无人机工作系统技术课件：无人机导航系统

无人机导航系统学习任务一

惯性导航系统的认知掌握惯性导航系统的基本原理。掌握惯性导航系统的分类、组成、工作原理。了解惯性导航系统的特点知识目标无人机发展早期，受电子信息工业的制约，无人机导航主要依赖地面雷达的无线电导航方式。1960年以后，随着陀螺仪、高度计、气压计等设备的进步，无人机开始使用惯性导航系统，从而形成能够独立工作、远程飞行的导航能力。但是，惯性导航测量系统的误差会不断积累放大，对于长航时远程无人机而言，在配置惯性导航系统的同时还需要配置额外的定位系统，以便于及时的对惯性系统误差进行修正。此时，一般还是需要采用雷达照射方式对惯性系统进行修正。2000年以后，全球卫星定位系统的构建完成使得无人机拥有了更加自由的飞行能力。原先惯性导航系统由主要导航系统地位演变成只提供飞行姿态的传感器系统，导航定位功能完全由卫星定位系统替代。不过，在卫星定位系统出现故障的时候，或者通信信号不佳的情况下，惯性导航系统仍然能够担负起导航的任务。任务描述知识点1：惯性导航系统的工作原理惯性导航系统（InertialNavigationSystem，简写为INS）是一种不依赖于外部信息，只通过载体内的传感器组合（主要为加速度计和陀螺仪）进行测量得到旋转速度和加速度信息，结合初始信息，依据力学定律计算得出载体方位信息。惯性导航系统主要是由计算机、加速度计、陀螺仪等其他运动传感器模块组成，其工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，故是一种自主式导航系统。知识点2：惯性导航系统的组成A包括加速度计和陀螺仪惯性元件。惯性测量组件B模拟一个导航坐标系惯性平台C根据加速度信号进行积分计算，还进行系统的标定、对准以及进行机内的检测和管理。导航计算机D给定初始参数及系统所需的其他参数，并实时显示导航信息。控制显示器知识点3：惯性导航系统的分类惯性导航系统按照采用的平台形式分为平台式导航系统（GimbaledInertialNavigationSystem，GINS）和捷联式导航系统（StrapdownInertialNavigationSystem，SINS）。1.平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统有三轴陀螺稳定平台，将加速度计固定在平台上，其敏感轴与平台轴平行，平台的三根稳定轴模拟一种导航坐标系。知识点3：惯性导航系统的分类2.捷联式惯性导航系统捷联式惯性导航系统将惯性测量元件直接固连在载体上，再将其输出通过数学平台（又称捷联矩阵之转换到导航坐标系的参量），进行导航解算。即无稳定平台，加速度计和陀螺仪直接与载体相连并跟随载体转动；陀螺仪用于测量载体角运动、计算载体姿态角，从而确定加速度计敏感轴指向；再通过坐标变换，将加速度计输出的信号变换到导航坐标系上，进行导航计算。惯性导航系统按照采用的平台形式分为平台式导航系统（GimbaledInertialNavigationSystem，GINS）和捷联式导航系统（StrapdownInertialNavigationSystem，SINS）。知识点4：惯性导航系统的特点特点因惯性导航的定位精度非常依赖于每一个环节的数据精度，而每个环节都是存在误差的，这样随着时间的延长，这些误差就会不断积累，导致最后结果的误差是个放大的量。所以，凡是采用惯性导航的无人机都需要一个额外的手段来定期地给予惯性导航一个修正值。惯性导航工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。惯性导航的优点包括可以实现全天候全时间工作于空中、地球表面、水下等地点，自主导航，屏蔽性好，受外界电磁干扰；数据更新率高，短期精度高，稳定性好。缺点优点学习任务二

全球定位系统（GPS）掌握GPS导航系统的概念、原理、组成、分类。掌握差分GPS技术的原理、组成。了解GPS导航在无人机中的应用。知识目标全球卫星导航系统也叫全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS），是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统，包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统。卫星导航是利用导航卫星发射的无线电信号，求出飞行器相对于卫星的位置，再根据已知的卫星相对地面的位置计算出飞行器的坐标。卫星导航系统由导航卫星、地面台站和用户定位设备三个部分组成。任务描述知识点1：GPS的组成GPS系统包括三大部分：空间星座部分——GPS卫星、地面控制部分——地面监控系统、用户设备部分——GPS信号接收机。知识点2：GPS导航原理GPS定位的基本原理实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS用户接收机的位置。知识点2：GPS导航原理GPS定位的基本原理实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS用户接收机的位置。知识点2：GPS导航原理GPS定位的基本原理实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS用户接收机的位置。知识点3：差分GPS技术差分GPS技术就是在GPS接收器相对较近的已知坐标点上布放一个GPS基准站，此基准站也可以接收到为地面接收器提供位置信息的4颗卫星的信号，根据这些信号算出坐标值，然后与已知的坐标比较，得出坐标的偏差量，然后将偏差量或者实时测得的载波相位，通过数传链路或移动通信网络发送给GPS接收器，接收器根据接收到的信息进行修正。知识点3：差分GPS技术根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。1.位置差分原理这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。其基本原理是安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，即存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。那么，最后得到改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况，位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。知识点3：差分GPS技术根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。2.伪距差分原理伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。其基本原理是在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。知识点3：差分GPS技术根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。3.载波相位差分（RTK）原理载波相位差分技术又称为RTK技术（realtimekinematic），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。知识点3：差分GPS技术4.PPK技术PPK（postprocessedkinematic)技术，即动态后处理技术。其系统也和RTK一样，是由基准站和流动站组成。PPK的工作原理，是利用进行同步观测的一台基准站接收机和至少一台流动接收机对卫星的载波相位观测量，并进行实时记录，省掉中间无线电传输的环节。在测量完成之后，使用GPS处理软件进行线性组合（后处理过程），形成虚拟的载波相位观测量值，确定接收机之间厘米级的相对位置，然后进行坐标转换得到流动站在地方坐标系中的坐标。知识点4：GPS导航的特点1.全球范围内连续覆盖A2.实现实时定位C3.定位精度高E4.静态定位观测效率高BD5.操作简单6.应用广泛F学习任务三

全球定位系统（GPS）掌握其他全球卫星导航系统的分类、组成、工作原理、特点。了解格洛纳斯卫星导航系统、伽利略卫星导航系统、北斗导航定位系统的现状及发展前景。了解常用的室内导航系统的种类及原理。能够完成无人机室内飞行时定位导航的设置。知识目标全球卫星导航系统除了美国的GPS导航系统外，还有俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统、欧洲的伽利略卫星导航系统和我国的北斗导航定位系统。另外因为在室内时，GPS等导航系统信号微弱，需要了解几种常见的室内定位技术。本任务主要是了解这些导航系统的组成、原理、优点等内容。任务描述知识点1：中国北斗导航定位卫星系统中国北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。知识点2：室内定位导航系统02激光SLAM03视觉SLAM01超声波+光流传感器04UWB定位系统学习任务四

无人机导航技术的应用能够分析总结多种导航系统在无人机上的应用。能够深入剖析某无人机的导航系统原理。3.能够根据应用需求选择无人机导航的方式。知识目标任务描述无人机导航系统负责向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态等矢量信息，引导无人机按照指定航线飞行，相当于无人机的“眼睛”。精准的无人机导航系统是无人机完成飞行任务的必要条件。如对于操控员来说，需要实时地知道任何时刻无人机的位置；对于无人机来说，当自主飞行时，也需要在飞任何时刻知道自己的位置；对于全自主飞行模式，无人机上叶必须搭载满足其任务性能所需的导航设备。相关知识点1：无人机导航系统无人机导航方法通常分为自主和非自主两大类。所谓自主导航，就是无人机完全依靠自身所载的设备，自主地完成导航任务，和外界不发生任何联系；否则称为非自主导航。目前无人机常用的导航有卫星导航系统、惯性导航系统、无线电跟踪系统、多普勒系统、图形匹配导航系统、地磁导航、天文导航等。多普勒导航图形匹配导航系统地磁导航卫星导航系统惯性导航系统无线电跟踪系统无人机导航系统相关知识点2：无人机导航系统的发展方向1.应用新型惯导系统，提高导航精度。随着激光惯导、光纤惯导和微固态惯性仪表等惯导系统的研制和应用，现代微机电系统的发展，微机械惯导系统的研制。惯导系统的功耗和体积变的越来越小，更加适于战术应用。加工工艺的提升和关键理论、技术的突破，会研发出更多高精度惯导装置。2.增加导航组合因子，提高导航健壮性。未来无人机对导航的稳定性和可靠性等性能提出更高的要求，增加组合导航因子，不再依赖于某―项或者某几项导航技术，当其中的一项或者几