無人機導(dǎo)航定位技術(shù)簡介與分析

無人機導(dǎo)航定位技術(shù)簡介與分析

無人機導(dǎo)航定位工作主要由組合定位定向?qū)Ш较到y(tǒng)完成，組合導(dǎo)航系統(tǒng)實時

閉環(huán)輸出位置和姿態(tài)信息，為飛機提供精確的方向基準和位置坐標(biāo)，同時實時根

據(jù)姿態(tài)信息對飛機飛行狀態(tài)進行預(yù)測。組合導(dǎo)航系統(tǒng)由激光陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航、

衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機、組合導(dǎo)航計算機、里程計、高度表和基站雷達系統(tǒng)等組成。

結(jié)合了SAR圖像導(dǎo)航的定位精度、自主性和星敏感器的星光導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)測

定精度，從而保證了無人飛機的自主飛行。

無人機導(dǎo)航是按照要求的精度，沿著預(yù)定的航線在指定的時間內(nèi)正確地引導(dǎo)

無人機至目的地。要使無人機成功完成預(yù)定的航行任務(wù)，除了起始點和目標(biāo)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(dǎo)航參數(shù)。目前在無

人機上采用的導(dǎo)航技術(shù)主要包括慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、地形輔助導(dǎo)

航以及地磁導(dǎo)航等。這些導(dǎo)航技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點，因此，在無人機導(dǎo)航中，

要根據(jù)無人機擔(dān)負的不同任務(wù)來選擇合適的導(dǎo)航定位技術(shù)至關(guān)重要。

一、單一導(dǎo)航技術(shù)

1慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，依靠安裝在載體（飛機、艦船、火箭等）

內(nèi)部的加速度計測量載體在三個軸向運動加速度，經(jīng)積分運算得出載體的瞬時速

度和位置，以及測量載體姿態(tài)的一種導(dǎo)航方式。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)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(zhuǎn)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(jù)測得的加速度信號計算出飛行器的速度和位置數(shù)據(jù)?？刂骑@示器

顯示各種導(dǎo)航參數(shù)。慣性導(dǎo)航完全依靠機載設(shè)備自主完成導(dǎo)航任務(wù)，工作時不依

賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，不受氣象條件限制，是一

種自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)，具有完全自主、抗干擾、隱蔽性好、全天候工作、輸出導(dǎo)

航信息多、數(shù)據(jù)更新率高等優(yōu)點。實際的慣性導(dǎo)航可以完成空間的三維導(dǎo)航或

地面上的二維導(dǎo)航。

2定位衛(wèi)星導(dǎo)航

定位衛(wèi)星導(dǎo)航是通過不斷對目標(biāo)物體進行定位從而實現(xiàn)導(dǎo)航功能的。目前，

全球范圍內(nèi)有影響的衛(wèi)星定位系統(tǒng)有美國的GPS,歐洲的伽利略，俄羅斯的格拉

納斯。這里主要介紹現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的GPS全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航。

GPS全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航的基本原理:當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1

和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星

歷、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(dāng)用戶接

收到導(dǎo)航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用

戶的偽距R,再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位

置，由于用戶接收機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，引進一個At

即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)。為了求出接收機的位置x、y、z,

只要接收機測出四顆衛(wèi)星的偽距，利用公式⑴便可得到四個方程，聯(lián)立起來便

可求出四個未知數(shù)x、y、z和At。

R=J（%1-x）2+（%+y）2+（Z]-z）2+Az?c

▼（i）

3多普勒導(dǎo)航

多普勒導(dǎo)航是飛行器常用的一種自主式導(dǎo)航，多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)由磁羅盤或陀

螺儀表、多普勒雷達和導(dǎo)航計算機組成。它的工作原理是多普勒效應(yīng)，機上的多

普勒導(dǎo)航雷達不斷向地面發(fā)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(fā)射電磁波的頻率ft相差一個多普勒頻

率fdo從而根據(jù)公式⑵計算出無人機相對于地面的飛行速度（地速），以及偏

流角（即地速與無人機縱軸之間的夾角）。由于氣流的作用，偏流角的大小反映了

地速、風(fēng)速和空速之間的關(guān)系。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(jù)多普勒雷達提供的地速和偏流角

數(shù)據(jù)，以及磁羅盤或陀螺儀表提供的航向數(shù)據(jù)，導(dǎo)航計算機就可以不斷地計算

出無人機飛過的路線。

fd=f,^-cosy（2）

式中V為飛機的飛行速度，為空速和風(fēng)速的合成速度;Y為速度V與雷達波

束軸線之間的夾角。

4地形輔助導(dǎo)航

地形輔助導(dǎo)航是指飛行器在飛行過程中，利用預(yù)先儲存的飛行路線中某些地

區(qū)的特征數(shù)據(jù)，與實際飛行過程中測量到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行不斷比較來實施導(dǎo)航修

正的一種方法。

地形輔助導(dǎo)航可分為地形匹配、景像匹配和桑地亞慣性地形輔助導(dǎo)航。

1）地形匹配

地形匹配也稱為地形高度相關(guān)。其原理是:地球陸地表面上任何地點的地理

坐標(biāo)，都可以根據(jù)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，并據(jù)此作出專門的數(shù)字地圖并存入計算機，當(dāng)飛

機飛越某塊已數(shù)字化的地形時，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(biāo)高。飛行一段時間后，即可得到真航跡的

一串地形標(biāo)高。將測得的數(shù)據(jù)與預(yù)先存儲的數(shù)字地圖進行相關(guān)分析，確定飛機航

跡對應(yīng)的網(wǎng)格位置。因為事先確定了網(wǎng)格各點對應(yīng)的經(jīng)緯值，這樣便可以用數(shù)

字地圖校正慣導(dǎo)。

2）影像匹配

又稱影像相關(guān)。與地形匹配的區(qū)別是，預(yù)先輸入到計算機的信息不知是高度

參數(shù)，而是通過攝像等手段獲取的預(yù)定飛行路徑的景像信息，將這些景象數(shù)字化

后儲存在機載的相關(guān)計算設(shè)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(shè)備獲取飛行路徑中的景象。然后利用機載數(shù)字景

象匹配相關(guān)器將其所測與預(yù)存的景象進行相關(guān)比較以確定飛機的位置。

3）桑地亞慣性地形輔助導(dǎo)航

桑地亞慣性地形輔助導(dǎo)航采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(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的位置在數(shù)字地圖上找到地形高程。而慣導(dǎo)

系統(tǒng)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(dǎo)致了測量方

程的非線性。采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(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差狀態(tài)方程，經(jīng)遞推卡爾曼濾波算法可得到導(dǎo)航誤

差狀態(tài)的最佳估計。利用輸出校正可修正慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差，從而獲得最佳

導(dǎo)航狀態(tài)。

5地磁導(dǎo)航

地磁場為矢量場，在地球近地空間內(nèi)任意一點的地磁矢量都不同于其它地點

的矢量，且與該地點的經(jīng)緯度存在一一對應(yīng)的關(guān)系。因此，理論上只要確定該點

的地磁場矢量即可實現(xiàn)全球定位。

按照地磁數(shù)據(jù)處理方式的不同，地磁導(dǎo)航分為地磁匹配與地磁濾波兩種方

式。目前地磁匹配在導(dǎo)航應(yīng)用研究中更為廣泛，它是把預(yù)先規(guī)劃好的航跡某段區(qū)

域某些點的地磁場特征量繪制成參考圖（或稱基準圖）存貯在載體計算機中，當(dāng)

載體飛越這些地區(qū)時，由地磁匹配測量儀器實時測量出飛越這些點地磁場特征

量，以構(gòu)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(guān)匹配，

計算出載體的實時坐標(biāo)位置，供導(dǎo)航計算機解算導(dǎo)航信息。

地磁匹配類似地形匹配系統(tǒng)，區(qū)別在于地磁匹配可有多個特征量。

單一導(dǎo)航技術(shù)優(yōu)缺點分析

1）慣性導(dǎo)航。優(yōu)點是不依賴外界任何信息實現(xiàn)完全自主的導(dǎo)航，隱蔽性好，

不受外界干擾，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(dǎo)系統(tǒng)的影響。

2）GPS導(dǎo)航。優(yōu)點是全球性、全天候、連續(xù)精密導(dǎo)航與定位能力，實時性較

出色。缺點是易受電磁干擾;GPS系統(tǒng)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1Hz?2Hz,如果飛行器需要快速更新導(dǎo)航信息，單

獨搭載GPS系統(tǒng)就不能滿足飛行器更新信息的需要。

3）多普勒導(dǎo)航。優(yōu)點是自主性好，反應(yīng)快，抗干擾性強，測速精度高，能用

于各種氣候條件和地形條件。缺點是工作時必須發(fā)射電波，因此其隱蔽性不好;

系統(tǒng)工作受地形影響，性能與反射面的形狀有關(guān),如在水平面或沙漠上空工作時,

由于反射性不好就會降低性能;精度受天線姿態(tài)的影響;測量有積累誤差，系統(tǒng)會

隨飛行距離的增加而使誤差增大。

4）地形輔助導(dǎo)航。優(yōu)點是沒有累積誤差，隱蔽性好，抗干擾性能較強。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,

不適宜于在平原或者海面使用；同時還受天氣影響，在大霧和多云等天氣條件下

導(dǎo)航效果不佳;要求飛行器按照規(guī)定的路線飛行，不利于飛行器的機動性。

5）地磁導(dǎo)航。地磁導(dǎo)航具有無源、無輻射、隱蔽性強，不受敵方干擾、全天

時、全天候、全地域、能耗低的優(yōu)良特征，導(dǎo)航不存在誤差積累，在跨海制導(dǎo)方

面有一定的優(yōu)勢。缺點是地磁匹配需要存儲大量的地磁數(shù)據(jù);實時性與計算機處

理數(shù)據(jù)的能力有關(guān)。

二、組合導(dǎo)航

組合導(dǎo)航是指把兩種或兩種以上的導(dǎo)航系統(tǒng)以適當(dāng)?shù)姆绞浇M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(tǒng)時更高的導(dǎo)航性能。除了

可以將以上介紹的導(dǎo)航技術(shù)進行組合之外，還可以應(yīng)用一些相關(guān)技術(shù)定位提高精

度，比如大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、航跡推算技術(shù)等。

1）INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)

組合的優(yōu)點表現(xiàn)在:對慣導(dǎo)系統(tǒng)可以實現(xiàn)慣性傳感器的校準、慣導(dǎo)系統(tǒng)的空中對

準、慣導(dǎo)系統(tǒng)高度通道的穩(wěn)定等，從而可以有效地提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能和精度；

對GPS系統(tǒng)來說，慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助可以提高其跟蹤衛(wèi)星的能力，提高接收機動態(tài)

特性和抗干擾性。另外，INS/GPS綜合還可以實現(xiàn)GPS完整性的檢測，從而提高

可靠性。另外，INS/GPS組合可以實現(xiàn)一體化，把GPS接收機放入慣導(dǎo)部件中，

以進一步減少系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和成本，便于實現(xiàn)慣導(dǎo)和GPS同步，減小非同步

誤差。INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)是目前多數(shù)無人飛行器所采用的主流自主導(dǎo)航技

術(shù)。美國的全球鷹和捕食者無人機都是采用這種組合導(dǎo)航方式。

2）慣導(dǎo)/多普勒組合導(dǎo)航系統(tǒng)

這種組合方式既解決了多普勒導(dǎo)航受到地形因素的影響，又可以解決慣導(dǎo)自身的

累積誤差，同時在隱蔽性上二者實現(xiàn)了較好的互補。

3）慣導(dǎo)/地磁組合導(dǎo)航系統(tǒng)

利用地磁匹配技術(shù)的長期穩(wěn)定性彌補慣系統(tǒng)誤差隨時間累積的缺點，利用慣導(dǎo)系

統(tǒng)的短期高精度彌補地磁匹配系統(tǒng)易受干擾等不足，則可實現(xiàn)慣性/地磁導(dǎo)航，

具備自主性強、隱蔽性好、成本低、可用范圍廣等優(yōu)點，是當(dāng)前導(dǎo)航研究領(lǐng)域的

一個熱點。

4）慣導(dǎo)/地形匹配組合導(dǎo)航系統(tǒng)

由于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(dǎo)航系統(tǒng)長時間工作的累計誤差，提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。由于地形匹配

輔助導(dǎo)航系統(tǒng)具有自主性和高精度的突出優(yōu)點，將其應(yīng)用于裝載有多種圖像傳感

器的無人機導(dǎo)航系統(tǒng)，構(gòu)成慣性/地形匹配組合導(dǎo)航系統(tǒng)，將是地形匹配輔助導(dǎo)

航技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的未來趨勢。

5）GPS/航跡推算組合導(dǎo)航系統(tǒng)

航跡推算的基本原理:在GPS失效情況下，依據(jù)大氣數(shù)據(jù)計算機測得的空速、

磁航向測得的真北航向以及當(dāng)?shù)仫L(fēng)速風(fēng)向，推算出地速及航跡角。當(dāng)GPS定位信

號中斷或質(zhì)量較差時，由航跡推算系統(tǒng)確定無人機的位置和速度；當(dāng)GPS定位信

號質(zhì)量較好時，利用GPS高精度的定位信息對航跡推算系統(tǒng)進行校正，從而構(gòu)成

了高精度、高可靠性的無人機導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在以較高質(zhì)量保證了飛行安全和品

質(zhì)的同時，有效降低了系統(tǒng)的成本，使無人機擺脫對雷達、測控站等地面系統(tǒng)的

依賴。

三、無人機導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢