GPS绝对定位18GPS故障分析与排除19静态相对定位20-21动态相对定位及网络RTK设置方法22光流定位工作原理及排故方法23双目视觉导航24组合导航25发射机和接收机的通信方法26高频调制课程介绍：1.课程的性质及作用2.课程的主要内容3.课程的考核方法4.课堂纪律要求及考核方法假设你穿越至没有实现电气化的时代，要出门远(航)行或者带兵打仗时，如何做到不迷路？导入新课：123R1导航定义及意义1．古代导航方法2．导航的定义3．导航、制导与控制的区别课时：2学时教学目标：1.掌握导航的基本概念和作用。；2.了解导航、制导与控制的区别及联系；3.掌握导航的定义。知识目标：教学目标：1.学会资料收集和小组合作学习的方法。能力目标：素质目标：1.具有严谨细致的工作作风；2.具有合作意识、效率意识和全局意识。R1.1.1北斗七星R1.1中国古代导航方法我国古人很早就掌握了通过北斗七星来辨别方位和季节的方法，古书《鹖冠子》就有：“斗柄东指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。”R1.1.2司南和指南车R1.1中国古代导航方法指南车和利用地磁效应的司南不同，是利用齿轮传动系统和离合装置来指明方向的一种机械装置，在特定条件下，不论车子转向何方，木人的手始终指向南方。机械手表定方向：

时数折半对太阳，12指的是北方R1.1.1六分仪R1.2欧洲近代导航方法R1.3导航的定义

广义上的定义：引导各种运载体（飞机、船舶、车辆等）以及个人按既定航线航行的过程称为导航，它是保证运载体安全、准确地沿着选定路线，准时到达目的地的一种手段。

狭义上来说，导航是指确定运载体在某一时刻的位置、速度和姿态。作为无人机导航的感知单元，导航系统承担着无人机状态参量测量与估计的重任。那我们的人生需要导航么？R1.3导航、制导与控制的区别和联系无人机导航、制导和控制系统回顾与练习中国古代导航方法有哪些？导航广义上和狭义上的定义是？导航、制导与控制的区别是？《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.什么是导航？2.导航、制导与控制的区别？3.导航的作用？观看以下两种无人机的视频，猜测其采用的导航方式是？导入新课：123R1无人机发展历程及导航方法1．无人机的发展历程2．单一导航方法3．组合导航方法课时：2学时教学目标：1.了解无人机导航技术的种类；2.了解组合导航的定义。知识目标：教学目标：1.学会资料收集和小组合作学习的方法。能力目标：素质目标：1.具有严谨细致的工作作风；2.有一定的创新思维。R1.1.1萌芽期R1.1无人机发展历程sperry空中鱼雷号蜂王号瑞安火蜂号Kettering空中鱼雷号复仇者一号洛克希德M-21和D-21R1.1.2发展期R1.1无人机发展历程先锋RQ-2AMQ捕食者无人机RQ-7B幻影200火力侦察（FireScout）无人直升机R1.1.3蓬勃期R1.1无人机发展历程观看以下两种无人机的视频，猜测其采用的导航方式是？R1.2单一导航方法R1.2.1惯性导航R1.2单一导航方法R1.2.2卫星导航R1.2单一导航方法R1.2.3地形辅助导航R1.2单一导航方法R1.2.4地磁导航R1.2单一导航方法R1.2.5无线电导航R1.3组合导航

组合导航是指把两种或两种以上的导航技术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方法更高的导航性能。lINS/GPS组合导航惯导/地磁组合导航GPS/航迹推算组合导航惯导/地形匹配组合导航回顾与练习无人机发展经历了几个阶段？无人机单一导航方式有哪些？大疆精灵4上用到了哪些组合导航方法？《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.无人机经历了哪些发展历程？2.无人机常见导航方法有哪些？让无人机飞往下一个目标点时，需要知道该目标点的哪些具体信息？导入新课：NEXT?123R1导航坐标系1．什么是坐标系？2．导航常用坐标系课时：2学时教学目标：1.掌握笛卡尔直角坐标系的定义。2.掌握球面坐标系的定义。3.掌握无人机导航中常用坐标系的定义和分类。知识目标：教学目标：1.在笛卡尔直角坐标系中，能根据已知的两个坐标轴，确定第三个坐标轴的指向。2.给定一架无人机，能确定这架无人机的机体坐标系。3.能够简要说出地理坐标系转换至当地水平坐标系的过程。能力目标：素质目标：1.增强数据安全保密意识，提高防范能力；2.培养细节意识。R1.1.1坐标系定义R1.1什么是坐标系？

为了说明质点的位置、运动的快慢、方向等，必须选取坐标系。在参照系中，为确定空间一点的位置，按规定方法选取的有次序的一组数据，就叫做"坐标"。R1.1.2坐标系种类R1.1什么是坐标系？R1.2.1导航常用坐标系R1.2导航常用坐标系无人机导航中常见的坐标系包括：（1）地球中心坐标系（EarthCenteredEarthFixedCoordinateSystem,ECEF）（2）WGS-84大地坐标系（WorldGeodeticCoordinateSystem1984，WGS84）（3）2000国家大地坐标系（ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，CGCS2000）（4）导航坐标系（如North-East-DownCoordinateSystem,NED）（5）机体坐标系（BodyFrame）R1.2.2地理坐标系R1.2导航常用坐标系地理坐标系R1.2.2地理坐标系R1.2常用导航坐标系坐标系WGS84CGCS2000北京54西安80参考椭球WGS_84CGCS2000Krasovsky_1940IAG75椭球极半径b6356752.3142456356752.3141406356863.01877304736356755.288158椭球赤道半径a6378137.0000006378137.0000006378245.0000006378140.000000扁率1/298.2572235631/298.2572221011/298.31/298.25722101参考水准面

85黄海56黄海85黄海种类地心坐标系地心坐标系参心坐标系参心坐标系R1.2.3导航坐标系R1.2常用导航坐标系导航坐标系北东地坐标系东北天坐标系R1.2.4机体坐标系R1.2常用导航坐标系机体坐标系回顾与练习1、我们国家的北斗卫星导航系统采用的坐标系是？2、无人机导航中用到的坐标系有哪些？3、查找资料，简要描述下GPS卫星导航系统采用的坐标系。4、简述六旋翼无人机的机体坐标系。《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.坐标系的种类有哪些？2.常见的地理坐标系有哪些？3.机体坐标系是如何定义的？观看介绍飞机姿态仪、航向仪、转弯侧滑仪的视频，提问飞机上的这些仪表是如何获得测量数据的呢？导入新课：123R1机械转子陀螺仪1．机械转子陀螺仪的性质2．机械转子陀螺仪在航空上的应用课时：2学时教学目标：1.掌握机械转子陀螺仪的性质；2.了解机械转子陀螺仪在航空上的应用。知识目标：教学目标：1.会分析机械转子陀螺仪的定轴性和进动性；2.会利用机械转子陀螺仪的特性分析航空仪表测量原理。能力目标：素质目标：1.具有严谨细致的工作作风；2.有一定的正向和逆向分析思维。R1.1.1稳定性R1.1机械转子陀螺仪的性质

稳定性是指陀螺仪保持其自转轴在空间的方向不发生变化的特性，包含定轴性和章动两种形式。R1.1.2进动性R1.1机械转子陀螺仪的性质

是指当陀螺转子高速旋转时，如果施加的外力矩是沿着除自转轴以外的其它轴向，陀螺仪并不顺着外力矩的方向运动，其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。R1.2.1转弯角速度仪R1.2机械转子陀螺仪在航空上的应用R1.2.2航向陀螺仪R1.2机械转子陀螺仪在航空上的应用航向陀螺仪是一种能给出飞机转弯角度和航向指示的陀螺装置。它是三自由度均衡陀螺仪，其底座固连在飞机上，转子轴提供惯性空间的给定方向。若开始时转子轴水平放置，并指向仪表的零方位，则当飞机绕铅直轴转弯时，仪表就相对转子轴转动，从而能给出转弯的角度和航向的指示。由于摩擦及其他干扰，转子轴会逐渐偏离原始方向，因此每隔一段时间（如15分钟）须对照精密罗盘作一次人工调整。R1.3小组讨论假设以飞行员视角，飞机头部螺旋桨顺时针旋转：当飞机向左偏航时，在陀螺力矩作用下飞机？，向右偏航时飞机？。回顾与练习1、机械转子陀螺仪的种类及特性有哪些？2、什么是陀螺仪的稳定性和进动性？3、操控一架四旋翼无人机偏航，除了会产生偏航力矩外，还会产生什么力矩？《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.机械转子陀螺仪的种类及特性？2.机械转子陀螺仪在航空上有哪些应用？大家拆开Pixhawk飞控，看一下有没有机械转子陀螺仪？如果有，在哪？如果没有，那么我们的多旋翼无人机飞控是如何测量飞机的姿态呢？导入新课：123R1MEMS陀螺仪1．科氏力的产生2．MEMS陀螺仪的结构组成和工作原理课时：2学时教学目标：1.掌握科氏力大小和方向的判定；2.了解MEMS陀螺仪姿态测量原理。知识目标：教学目标：1.会分析科氏力的大小和方向；能力目标：素质目标：1.具有严谨细致的工作作风；2.有一定的正向和逆向分析思维。R1.1科氏力的产生

科里奥利力(Coriolisforce)也就是常说的科氏力，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。R1.2.1什么是MEMSR1.2MEMS陀螺仪MEMS是微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。

MEMS陀螺仪成本低、体积小、重量轻（只有几克重），且稳定性和精度都比机械转子陀螺仪高，在民用无人机上得到广泛使用。R1.2.2MEMS陀螺仪工作原理R1.2MEMS陀螺仪

MEMS陀螺仪通常安装有两个方向的可移动电容板，径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动，横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化。这样，MEMS陀螺仪在驱动下就会不停地来回做径向运动或震荡，从而得到不停地在横向来回变化的科里奥利力，进而在横向作与驱动力垂直的微小震荡。这种科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化便可以计算出MEMS陀螺仪的角速度。R1.3小组讨论基于科氏力现象，分析讨论湘江两岸受江水冲刷情况。回顾与练习1、什么是科氏力？2、Pixhawk飞控是如何测量角速度的？《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.什么是科氏力？2.MEMS陀螺仪测角速度原理是怎样的？为啥多旋翼无人机飞控里的陀螺仪需要校准？导入新课：123R1陀螺仪校准方法及故障检修1．陀螺仪误差种类2.陀螺仪温漂特性3．陀螺仪数据校准方法4.陀螺仪故障检修课时：2学时教学目标：1.了解陀螺仪误差；2.熟悉陀螺仪校准方法。知识目标：教学目标：1.会进行陀螺仪的校准；2.会对陀螺仪进行故障检修能力目标：素质目标：1.具有严谨细致的工作作风；2.有一定的创新思维。R1.1陀螺仪的误差种类

MEMS惯性器件的误差一般分成两类：系统性误差和随机误差。系统性误差本质就是能找到规律的误差，所以可以实时补偿掉，主要包括常值偏移、比例因子、轴安装误差等。但是随机误差一般指噪声，无法找到合适的关系函数去描述噪声，所以很难处理。一般采用时间序列分析法对零点偏移的数据进行误差建模分析，可以用卡尔曼滤波算法减小随机噪声的影响。

从物理意义和误差来源分，也可以把MEMS陀螺仪漂移分为常值漂移、角度随机游走、速率随机游走、量化噪声和速率斜坡等。R1.2陀螺仪温漂特性

MEMS的陀螺仪的零偏是会受到环境温度的影响产生变化的。温度变化了，解算的姿态角数据有偏差，根本原因是上电校准的零偏数据不能再用了。下图为陀螺仪在静止状态下，温度变化时，陀螺仪三个轴向的测量数据变化趋势，由图可以看出，当温度逐渐上升时，三个轴向的数据都向递增的方向偏移。R1.2陀螺仪温漂特性

解决方法：

一种是传感器数据保持恒温输出；

另外一种就是事先进行温飘标定。

不过，这种方法也较为麻烦，比如飞控量产时，需要每一个都这么做；其次是时间长了，标定会有偏差。R1.3.1陀螺仪误差模型R1.3陀螺仪校准

目前大多数的陀螺校准其实就是去掉零点偏移量，采集一定的数据求平均，这个平均值就是零点偏移，后续飞控所读的数据减去零偏即可。R1.3.2校准方法R1.3陀螺仪校准(1)陀螺仪的误差校准主要是处理确定性误差，主要是零偏、比例因子、安装误差等，尤其是零偏的处理，会影响到姿态估计的准确性；(2)去零偏时，最好先让陀螺仪处于水平静止状态，再进行校准处理；(3)陀螺仪的温漂也需要进行处理，使其适应各种温度环境下的飞行；(4)至于滤波，看具体情况，一般450轴距的飞行器，滤波带宽设置成30hz即可，普通的一阶低通滤波器即可满足需求。R1.4故障检修（1）由于无人机桨叶转速快，且桨叶材质较硬，旋转的桨叶会给人员造成很大的伤害，因此检修前一定要将桨叶拆除，千万不要带桨操作。（2）检修前准备好相关的工具盒和材料盒，做好工具三清点工作，拆卸下来的垫片、螺母、桨叶等要摆放好。（3）拆除无人机的动力电池。（4）排故前，确保飞控正确安装。R1.3.1检修前的工作R1.4故障检修（1）Gyrosnothealthy：这是由于陀螺仪数据跳动比较厉害，且数值不在量程范围内或者没有数据输出。可能的原因是Pixhawk飞控中的MPU6000芯片存在硬件问题，或者是飞控上电时没有处于静止状态，从而导致报错。解决方案如下：

将无人机放平且让其保持静止不动，然后重新上电等待一段时间，让陀螺仪进行自校准。如果飞控状态指示灯红蓝交替闪烁几秒钟，表示陀螺仪正在进行校准。R1.3.2常见故障类型及检修方法R1.4故障检修（2）Gyrocalfailed：这个故障的原因一般是上电时，即在飞控状态灯红蓝灯闪烁时，飞控突然掉电所致；另外还有可能是陀螺仪测量的数据超过限值。

解决方案是查找飞控掉电原因，并确保飞控供电不受影响，然后将无人机重新放平，并重新上电。R1.3.2常见故障类型及检修方法R1.4故障检修（3）Gyrosinconsistent：这是由于飞控上的2个陀螺仪的旋转角速度相差20度/秒以上导致的，可能的原因是其中一个陀螺仪硬件出现故障，或者是陀螺仪标定不正确。解决方案如下：

将无人机放平，重新上电校准；

如果是硬件出现故障，则需要按照第一步的方法进行排故。R1.3.2常见故障类型及检修方法R1.3小组讨论1.学生分组讨论陀螺仪校准注意事项；2.学生进行角色扮演，一名学生提问故障信息及解决方法，另一名学生给出分析及维修建议。回顾与练习1、简述MEMS陀螺仪数据校准方法。《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.MEMS陀螺仪校准步骤及注意事项？为啥多旋翼无人机飞控里的加速度计需要校准？导入新课：123R1加速度计校准方法及故障检修1．加速度计测量原理2.加速度计校准方法3．加速度计故障检修课时：2学时教学目标：1.了解加速度计测量原理；2.熟悉加速度计校准方法。知识目标：教学目标：1.会进行加速度计校准；2.会对加速度计进行故障检修能力目标：素质目标：1.具有严谨细致的工作作风；2.有一定的创新思维。R1.1加速度计测量原理R1.1加速度计测量原理R1.2加速度计校准

静态放置情况下，无论加速度计的位置在哪，所测得的加速度模值始终应该是当地重力加速度，而实际情况往往不满足这个条件，所以就需要对加速度计进行校准，校准的目的是为了提高姿态解算的精度。加速度计一般校准一次即可，不需要每次都上电校准。

加速度计校准方法主要有两种，一种是依赖于高精度的外部设备，比如用转台来进行精确标定，主要校准加速度计安装误差、比例系数和零位偏移，采用的方法是静态六位置法标定法。六位置法一般需要借助高精度转台进行试验测试。

另外一种则是重力参考标定（PX4固件加速度计校准算法），飞控会自动运行代码或离线数据采集进行参数计算。利用MissionPlanner地面站进行加速度计校准R1.2加速度计校准R1.3故障检修（1）飞控已经连接好遥控器接收机，并拆掉螺旋桨和动力电池；（2）检修前准备好相关的工具盒和材料盒，做好工具三清点工作，拆卸下来的零部件要摆放好；（3）排故前，确保飞控正确安装，并做好减振措施。R1.3.1检修前的工作R1.3故障检修（1）如果故障信息是“Accelsnothealthy”，可能的原因是加速度计硬件出了问题；也有可能是刷了固件之后，马上启动飞控，导致报这个错误。解决方案如下：查阅芯片资料，检查加速度计硬件，注意飞控上有两个加速度计，一个是和陀螺仪集成在一起，另一个是和磁力计集成在一起，检查的时候需要用示波器和万用表对两个加速度计都进行检查，如果硬件出现问题，需要及时更换芯片，并重新刷固件，重新校准加速度计。如果硬件没问题，需要重新给飞控上电，并重新连接R1.3.2常见故障类型及检修方法R1.3故障检修（2）如果故障信息是“Accelsinconsistent”，这是由于两个加速度计出现读数不一致的现象，差值超过1m/s²。可能的原因是其中一个加速度计硬件故障，或者是加速度计标定不正确。解决方案如下：按照上一步的方法检查硬件是否故障，如果没有故障，则重新上电，并重新进行加速度计校准。R1.3.2常见故障类型及检修方法R1.3小组讨论1.学生分组讨论加速度计校准方法及注意事项；2.学生进行角色扮演，一名学生提问故障信息及解决方法，另一名学生给出分析及维修建议。回顾与练习1、简述MEMS加速度计校准方法。《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.加速度计测量原理及校准步骤；2.加速度计故障检修方法。有了加速度计和陀螺仪后，如何用于无人机导航？导入新课：123R1惯导系统工作原理及故障检修1．惯导系统组成及特点2.平台式惯导工作原理3．捷联式惯性导航系统4.惯导系统常见故障检修步骤课时：2学时教学目标：1.了解惯导系统的基本组成及工作原理；2.熟悉惯导系统排故方法。知识目标：教学目标：1.会对惯导系统常见故障进行检修。能力目标：素质目标：1.具有严谨细致的工作作风；2.有一定的创新思维。R1.1惯导系统组成及特点R1.1惯导系统组成及特点其主要特点如下：（1）自主性，全球、全天候导航；（2）隐蔽性；（3）连续三维定位、定向；（4）能获取运动载体完备的运动信息。R1.2平台式惯导工作原理跟踪惯性坐标系跟踪当地水平坐标系R1.2平台式惯导工作原理R1.3捷联式惯性导航系统R1.4故障检修（1）飞控已经连接好遥控器接收机，并拆掉螺旋桨和动力电池；（2）检修前准备好相关的工具盒和材料盒，做好工具三清点工作，拆卸下来的零部件要摆放好；（3）排故前，确保飞控正确安装，并做好减振措施。R1.4.1检修前的工作R1.3故障检修无人机开机自检时，显示“IMU异常”。无人机开机自检的时候显示IMU异常，可能的原因是飞行器受到大的震动或者没有水平放置。此时需要重新校准IMU，步骤如下：（1）检修前将无人机所有的桨叶都拆卸掉。（2）打开飞机遥控器，把飞机放置在水平的台面上。（3）进入DJIGOApp，打开“飞控参数设置”，进到“传感器”页面，然后选择“IMU校准”。校准过程中不能移动飞机，校准时长大约5-10分钟。R1.3.2常见故障类型及检修方法R1.3故障检修无人机开机自检时显示“IMU预热中”这种现象可能的原因是IMU没有校准好，解决方法如下：（1）将飞机所有桨叶都拆掉。（2）等待飞机冷却后进行校准，并确保飞机处于水平位置。（3）开机连接，在DJIGOAPP中右上角进入菜单，然后选择飞行器图标，点击传感器，点击IMU校准，等待几分钟。注意的是这中间不要有任何操作，也不要碰飞行器。R1.3.2常见故障类型及检修方法R1.3小组讨论1.学生分组讨论无人机是如何利用加速度计和陀螺仪进行导航的？回顾与练习1、惯性导航系统有哪些分类？2、简述飞机利用平台式惯导求得实时位置和速度的方法。3、简述捷联式惯导测量位置和速度的原理。4、捷联式惯导相较于平台式惯导具有哪些优点？《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.惯导系统组成及特点；2.平台式和捷联式惯导工作原理。惯性导航系统没有磁罗盘，那么民用无人机飞控中为啥又有磁罗盘？磁罗盘的具体作用是啥？导入新课：123R1航姿参考系统及磁罗盘工作原理1．什么是航姿参考系统2.磁罗盘工作原理课时：2学时教学目标：1.了解航姿参考系统和惯导系统的区别；2.熟悉磁罗盘工作原理。知识目标：教学目标：1.会区别AHRS和IMU。能力目标：素质目标：1.具有艰苦朴素的工作作风和迎难而上的工作信念；2.有一定的创新思维。R1.1什么是航姿参考系统

在没有高可靠性加速度计和高精度陀螺仪的情况下，消费级无人机飞控普遍采用低成本的微机电系统(MEMS)器件为主构成的航姿参考系统（AttitudeandHeadingReferenceSystem，缩写为AHRS），如MEMS加速度计、磁力计、陀螺仪等。这些传感器通常成本低廉、精度较低，所以在这种低精度陀螺仪和加速度计的架构下必须综合运用地球的重力场、磁场等场向量来进行修正。AHRS能够为飞行器提供准确可靠的横滚、俯仰、航向等姿态与航行信息，一般由加速度传感器、陀螺仪以及地磁传感器等组成，内部一般采用多传感器数据融合单元进行航姿解算。R1.1什么是航姿参考系统综上，AHRS和IMU区别如下：

（1）采用的传感器精度和种类不一样。AHRS一般采用精度低的传感器，且比IMU多一个磁力计。

（2）AHRS是通过与地球参考得出自身姿态，而IMU是相较于自身的初始姿态来进行姿态测量。

（3）AHRS包含了嵌入式的姿态数据解算单元与航姿信息，IMU仅仅提供传感器数据，并不具有提供准确可靠的姿态数据的功能。由于AHRS中的陀螺仪和加速度计在前面内容有介绍，所以接下来介绍下AHRS用到的磁力计R1.2磁罗盘工作原理

电子罗盘也叫数字指南针、磁力计，是利用地磁场来确定北极的一种设备。现在一般用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。

电子罗盘可由地球的磁场来感测方向，为导航提供方向数据。然而，电子设备所受到的磁场干扰，比地球磁场要强，导致电子罗盘容易受到各种环境因素的干扰。因此，电子罗盘需要经过频繁的校正，才能维持方向数据的准确度。

电子罗盘是无人机重要的导航工具，能实时提供运载体的航向和姿态。要实现电子罗盘功能，需要一个检测磁场的三轴磁力传感器和一个三轴加速度传感器。随着微机械工艺的成熟，芯片厂商推出了将三轴磁力计和三轴加速度计集成在一个封装里的二合一传感器模块LSM303D。比如在开源飞控Pixhawk中就用到了LSM303D芯片。R1.2磁罗盘工作原理

地球的磁场像一个条形磁体一样由地磁南极指向地磁北极。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直；在赤道，磁场和当地的水平面平行，所以在北半球，磁场方向倾斜指向地面。R1.2磁罗盘工作原理

在LSM303D中，磁力计采用各向异性磁致电阻材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。R1.2磁罗盘工作原理

当有外界磁场时，AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了，那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变化。对于AMR材料来说，θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化，并且呈线性关系。R1.3小组讨论1.大家查阅火星的相关地质和大气资料，然后给出火星无人机可能的导航方案？回顾与练习1、什么是AHRS，其与IMU的区别是？2、磁力计工作原理是？。《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.航姿参考系统是什么？2.磁罗盘磁航向角测量原理。为啥装完飞机或者在新环境下飞行，都要进行磁罗盘校准？导入新课：123R1磁场干扰及磁罗盘校准方法1．磁场干扰；2.磁罗盘校准方法。课时：2学时教学目标：1.熟悉磁场干扰的类型；2.熟悉磁罗盘校准方法；3.磁罗盘排故知识目标：教学目标：1.会进行磁罗盘校准；2.会排除磁罗盘故障。能力目标：素质目标：1.具有艰苦朴素的工作作风和迎难而上的工作信念；2.有一定的创新思维。R1.1磁场干扰当没有磁场干扰时，让磁罗盘在当地水平面内旋转一圈。得到的测量曲线如图3-56所示，是一个标准的圆。R1.1磁场干扰当罗盘所在的环境中存在磁偶极子时，便会产生硬磁干扰，如无人机上的电调、电机、导线中的电流和电池等。由于这些磁偶极子都会产生一个附加的磁场(恒定磁场，类似地磁场，可看作是一个向量场)。。R1.1磁场干扰软磁干扰是由可磁化物质扭曲当地的磁场所造成的。这些物质主要包括镍、铁和其他能造成干扰的磁性材料。通过上面的分析，不难发现，在有软磁干扰情况下，测量所得的曲线将会是一个椭圆。R1.1磁场干扰硬磁干扰和软磁干扰同时存在，且需要补偿。在这种情况下，本地磁场的测量曲线表现为发生了一定程度上偏移(相对坐标中心)的椭圆。需要说明的是本地的实际磁场可能会明显大于地球磁场，所以，罗盘中的磁传感器需要有足够的量程进行测量和校准。R1.2磁罗盘校准方法R1.2磁罗盘校准方法板载校准

进度条完后会出数据，之后飞控断电重新连接。注意，出数据后不用点击“接受”按钮。如果罗盘进度条一直在动，一直不出数据的，建议飞控刷最新版本估计，地面站用最新的；同时，GPS要用支架撑起来固定好，飞控的箭头和GPS的箭头保持一致。R1.3磁罗盘排故

故障信息为“Compassoffsetstoohigh”：一般都是磁罗盘附近有磁性物体（马达、螺丝、电池等），或者环境有比较强的磁场干扰引起的。解决方案如下：（1）使用外置罗盘避开飞控内部各种干扰。（2）确保无人机周围没有干扰磁场，比如远离高压线、基站以及含有铁和镍的金属物体。（3）重新上电，并重新进行磁罗盘校准。R1.3磁罗盘排故

故障信息为“Compassnothealthy”如果故障信息为“Compassnothealthy”，其含义是罗盘不健康，可能的原因是硬件损坏；或者是环境温度低于0摄氏度，导致罗盘传感器没有数据。解决方案如下：（1）无人机重新上电，重新校准罗盘，如果还是同样的故障信息，进行下一步。（2）如果无人机所处环境温度过低，做好保温措施，重新上电。（3）在地面站的状态窗口，检查罗盘数值是否正确（见图）。R1.3磁罗盘排故

故障信息为“Compassesinconsistent”如果故障信息为“Compassesinconsistent”，其含义是罗盘不一致，原因是内部罗盘和外部罗盘指向不一致（>45度）。通常是外部罗盘方向设置不正确导致。解决方案为在地面站的全部参数表中，修改compass_orient参数；或者保持外罗盘方向和飞控方向一致，并重新做校准即可。R1.4小组讨论1.不进行磁罗盘校准就飞行，可能带来的后果是？回顾与练习1、为啥要进行磁罗盘校准？2、磁罗盘校准步骤是？《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.磁场干扰的类型；2.磁罗盘校准方法。民航飞机是怎么进行航线飞行的？导入新课：123R1地基无线电导航发展历程及种类1．地基无线电导航发展的三个阶段；2.分类。课时：2学时教学目标：1.熟悉地基无线电导航的种类知识目标：教学目标：1.会根据不同应用场景选择合适的无线电导航方式。能力目标：素质目标：1.具有敬仰航空、敬重装备和敬畏生命的职业素养。2.具备一定的探知精神。R1.1发展历程1.早期阶段地基无线电导航发明于1912年，最早用于航海，引导船舶航行，类似于海上灯塔。20世纪30年代，无线电信标用来提供机场的方位信息。这时期发展的无线电导航系统主要是方位系统，属近中程，提供的位置线为大圆弧或恒位线，近距离可当作直线。R1.1发展历程1.发展阶段1941年，出现了仪表着陆系统（ILS），即盲降系统，是应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统。其作用是由地面发射的两束无线电信号实现航向道和下滑道指引，建立一条由跑道指向空中的虚拟路径，飞机通过机载接收设备，确定自身与该路径的相对位置，使飞机沿正确方向飞向跑道并且平稳下降高度，最终实现安全着陆。R1.1发展历程1.发展阶段1942年，发明了台卡（Decca），其采用连续波信号，频率为70～129kHz，用于海上近程高精度定位的一种低频连续波相位双曲线定位系统。台卡导航系统是最早出现的以相位延迟原理进行工作的双曲线导航系统。该系统的发射台以连续波的形式发射同一频率的不同谐波信号，而不是发射脉冲信号。该系统主要适用于对近海航行的潜艇定位。台卡导航系统的不足之处在于它仅仅是一个局部导航系统，无法在更大的范围内使用。1943年美国建成中程系统罗兰-A;1944年英国建成中近程系统台卡。在此基础上,50年代末美国建成远程系统罗兰-C。40年代中期德国研制成中远程方位系统桑尼，并由英国发展为更完善的康索尔。这些系统作用距离大大增加，可提供较高的定位精度。R1.1发展历程1.成熟阶段至60年代，发展了超远程系统欧米伽（Omega）系统，是超远程连续波双曲线相位差无线电导航系统。该系统采用连续波信号，频率为10~14（kHz），能穿透水下10m以上，定位精度达2~4（nmile），数据更新速率0.1次/分。该系统是在信号传输过程中衰减较小，作用距离可达929~1296.4（km）之间，定位准确度为1852~3704（m）。奥米加系统在全世界设置了8个发射台，工作区域可覆盖全球，能实现全天候、全球性无线电导航定位。奥米加系统经过20多年的建设，其最后一个发射台于1983年正式投入使用。这一时期，近程高精度定位系统也得到进一步发展。近年来，还发展了近程甚高频无线电测向系统，与雷达配合使用，可在与对方用甚高频无线电话通信时，测定其方位。R1.2种类及指标（1）分类按有效作用距离分：近程、中程、远程、超远程系统;按所测电信号参量分：振幅、频率、相位、脉冲、混合系统;按所测几何参量分：测角、测距、测距差、测高系统;按工作方式分：有源、无源系统；按机载设备实现的系统功能分：自备式、他备式；按飞机的飞行区域分：航路、终端区。R1.2种类及指标（2）地基无线电导航的技术指标导航精度：即定位误差，用概率统计方法描述;覆盖范围：与规定的定位精度相对应;系统容量：可同时提供定位服务的用户数量;信息更新率：单位时间内可为用户提供定位服务的次数;其它指标：连续性、可用性、可靠性、完好性等。R1.4小组讨论1.如果固定翼无人机使用地基无线电导航方法的话，我们应该着重留意哪些导航参数？回顾与练习1、地基无线电导航的种类有哪些？2、民航飞机一般用到哪些地基无线电导航方式？《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.地基无线电导航发展历程；2.地基无线电导航分类及技术指标。塞斯纳飞机在空中是如何使用自动定向机定向的？导入新课：123R1地基无线电导航发展历程及种类1．系统组成和主要功能；2.ADF测角原理。课时：2学时教学目标：1.熟悉自动定向机测向原理；知识目标：教学目标：1.会识读ADF指示仪。能力目标：素质目标：1.具有敬仰航空、敬重装备和敬畏生命的职业素养。2.具备一定的探知精神。R1.1系统组成和主要功能机载自动定向机系统通过接受地面导航台的无线电信号，可以实现的的主要功用有：（1）测量飞机纵轴方向(航向)到地面导航台的相对方位角，并显示在方位指示器上。（2）对飞机进行定位。（3）利用自动定向机判断飞机飞越导航台的时间。R1.1系统组成和主要功能1.地面设备NDB发射天线NDB航图标识双归航台R1.1系统组成和主要功能2.机载自动定向机系统机载自动定向机系统主要包括自动定向接收机、接收天线、方位指示器。R1.1系统组成和主要功能2.机载自动定向机系统(1)ADF指示器R1.2ADF测角原理1）环形天线的方向性由于地面NDB导航台向四面八方发射相同的信号，而ADF要能够识别无线电信号的来向，因此要采用方向性天线。R1.2ADF测角原理另外，为了确定最小值方向，一般还需增加一环形天线，这样就需两个环形天线和一根垂直天线，且两环形天线分别与飞机的纵轴平行和垂直放置，这样感应的电动势相位相差90°。将这两个感应电动势分别加在测角器的固定绕组上，测角器的转子将在合成磁场的作用下转动，从而指示出导航台的相对方位，这样做的好处是不再需要转动机构就可判断信标台的方向。R1.4小组讨论1.给定ADF仪表，如何确定地面导航台的方位？回顾与练习1、简述自动定向机系统的组成及工作原理。2、说明环形天线的工作原理。3、下图为ADF指示器，请读出相对方位角的大小。如果已知飞机的磁航向为30度，则导航台的磁方位角为多少？《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.ADF测角原理；2.ADF仪表识读方法。能否直接确定导航台所在位置磁北为基准的飞机磁方位？（对比ADF）导入新课：123R1地基无线电导航发展历程及种类1．VOR导航相关角度；2.甚高频全向信标系统结构组成；3.VOR测角原理课时：2学时教学目标：1.了解甚高频全向信标系统结构组成；2.熟悉VOR导航相关角度的定义；3.了解VOR测角原理。知识目标：教学目标：1.会绘制VOR导航相关角度；2.会认读VOR航图标识。能力目标：素质目标：1.具有敬仰航空、敬重装备和敬畏生命的职业素养。2.具备一定的探知精神。R1.1VOR导航相关角度VOR导航系统的功能之一是测量飞机的VOR方位角，而VOR方位角在无线电磁指示器(RMI)上的指示又是通过磁航向加相对方位指示的。因此，了解这些角度的定义和相互关系，有助于理解VOR机载设备的工作原理。lVOR方位角与飞机磁航向无关，只与飞机相对VOR台地理位置有关；l飞机磁方位和VOR方位角相差180º；lVOR方位角等于磁航向与相对方位角的和。R1.2甚高频全向信标系统结构组成1.地面导航台R1.2甚高频全向信标系统结构组成2.机载设备R1.2甚高频全向信标系统结构组成2.机载设备RMI指示器HIS指示器R1.3VOR测角原理VOR导航台会发射两个对30Hz信号进行调制后的射频信号。这两个30Hz信号分别称为基准相位信号和可变相位信号。基准相位信号相当于全方位光线，其相位在VOR台周围的各个方位上相同；可变相位信号相当于旋转光束，其相位随VOR台的径向方位而变.R1.4小组比拼1.根据VOR导航相关角度定义，绘制对应的角度。回顾与练习1、VOR相关的导航角度有哪些？2、简要说明一下VOR测角原理。《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.VOR导航相关角度；2.甚高频全向信标系统结构组成；3.VOR测角原理。如何根据VOR指示仪确定飞机的位置？导入新课：123R1地基无线电导航发展历程及种类1．VOR的功能；2.如何利用VOR指示仪进行定位。课时：2学时教学目标：1.熟悉VOR的功能；2.熟悉VOR指示仪的识读。知识目标：教学目标：1.会根据VOR指示仪的指示绘制导航台和飞机之间的位置关系。能力目标：素质目标：1.具有敬仰航空、敬重装备和敬畏生命的职业素养。2.具备一定的探知精神。R1.1VOR的功能（1）定位R1.1VOR的功能（2）沿选定的航路导航R1.2VOR导航实现无人机的定位现有一大型无人机在张家界三官寺机场附近飞行，无人机附近有两个VOR导航台，现要求仅用VOR导航实现无人机的定位。R1.3小组比拼1.分小组进行“看VOR指示仪确定飞机相对导航台位置信息”比赛。回顾与练习下图是黄花国际机场标号为ZGHA-7E的航路图，看懂图并回答下列问题：（1）在下图中画出飞机的磁航向角。（2）将飞机上VOR设备的频率调至114.05MHz，调整驾驶舱里VOR仪表的OBS按钮，使指针指向240度，试在下图中绘制出向台和背台区域，并说明飞机当前处于哪个区域？《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.VOR的功能；2.VOR指示仪的识读；3.如何根据航图设置VOR指示仪。如何确定无人机离地面的高度以及到导航台的距离？导入新课：123R1无线电高度表和测距系统1．无线电高度表；2.测距机。课时：2学时教学目标：1.了解无线电高度表工作原理；2.了解DME测距原理。知识目标：教学目标：1.会识读高度指示器；2.会根据DME测距机指示进行无人机定位。能力目标：素质目标：1.具有敬仰航空、敬重装备和敬畏生命的职业素养。2.具备一定的探知精神。R1.1无线电高度表（1）组成和基本工作原理R1.1无线电高度表（2）无线电高度表的种类1.普通调频连续波无线电高度表R1.1无线电高度表（2）无线电高度表的种类2.等差频调频连续波无线电高度表R1.1无线电高度表（2）无线电高度表的种类3.脉冲无线电高度表

脉冲式无线电高度表是通过测量脉冲信号往返飞机和地面的传播时间来测定高度的。其测高原理与普通的测距雷达基本相同，因此也称为雷达高度表。脉冲无线电高度表的高度测量范围取决于发射脉冲的重复周期，最小可测高度决定于脉冲宽度，而测高精度是由对脉冲前沿的测量精度及设备噪声决定的。R1.1无线电高度表（3）高度指示器R1.2测距机一、功用和组成R1.2测距机二、工作原理R1.2测距机三、任务实施任务详情：设一架大型无人机从张家界三官寺机场起飞，往机场东北方向30公里处执行航测任务，现要求仅依靠DME设备了解无人机的实时位置。R1.3小组比拼1.给定航图，分小组进行DME测距无人机定位比赛。回顾与练习1、一般什么情况下会用到无线电高度表？2、简述无线电高度表测高原理。3、DME有什么作用？4、简述DME的测距原理。5、已知VOR导航台测得的飞机磁方位角为60度，且和VOR导航台同在一个位置的DME测得的飞机距离导航台为90nmile，试在下图中画出飞机的位置。《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.无线电高度表的种类；2.DME是啥；3.无线电高度表和DME的区别。从汽车导航以及无人机物流等应用，引出卫星导航的种类及发展。导入新课：123R1卫星导航系统的发展和种类1．第一代全球导航卫星系统；2.全球主要卫星导航系统。课时：2学时教学目标：1.了解卫星导航系统的发展历程；2.了解卫星导航系统的种类。知识目标：教学目标：1.能说出世界上主要的卫星导航系统种类以及区别。能力目标：素质目标：1.具有敬仰航空、敬重装备和敬畏生命的职业素养。2.具备一定的探知精神。R1.1第一代全球导航卫星系统

第一代全球导航卫星系统，又名美国海军卫星导航系统（NavyNavigationSatelliteSystem,简称NNSS）,由于系统里的卫星运行在与赤道夹角为90度的极轨道上，也即沿着地球的子午线绕地球旋转，故也称为子午（Transit）卫星导航系统。R1.1第一代全球导航卫星系统

采用多普勒测量方法，就可以测定接收机在不同时间至同一卫星的距离差，再结合卫星轨道数据，就可以采用双曲面定位法来求解载体的位置。R1.1第一代全球导航卫星系统

由于该系统卫星数量较少，无法实现对全球的连续覆盖，且卫星运行高度较低，每隔1～2小时才有一颗卫星飞过地面观测站，意味着不能同时接受到多颗卫星信号；这样一台接收机需要通过观测一次完整的卫星通过数据，才能获取良好的定位几何条件，定位时间长，也无法提供快速连续实时三维导航定位；而且不同卫星信号频率相同，导致有时需要关闭部分卫星避免干扰；另外该系统受地球重力场和大气阻力影响大，且需要进行多普勒积分，导致定位精度低，只能用于低动态、低精度定位，难以满足飞机、导弹等高动态导航定位要求。R1.2全球主要卫星导航系统1、美国的全球定位系统GPS基本功能为定位、测速、授时，是由空间部分、控制部分和用户部分组成。R1.2全球主要卫星导航系统1、美国的全球定位系统1)空间部分空间部分即为GPS卫星星座，是由24颗卫星组成，卫星高度约为20200km，分布在倾角为的6个轨道平面内，运行周期约为11小时58分。R1.2全球主要卫星导航系统1、美国的全球定位系统2)地面监控部分地面监控部分包括1个主控站、3个注入站和5个监测站.R1.2全球主要卫星导航系统1、美国的全球定位系统3)用户部分用户部分即为GPS接收机，其功能为接收卫星星历、测定从接收机至GPS卫星的距离，并利用上述信息确定自身的三维位置、三维运动速度和钟差等参数。R1.2全球主要卫星导航系统2、俄罗斯格洛纳斯导航系统GLONASS（GlobalNavigationSatelliteSystem）是俄罗斯的全球导航卫星系统。GLONASS系统提供军用和民用两种服务。GLONASS由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。GLONASS技术，可为全球海陆空以及近地空间的各种军、民用户全天候、连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。该系统卫星星座标准配置由24颗卫星组成，其中工作卫星21颗，备份卫星3颗，卫星高度为19100km，分布在倾角为64.8°的3个轨道平面内，这三个轨道平面两两相隔120度，同平面内的卫星之间相隔45度，卫星的运行周期约为11小时15分。R1.2全球主要卫星导航系统3、欧洲伽利略系统欧洲伽利略系统（GALILEO）是欧洲计划建设的新一代民用全球卫星导航系统，系统构成主要由空间段，环境段，地面段，用户段4部分组成。空间段为30颗卫星构成的星座。星座中的27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星，卫星运行高度为24126km，位于3个倾角为56°的轨道平面内；地面段由2个地面控制中心组成。GALILEO是世界上第一个专门为民用目的设计的全球性卫星导航定位系统，与现在普遍使用的GPS相比，它将更先进、更加有效、更为可靠。它的总体思路具有四大特点：自成独立体系；能与其它的GNSS系统兼容互动；具备先进性和竞争能力；公开进行国际合作。Galileo提供五种服务：公开服务（OS），与GPS的SPS相类似，免费提供；生命安全服务（SoLS）；商业服务（CS）；公共特许服务（PRS）；以及搜救（SAR）服务。R1.2全球主要卫星导航系统4、北斗卫星导航系统第一阶段是从1994年至2003年，建成北斗卫星导航试验系统，简称北斗一号，目标是具备区域有源服务能力。R1.2全球主要卫星导航系统4、北斗卫星导航系统第二阶段是从2004年至2012年，建成北斗区域卫星导航系统，简称北斗二号，最终形成区域无源服务能力。这一阶段的发展目标是构成一个具有连续实时无源三维定位测速能力的区域性卫星导航系统，为我国及亚太地区用户提供无线电导航卫星服务。首颗卫星于2007年发射，2012年年底完成了5颗GEO卫星、5颗IGSO（倾斜地球同步轨道）卫星和4颗MEO（中轨道）卫星的组网服务。R1.2全球主要卫星导航系统4、北斗卫星导航系统第三阶段是从2013年至2020年，建成北斗全球卫星导航系统，简称北斗三号，最终形成全球无源服务能力。北斗三号由空间段、运控段和用户段组成。空间段由30颗卫星组成，其中包括3颗地球静止轨道（GEO）卫星、3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和24颗中圆地球轨道（MEO）卫星，这样的三种轨道混合星座布局抗遮挡能力更强，能实现全球覆盖、全球服务；运控段包括主控站、注入站和监测站；用户段包括北斗终端、与其他导航系统兼容的终端以及相关的应用服务系统。R1.2全球主要卫星导航系统5、日本准天顶卫星导航系统日本准天顶卫星导航系统（Quasi-ZenithSatelliteSystem，简称QZSS）是一个兼具导航定位、移动通信和广播功能的卫星系统，旨在为日本上空运行的美国GPS卫星提供“辅助增强”功能。R1.2全球主要卫星导航系统7、印度区域卫星导航系统印度区域导航卫星系统（IndianRegionalNavigationSatelliteSystem，简称IRNSS）是一个由印度空间研究组织（ISRO）发展、运营和管理的自由区域型卫星导航系统。印度区域导航卫星系统将提供两种服务，包括民用的标准定位服务，及供特定授权使用者（军用）的限制型服务。R1.3小组比拼学生每六人一组，每小组选出一个组长，负责讨论环节的组织、记录和总结。1）分小组讨论“世界上主要的卫星导航系统有哪些？”以及“卫星导航系统的基本组成是怎样的”。小组讨论后，选派一名代表总结陈述讨论结果。2）分小组讨论GPS和北斗卫星导航系统的区别，分别从卫星数量、卫星轨道、系统组成、系统功能、定位精度等方面进行比较，最后上台总结陈述。回顾与练习1、北斗三号卫星星座和GPS卫星星座有什么不一样的地方？2、北斗三号由什么组成？3、简述GPS的组成。《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.全球卫星导航的种类有哪些？2.北斗卫星导航系统的优势体现在？为啥卫星导航需要至少4颗卫星？导入新课：123R1GPS绝对定位1．GPS卫星信号结构；2.码伪距测量和载波相位测量方法；3.GPS绝对定位几何原理课时：2学时教学目标：1.了解GPS卫星信号结构；2.了解码伪距测量和载波相位测量方法；3.掌握GPS绝对定位几何原理。知识目标：教学目标：1.使用卫星导航时，飞行前能合理地放置无人机。能力目标：素质目标：1.具有吃苦耐劳的工作作风和爱岗敬业的职业精神。2.具备一定的爱国素养。R1.1GPS卫星信号结构

GPS卫星信号主要包含用于导航定位的卫星星历等数据，这些数据经调制后再广播给用户。卫星上有日稳定度约为的铯原子钟，产生10.23MHz的基准频率。卫星载波信号工作在L波段，载波信号频率有四个，分别是L1、L2、L3、L5，载波信号上调制有测距码和导航电文。R1.1GPS卫星信号结构

1.载波R1.1GPS卫星信号结构2.测距码测距码的作用是测量卫星至接收机距离，其实质为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise），既具有随机噪声的特性，又可以精确定义（实际上隐含有时间信息）。不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数），对齐的同一组码间的相关系数为1。测距码有两种，分别是C/A码和P码。R1.1GPS卫星信号结构3.导航电文导航电文是卫星以二进制码的形式发送给用户的导航定位数据，其内容主要有：卫星星历、系统时间及卫星钟校正参数；轨道摄动改正；卫星状态信息；测距时间标记；电离层延迟改正参数；其他与导航有关的信息。R1.2距离测量1、码伪距测量R1.2距离测量2、载波相位测量R1.3GPS绝对定位绝对定位也叫单点定位，是单独利用一台GPS接收机的观测值确定接收机在地球坐标系中绝对位置的方法。其定位结果是与所用星历同属一坐标系的绝对坐标。绝对定位实质是根据测距交会的原理，利用三颗以上卫星的已知空间位置交会出地面未知点（用户接收机）在WGS-84坐标系中的位置。R1.3GPS绝对定位绝对定位几何原理：R1.3GPS绝对定位码伪距单点定位：码伪距单点定位即采用伪随机码来测量时延，进而得到伪距的方法来获得接收机的绝对位置。该方法将伪距作为观测量，根据前面的知识，伪距计算如下：

R1.3小组比拼学生每六人一组，每小组选出一个组长，负责讨论环节的组织、记录和总结。1）分小组查询GPS绝对定位的分类，并讨论这么分类的原因。最后上台总结陈述。回顾与练习1、卫星导航为啥需要至少4颗卫星定位？2、简要描述码伪距测量原理。3、GPS绝对定位工作原理。《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.码伪距测量和载波相位测量方法。2.GPS绝对定位几何原理。解锁或者控制基于Pixhawk飞控的无人机时，无人机无法解锁或者无法执行相关命令。如何解决？导入新课：123R1GPS故障分析及排除1．GPS单点定位精度；2.GPS故障分析及排除。课时：2学时教学目标：1.熟悉单点定位精度的含义；2.熟悉地面站HUD窗口和GPS相关的告警信息含义及对应的排故方法；3.熟悉飞行日志GPS主要信息含义。知识目标：教学目标：1.会对GPS常见故障进行分析和排除。能力目标：素质目标：1.具有吃苦耐劳的工作作风和爱岗敬业的职业精神。2.具备三敬零无素养。R1.1GPS单点定位精度

单点定位精度和用户等效距离误差与精度衰减因子有关，用户等效距离误差是将单点定位时可能发生的所有误差归化到站星距离上所得的结果。精度衰减因子是位置质量的指示器，它通过考虑每颗卫星相对于星座中其它卫星的位置，来预计用该星座能得到的位置精度。DOP值的大小和所观测卫星的数量与分布有关，表征可见卫星在空间几何分布的好坏，对测距误差起着放大作用。DOP值越小，准确程度越高，定位的几何条件越好。R1.1GPS单点定位精度

单点定位精度与用户等效距离误差和精度衰减因子满足如下关系：上式表明GPS绝对定位精度主要取决于卫星分布的几何条件和观测量的精度。意味着当卫星分布相同时，用户等效距离误差越小，定位精度越高；R1.1GPS单点定位精度

当用户等效距离误差相同时，卫星分布越好（数量多且分布均匀），定位精度越高。R1.2GPS故障分析及排除1、基于地面站HUD窗口告警信息的排故地面站HUD窗口显示的GPS常见故障信息有“GPSGlitch”、“Need3DFix”、“BadVelocity”、“HighGPSHDOP”等。（1）GPSGlitch“GPSGlitch”的含义是GPS出现故障。可能的原因是GPS损坏。解决方法是更换好的GPS模块。R1.2GPS故障分析及排除1、基于地面站HUD窗口告警信息的排故（2）Need3DFix“Need3DFix”的含义是需要3D锁定，GPS没有定位，如果设置电子围栏或是在悬停模式解锁，一定要进行成功定位后才能解锁。该故障信息可能的原因是没有GPS信号或者没有检查到GPS硬件。解决方法为：检查无人机是否安装了GPS，如果没有安装GPS，就不能切换到需要GPS导航信息的飞行模式，如返航模式、定点模式、自动模式。如果安装了GPS，就不能在室内飞行；在室外飞行要检查GPS连接线是否断开，或者连接线是否正确接到飞控上。如果正确安装了GPS，在室外飞行时，要将无人机放在室外无遮挡的地方，并等待GPS被3DFix定位。R1.2GPS故障分析及排除1、基于地面站HUD窗口告警信息的排故（3）BadVelocity“BadVelocity”的含义是速度数据无效，是速度解算有问题，这与GPS是相关的，因为水平速度很大程度上都取决于GPS数据。“BadVelocity”一般表现为GPS飘逸速度过快，高于50cm/s。该告警信息可能的原因是移动速度过快，或者GPS刷新率低于5HZ。解决方法是等待锁定更多数量的GPS卫星，可以通过地面站查看锁定的卫星数量和HDOP数据来进行评估，一般HDOP小于1.5表明卫星数量能够满足要求。R1.2GPS故障分析及排除1、基于地面站HUD窗口告警信息的排故（4）HighGPSHDOP“HighGPSHDOP”的含义是GPS水平定位精度因子过高，一般是卫星数量不够导致的，HDOP的精度没达标不能解锁。解决方法是将无人机放在室外无遮挡、无干扰的地方，并保证GPS没有被遮挡，然后等待搜星，当锁定更多的卫星后，HDOP数据就会下降。R1.2GPS故障分析及排除2.基于飞行日志的故障分析飞行日志保存了无人机上电后各项飞行数据，能记录无人机在飞行过程中的各种状态，其中就包括GPS相关信息。当无人机出现故障后，维护人员可以通过回放飞行日志，来分析可能的故障原因，并据此制定排故方案。飞行日志里存储的GPS信息主要有：名称含义Status0=没有识别到GPS,1=识别到GPS但未定位,2=GPS和2D定位成功,3=GPS与3D定位成功NSats当前使用的卫星数量HDop水平定位精度因子（<1.5是好的，>2.0不是很好）LatGPS纬度LngGPS经度AltGPS报告的高度VZ垂直速度Spd水平地面速度GCrs航向U布尔值，表明是否在使用GPSR1.2GPS故障分析及排除2.基于飞行日志的故障分析（1）在自动模式下（AUTO\LOITER\RTL），GPS异常会导致无人机突然飞向一个错误的位置或者来回飘逸。GPS异常一般包括：丢星或者卫星数量突然减少。在飞行日志中，可以很直观的看见卫星数量NSats的减少和HDOP值的变大.R1.2GPS故障分析及排除2.基于飞行日志的故障分析通过飞行日志还可以查看GPS错误信息和故障保护信息。在飞控中，GPS子系统代码为11，GPS故障保护子系统代码为7，可通过查看飞行日志中ERR条目下的Subsys确定是哪个子系统出现问题。下图绘制的是Subsys曲线图，图中直线对应的值为11，据此就可以确定这段时间内只有GPS出现错误信息了。R1.2GPS故障分析及排除2.基于飞行日志的故障分析确定好子系统后，就可以进一步查看详细信息，每个子系统都有对应的错误代码。子系统GPS的错误代码有两个，分别是ECode2和ECode0，ECode2表示GPS故障，ECode0表示GPS故障解除。下图红框中就显示了GPS错误代码，从图中可以看出，先后三个时间点出现了GPS故障，不过故障很快就消除了。R1.3小组比拼学生每六人一组，每小组选出一个组长，负责讨论环节的组织、记录和总结。1）给定无人机故障现象描述和对应的飞行日志，分小组分析故障并给出排故方法。回顾与练习1、测站接收机产生一个与卫星伪随机码结构和初相都相同的基准信号，当接收机接收到卫星发射的C/A码信号后，将基准信号时延τ与接收信号对齐，该时延即为卫星信号传播的时间。然而在实际计算中，进行两信号比对的长度为1ms（1023个码元），在极端情况下，基准信号延迟1ms（CA码周期）即可保证信号对齐，此时τ≤1ms，这时算出的卫星至接收机的距离不会超过300km，而GPS卫星高度一般为20000km，说明我们的时延计算有误，那错哪儿了呢？2、若伪距测量均方差为±4m，PDOP=5,VDOP=4,HDOP=3,则伪距单点定位三维空间定位精度、高程方向定位精度、水平方向定位精度各位多少？3、绝对定位可分细分为哪些类型？《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.GPS单点定位精度。2.GPS故障分析及排除。如何提高GPS定位的精度？导入新课：123R1静态相对定位1．结构形式；2.种类。课时：2学时教学目标：1.熟悉静态相对定位的结构形式；2.熟悉静态相对定位消除的误差种类。知识目标：教学目标：1.会描述静态相对定位的过程和优点。能力目标：素质目标：1.具有吃苦耐劳的工作作风和爱岗敬业的职业精神。2.具备三敬零无素养。R1.1基本概念

静态相对定位是指用两台接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，同步观测4颗以上相同的卫星，解算基线向量，从而确定两个端点在协议地球坐标系中的相对位置的方法。

静态相对定位一般采用测相伪距观测值作为基本观测量。为了可靠地确定载波相位的整周未知数，一般需要1～3h的观测时间，对于中等长度的基线（100～500km），其精度可达量级，是当前GPS定位中精度最高的一种方法。

在测相伪距观测中，首要问题是如何快速而精确的确定整周未知数。在确定好整周未知数后，随着观测时间的加长，相对定位的精度不会显著提高。因此提高定位效率的关键在于快速而可靠地确定整周未知数。

由于当距离不太远的两个测站同步观测相同卫星时，GPS的各种观测误差具有较强的相关性，所以一种简单而有效的消除或减弱误差的方法是将GPS的各种观测量进行不同的线性组合，然后作为相对定位的相关观测量。R1.2基本观测量及其线性组合1、单差观测方程单差即在不同观测站，同步观测相同卫星所得观测量之差。消除卫星钟差的影响R1.2基本观测量及其线性组合2、双差观测方程双差即在不同观测站，同步观测同一组卫星，所得单差之差。双差模型消除了接收机钟差的影响。R1.2基本观测量及其线性组合1、三差观测方程三差是在不同历元，同步观测同一组卫星，在双差的基础上进一步做差。三差模型消除了整周未知数的影响，但使观测方程的数量进一步减少，这会对未知参数的解算可能产生不利影响。在实际定位中，一般采用双差模型加平差模型来求解未知参数。R1.3小组比拼学生每六人一组，每小组选出一个组长，负责讨论环节的组织、记录和总结。1）现场查阅资料，分享静态相对定位在无人机应用上的案例。回顾与练习1、什么是静态相对定位？2、静态相对定位有哪些种类？其分别能消除哪些误差？《无人机导航与通信技术》课前回顾：1.什么是静态相对定位？2.静态相对定位能消除哪些误差？3.什么是单基站差分？4.什么是局域差分和广域差分？对于运动的无人机来说，如何提高其卫星导航的定位精度？导入新课：123R1动态相对定位1．动态相对定位种类；2.网络RTK设置方法。课时：2学时教学目标：1.熟悉动态相对定位的基本概念；2.熟悉单基站差分的结构形式；3.了解局域差分、广域差分；4.熟悉网络RTK的基本设置方法。知识目标：教学目标：1.会设置网络RTK。2.会根据无人机不同应用场景选择合适的动态相对定位方法。能力目标：素质目标：1.具有吃苦耐劳的工作作风和爱岗敬业的职业精神。2.具备三敬零无素养。R1.1动态相对定位种类动态相对定位是指将一台接收机安置在基准站上固定不动，基准站在协议地球坐标系中的坐标已知；另一台接收机安置在运动载体上，两台接收机同步观测相同卫星，以确定载体相对基准站的瞬时位置。R1.1动态相对定位种类

动态相对定位过程中存在三类误差。第一类是每一个用户接收机公有的，包括卫星钟误差、星历误差等；第二类是不能由用户测量或由校正模型计算的传播延迟误差，包括电离层误差、对流层误差；第三类是各用户接收机固有误差，包括内部噪声、通道延迟、多路径效应等。动态相对定位可以完全消除第一类误差，第二类可以大部分消除，主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三来误差则无法消除。动态相对定位根据采用的观测量不同，分为以测码伪距为观测量和以测相伪距为观测量的动态相对定位。R1.1