無人機技術原理第五章無人機的導航技術慣性導航技術1.無人機慣性導航背景

在無人機導航系統中，慣性導航系統被認為是最重要的一種導航系統。慣性導航是以測量運動體加速度為基礎的導航定位方法，測量到的加速度經過一次積分可以得到運動速度，經過二次積分可以得到運動距離，從而給出運動體的瞬時速度和位置數據。這種不依賴外界信息，只靠載體自身的慣性測量來完成導航任務的技術也叫自主式導航。慣性導航系統就是一種利用慣性敏感器件、基準方向及最初的位置信息來確定運載體在慣性空間中的位置、方向和速度的自主式導航系統，有時也簡稱為慣導。2.無人機慣性導航原理和組成假設物體做勻速或變速直線運動，其瞬時位置都取決于初始位置、速度的大小和作用的時間，而速度則取決于初始速度、加速度的大小和作用的時間。也就是說，位置是對速度的積分，速度是對加速度的積分。3.陀螺儀凡能繞定點高速旋轉的物體，都可以成為陀螺。利用陀螺的力學性質所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀。4.加速度計凡能繞定點高速旋轉的物體，都可以成為陀螺。利用陀螺的力學性質所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀。5.平臺式慣性導航系統平臺式慣性導航系統是將陀螺儀和加速度等慣性元件通過萬向支架角運動隔離系統與運動載物固聯的慣性導航系統。慣性導航技術6.捷聯式慣性導航系統

捷聯慣導系統（SINS）是在平臺式慣導系統基礎上發展而來的，它是一種無框架系統，由三個速率陀螺、三個線加速度計和微型計算機組成。捷聯式慣性導航系統原理圖衛星定位導航技術

衛星導航是借助在預定空間軌道上運行的人造衛星而進行的一種導航技術。在衛星導航中，用戶通過測定其相對于衛星的位置可以確定自己在地球上的位置。1.GPS系統2.GLONASS系統GLONASS衛星導航定位系統是在20世紀70年代美蘇兩霸冷戰競爭時代開始研制的，經過20多年努力，于1995年建成。GLONASS系統空中有24顆衛星3.GALILEO系統GALILEO計劃是由歐盟發起，歐盟和歐空局（ESA）共同負責的民用衛星導航服務計劃，旨在建立一個民用全球衛星導航服務系統。GPS全球定位系統的空間星座由24顆工作衛星構成（BlockII，其中3顆為備用衛星）。4.北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星定位與通信系統（BDS），是繼美國GPS和GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統。視覺導航技術1.視覺里程計（VisualOdometry，VO）2.特征匹配3.根據匹配好的特征點估計相機運動4.重建5.直接法（DirectMethods）組合導航技術組合導航系統是將無人機上的導航設備組合成一個統一的系統，利用兩種或兩種以上的設備提供多重信息，構成一個多功能、高精度的冗余系統。組合導航的優勢體現在以下幾個方面：1)協作互補功能。綜合各子系統的導航信息，取長補短，形成單個子系統不具備的功能和精度，提升導航信息輸出頻率，擴大系統的使用范圍。2)余度功能。各個系統觀測同一信息源，測量值冗余度大，增強了導航系統的可靠性與穩定性。組合導航技術

大多數GPS/INS組合系統都采用松組合或緊組合方式。兩者的區別在于：在松組合中，GPS提供的量測信息是位置和速度等最終導航結果，由于GPS的位置和速度通常是相關的（在GPS接收機內部采用卡爾曼濾波器的情況下尤為嚴重），使組合濾波器的估計精度受到影響，并且當導航星少于4顆而無法定位解算時，系統的組合將被完全破環，整個導航系統性能就會迅速惡化；而緊組合中，GPS提供的量測信息是偽距、偽距率和多普勒頻率等接收機用于定位的原始信息，克服了松組合方式中量測信息的相關性問題，提高了組合系統的導航精度，且當可用星數目不足4顆時，也可以進行導航。松組合與緊組合方式的實質都是GPS對INS的輔助，缺少對GPS接收機的輔助，當組合系統中GPS接收機跟蹤性能下降時，會影響組合系統的導航性能。超緊組合方式則是對INS、GPS進行更深層次的信息融合，一方面為INS提供誤差校正信息以提高導航精度，另一方面利用校正后的INS量測信息為GPS跟蹤環路提供輔助信息。隨著航空、航天、軍事等應用對導航系統的高動態、抗干擾等性能要求的提升，超緊組合導航技術逐步成為國內外研究的重點。導航系統的組合方式介紹組合導航技術

超緊組合是一種在硬件級進行一體化的組合方式，除了通過估計INS誤差對INS進行反饋校正外，還使用校正后INS信息對GPS接收機的載波環、碼環進行輔助或直接用INS信息閉合載波環和碼環跟蹤環路。超緊組合一體化在實現方式上分為兩種：一種是在傳統標量接收機的內部，INS輔助接收機碼環或載波跟蹤環路，輔助后的接收機再與INS采用緊組合方式組合；另一種是用矢量跟蹤環路代替傳統的GPS接收機跟蹤環路，并用組合濾波器代替矢量跟蹤接收機中的導航濾波器。第一種超緊組合方式通常稱為INS輔助GPS超緊組合，但在實際應用中普遍認為，只要INS能夠輔助衛星信號的捕獲和跟蹤，就可以將兩者之間的組合方式稱為超緊組合。第二種超緊組合方式稱為基于矢量跟蹤環路的GPS/INS超緊組合，我們將這種矢量跟蹤超緊組合稱為深組合。GPS/INS深組合算法又可以根據接收機與卡爾曼濾波器之間信息流動方式的不同分為兩類：相關算法和非相關算法。相關算法是把GPS相關累加器輸出的I，Q信號直接作為卡爾曼濾波器的量測信息；而非相關算法是先將I，Q信號經傳統跟蹤環路中的碼相位和載波鑒頻器處理，然后再作為卡爾曼濾波器的量測信息。下面將對INS輔助GPS超緊組合、相關深組合和非相關深組合的結構、特點以及國內外研究動態分別進行對比分析。GPS／INS超緊組合系統概念與分類組合導航技術1.INS輔助GPS超緊組合模式INS輔助GPS超緊組合是最簡單的超緊組合模式，只需在緊組合系統結構的基礎上，利用組合導航濾波器對載體多普勒頻率進行估計，并將估計結果輸送到接收機內部對跟蹤環路進行輔助。不同GPS／INS超緊組合模式結構2.GPS/INS深組合模式GPS/INS深組合模式是基于GPS矢量跟蹤結構提出的，它將GPS信號的跟蹤與GPS/INS信息組合功能集中在一個單獨的估計算法中，而INS輔助GPS超緊組合是以傳統標量跟蹤結構為基礎的。3.GPS/INS相關深組合模式根據組合導航卡爾曼濾波器結構的不同，相關深組合可以分為集中濾波相關深組合和級聯濾波相關深組合。來自GPS接收機的I、Q信號直接作為組合導航卡爾曼濾波器的量測信息。由于集中濾波相關深組合模式存在計算負擔重、狀態方程可觀測性差、數據跳變等缺點，因此，對于所有實際實現的相關深組合系統都采用了級聯卡爾曼濾波結構。4.GPS/INS非相關深組合模式非相關深組合中，I、Q信息不需要數據清除，而是直接通過與傳統跟蹤環中鑒別器相似的鑒別器模塊計算碼相位和載波頻率偏差。隨后這些偏差經求和與比例運算得到頻率為1-2Hz的偽距、偽距率信息，這些信息直接作為組合導航濾波器的量測量。為了估計碼相位偏差，相關深組合算法中必須估計出載波相位偏差，而非相關深組合由于碼相位鑒別功能獨立于載波相位鑒別器，因此不需要估計載波相位偏差。組合導航技術1.INS輔助GPS超緊組合模式

從INS輔助GPS超緊組合模式的結構中可以看到，INS的輔助反饋中包含的載體動態信息，不僅可以減小GPS接收機碼環和載波所跟蹤載體的動態，從而減小碼環和載波環的等效帶寬，提高整個系統在高動態環境下的抗干擾能力，還可以降低環路濾波器的帶寬，達到抑制熱噪聲的目的，這就有效解決了傳統跟蹤環設計中存在的動態跟蹤性能與抗干擾能力之間的矛盾。因此，與緊組合導航方式相比，接收機動態性能和抗干擾性能有了很大的改善；在硬件實現上，對傳統GPS接收機的結構改造小，可操作性強。但是對于這種結構，如果采用低水平的INS，如MEMS-IMU，當載體高動態運動或受到強干擾時，可能會造成跟蹤環路不能有效跟蹤多普勒頻率誤差的快速變化，進而使跟蹤環路失鎖、組合濾波器變得不穩定。另外，由于輔助跟蹤環的結構中存在濾波器級聯，當環路濾波器帶寬小于卡爾曼濾波器的有效帶寬時，輔助構型會變得不穩定。其次，每個衛星信號都采用獨立的跟蹤環進行跟蹤，因此對跟蹤環路數控震蕩器（NCO）的控制不能充分利用已有的導航信息進行輔助，這會影響跟蹤環路在強噪聲和超高動態環境中的跟蹤能力。不同超緊組合模式特點2.GPS/INS深組合模式GPS/INS深組合模式與INS輔助GPS超緊組合模式相比，其優點為：1)深組合導航系統基于矢量跟蹤結構，提高了GPS接收機在較低信噪比環境（信號衰減、受到偶然或故意干擾等）中的信號跟蹤性能。2)一般INS輔助GPS超緊組合的跟蹤環路帶寬不能隨著載噪比水平的變化而進行調節，而優化的深組合算法會根據載噪比水平調節跟蹤環路帶寬，這樣就增強了系統在受干擾情況下的導航性能。3)在GPS信號出現短暫中斷后，深組合系統可以不需要重捕獲而保持連續跟蹤；INS輔助GPS超緊組合系統則仍需要進行信號的重捕獲。4)INS輔助GPS超緊組合系統中存在濾波器串聯，為了避免組合導航不穩定，實際使用中，需要對組合導航濾波器的噪聲帶寬進行限制，以保證其小于跟蹤環路帶寬。而深組合系統去除了這種串聯，使其有了更好的導航性能。組合導航技術不同超緊組合模式特點2.GPS/INS深組合模式GPS/INS深組合模式與INS輔助GPS超緊組合模式相比，其優點為：1)深組合導航系統基于矢量跟蹤結構，提高了GPS接收機在較低信噪比環境（信號衰減、受到偶然或故意干擾等）中的信號跟蹤性能。2)一般INS輔助GPS超緊組合的跟蹤環路帶寬不能隨著載噪比水平的變化而進行調節，而優化的深組合算法會根據載噪比水平調節跟蹤環路帶寬，這樣就增強了系統在受干擾情況下的導航性能。3)在GPS信號出現短暫中斷后，深組合系統可以不需要重捕獲而保持連續跟蹤；INS輔助GPS超緊組合系統則仍需要進行信號的重捕獲。4)INS輔助GPS超緊組合系統中存在濾波器串聯，為了避免組合導航不穩定，實際使用中，需要對組合導航濾波器的噪聲帶寬進行限制，以保證其小于跟蹤環路帶寬。而深組合系統去除了這種串聯，使其有了更好的導航性能。3.GPS/INS相關深組合模式根據組合導航卡爾曼濾波器結構的不同，相關深組合可以分為集中濾波相關深組合和級聯濾波相關深組合。來自GPS接收機的I、Q信號直接作為組合導航卡爾曼濾波器的量測信息。由于集中濾波相關深組合模式存在計算負擔重、狀態方程可觀測性差、數據跳變等缺點，因此，對于所有實際實現的相關深組合系統都采用了級聯卡爾曼濾波結構。4.GPS/INS非相關深組合模式非相關深組合中，I、Q信息不需要數據清除，而是直接通過與傳統跟蹤環中鑒別器相似的鑒別器模塊計算碼相位和載波頻率偏差。隨后這些偏差經求和與比例運算得到頻率為1-2Hz的偽距、偽距率信息，這些信息直接作為組合導航濾波器的量測量。為了估計碼相位偏差，相關深組合算法中必須估計出載波相位偏差，而非相關深組合由于碼相位鑒別功能獨立于載波相位鑒別器，因此不需要估計載波相位偏差。組合導航技術各種GPS／INS組合方式性能對比量的名稱松組合緊組合INS輔助GPS超緊組合相關深組合非相關深組合捕獲能力一般一般好好好再捕獲能力一般一般良好好好定位精度一般良好好很好好弱信號或強干擾差一般良好好很好實現難度很小小一般稍大稍大系統成本較高，必須使用高精度IMU較高，必須使用高精度IMU較低，可以采用低質量MEMSIMU較低，可以采用低質量MEMSIMU較低，可以采用低質量MEMSIMU其他INS、GPS相互獨立INS、GPS獨立性減小INS、GPS超緊耦合，跟蹤環相互獨立INS、GPS超緊耦合，根治環相互影響INS、GPS超緊耦合，根治環相互影響不同組合方式性能比較組合導航技術北斗/慣導深組合導航算法在所有的組合導航系統中，以北斗與慣性導航系統INS組合的系統最為理想，而深組合方式是北斗與慣性導航系統組合的最優方法。鑒于GPS

的不可依賴性，北斗衛星導航系統與INS的組合是我國組合導航系統的發展趨勢，我國自主研制北斗/INS深組合導航系統需要解決的關鍵技術。深組合導航算法是由INS導航結果推算出偽距、偽距率，與北斗定位系統觀測得到的偽距、偽距率作差得到觀測量。通過卡爾曼濾波對INS的誤差和北斗接收機的誤差進行最優估計，并根據估計出的INS誤差結果對INS進行反饋校正，使INS保持高精度的導航。同時利用校正后的INS速度信息對北斗接收機的載波環、碼環進行輔助跟蹤，消除載波跟蹤環和碼跟蹤環中載體的大部分動態因素，以降低載波跟蹤環和碼跟蹤環的階數，從而減小環路的等效帶寬，增加北斗接收機在高動態或強干擾環境下的跟蹤能力。其組合方式如圖所示，圖中只畫出了北斗的一個通道，其他通道均相同。組合