無人機飛行控制技術(shù)“十三五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)2導(dǎo)航系統(tǒng)是是各類運動器（包括飛機、艦船、航天器，甚至汽車）必不可缺少的子系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)的主要作用是：“定位”、“目的地選擇”、“路徑計算”和“路徑指導(dǎo)”，有的還具有授時功能。對無人機而言，導(dǎo)航系統(tǒng)更是無人機能否完成任務(wù)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。7.1

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)7.1.２慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS：InertialNavigationSystem）是利用慣性測量元件（IMU）測量載體相對于慣性空間的運動參數(shù)，并經(jīng)過計算后實施導(dǎo)航任務(wù)的。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)3通常對于靠近地球表面航行的飛機來說，最主要的導(dǎo)航信息是相對地球的即時位置和即時速度。研究三維導(dǎo)航時，表述空間位置的參數(shù)是經(jīng)度（λ）、緯度（φ）和離地高度（H），正好對應(yīng)地理坐標系沿東向（E）、北向（N）和天向（U）三個方向上的距離。而測量這些參數(shù)的最基本信息源是飛機的加速度矢量。加速度可以由加速度計測量。由加速度計測量載體的加速度，并在給定運動初始條件下，由導(dǎo)航計算機算出載體的速度、距離和位置（經(jīng)度、緯度和高度）；由陀螺儀測量載體的角運動，并經(jīng)轉(zhuǎn)換、處理，輸出載體的姿態(tài)角和航向。7.1

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)4位置信息可由以下公式來計算：加速度a由加速度計測量提供，速度V和距離Ｓ可分解為飛機的東、北、天三個方向的分量。7.1

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)57.1.２慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成7.1

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)67.1.２慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成7.1

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的描述可知，一個完整的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個主要部分。加速度計用于測量飛機運動的加速度，一般應(yīng)由三個加速度計完成東、北、天三個方向的測量。穩(wěn)定平臺為加速度計提供一個準確的安裝基準和測量基準，以保證不管飛機作什么樣的機動飛行，三個加速度計的空間指向是不變的。。導(dǎo)航計算機用于進行積分、相加、乘除和三角函數(shù)等數(shù)學計算?？刂骑@示器一個功用是向計算機輸人飛機的初始運動參數(shù)和位置參數(shù)；另一個功用是顯示飛行過程中的導(dǎo)航參數(shù)；還可以進行必要的控制操作，以實現(xiàn)慣性導(dǎo)航的更多功能。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)77.1

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)7.1.3平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱平臺式慣導(dǎo)）核心部分是有一個實際的陀螺穩(wěn)定平臺，平臺上的三個實體軸，重現(xiàn)了所要求的東、北、天地理坐標系三個軸向，它為加速度計提供了精確的安裝基準，保證了三個加速度計測得的值正好是導(dǎo)航計算時所需的三個加速度分量。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)87.1

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)7.1.4捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱捷聯(lián)式慣導(dǎo)），與平臺式慣導(dǎo)的主要區(qū)別就是不再有實體的陀螺穩(wěn)定平臺，加速度計和陀螺儀直接安裝在載體上?！捌脚_”這個概念和功能還是要有的，只是由導(dǎo)航計算機來實現(xiàn)，這時，關(guān)鍵問題是要將陀螺測量的繞機體的三個角速度，通過計算機實時計算，形成由機體坐標系向類似實際平臺的平臺坐標系轉(zhuǎn)換，即解出姿態(tài)矩陣表示式。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)97.1

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)有如下特點：慣性元件直接安裝在機體上，便于安裝維護和更換；慣性元件可直接給出機體線加速度和角速度信息，而這些信息是飛控系統(tǒng)所必須的；取消了機械平臺，減少了慣導(dǎo)系統(tǒng)中的機械零件，便于采用更多的慣性元件來實現(xiàn)余度技術(shù)，從而大大提高系統(tǒng)的可靠性；慣性元件的工作環(huán)境比平臺式慣導(dǎo)中的慣性元件要差，慣性元件誤差對系統(tǒng)誤差的影響要比平臺式慣導(dǎo)大。捷聯(lián)式慣導(dǎo)對慣性元件要求比平臺式慣導(dǎo)要高；用數(shù)學平臺取代機械平臺，增加了導(dǎo)航計算機的計算量，因機體姿態(tài)角的變化很快，可能達到400°/s，因此姿態(tài)計算必須有高速度的計算機。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)107.1

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)7.1.5慣性導(dǎo)航的發(fā)展1942年，德國V-2火箭上，用兩個三自由度位置陀螺儀控制箭體的姿態(tài)和航向。20世紀50年代，液浮陀螺構(gòu)成的平臺式慣導(dǎo)開始在飛機、艦船上廣泛使用。20世紀60年代動力諧調(diào)式撓性陀螺研制成功。20世紀70年代靜電陀螺研制成功，采用高壓靜電場支承取代機械支撐，并先后在核潛艇和遠程飛機上裝備靜電陀嫘平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)。20世紀80年代以后，以激光陀螺、光纖陀螺為代表的捷聯(lián)式慣導(dǎo)得到了極其飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)117.2GPS導(dǎo)航系統(tǒng)7.2.1

概述GPS全球定位系統(tǒng)是由美國海、陸、空三軍和國防測繪局聯(lián)合研究、開發(fā)、建立的利用衛(wèi)星進行定位、導(dǎo)航和時間傳遞的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，其英文全稱為NavigationSatelliteTimingandRangingGlobPositionSystem（導(dǎo)航衛(wèi)星計時和測距全球定位系統(tǒng)），縮寫為NAVSTARGPS，簡稱GPS（全球定位系統(tǒng)）。自20世紀80年代以來，以美國為代表的發(fā)達國家在開發(fā)GPS技術(shù)方面已作了大量工作。隨著衛(wèi)星技術(shù)、通信技術(shù)，特別是半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路和高頻集成電路的發(fā)展，GPS系統(tǒng)的造價已大大降低。因此，這一技術(shù)正在被很快地推廣到民用的各個領(lǐng)域，自1993年底，美同正式完成發(fā)射和布置了24顆專用衛(wèi)星組成的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)，并宣布對全世界開放服務(wù)。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)127.2GPS導(dǎo)航系統(tǒng)7.2.2GPS系統(tǒng)的組成全球定位系統(tǒng)由星座（導(dǎo)航衛(wèi)星）、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶接收機三個部分組成。星座由均勻分布在六個近圓形軌道上的24顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備份衛(wèi)星紐成。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)137.2GPS導(dǎo)航系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)包括五個監(jiān)測站、三個注人站和一個主控站。監(jiān)測站連續(xù)對每顆衛(wèi)星進行跟蹤觀測，并將測得的數(shù)據(jù)迸行預(yù)處理后傳送給主控站。主控站根據(jù)各監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星的星歷、鐘差修正參數(shù)，并將計算結(jié)果傳送給注入站，注人站每天當每顆衛(wèi)星運行到它的上空時，再將這些數(shù)據(jù)注人衛(wèi)星的存貯器，然后按預(yù)定程序進行發(fā)播。用戶設(shè)備是用來接收衛(wèi)星發(fā)播的信號，根據(jù)導(dǎo)航電文提供的衛(wèi)星位置和鐘差修正信息計算出接收機的位置。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)147.2GPS導(dǎo)航系統(tǒng)7.2.3GPS定位方法1.

偽距法定位全球定位系統(tǒng)采用多星高軌測距體制，以距離作為基本觀測量，通過對四顆衛(wèi)星同時進行的偽距測量，即可歸算出按收機的位置，由于測距可在極短的時間內(nèi)完成（即定位是在極短的時間內(nèi)完成的），故可用于動態(tài)用戶。偽距法測距是GPS接收機接收衛(wèi)星播發(fā)的偽隨機碼在所測距離上的延遲時間來推算出單程距離的，因此要求衛(wèi)星與接收機的時鐘嚴格同步。如果兩個時鐘不同步，那么所測量的傳播延遲時間中除了因衛(wèi)星至接收機之間的距離所引起的傳播延遲之外，還包含了兩個時鐘間的鐘差。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)157.2GPS導(dǎo)航系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)采用統(tǒng)一的原子時鐘系統(tǒng)，以t表示。所觀測的第j顆衛(wèi)星時鐘的鐘面時以tj表示，接收機時鐘的鐘面時以tR表示，由于衛(wèi)星鐘與接收機鐘與GPS原子時不同步，其鐘差分別為設(shè)自j衛(wèi)星發(fā)播的時刻為ts，接收機所接收的時刻為tr。顯然信號傳播延遲的時河為τ=tr-ts，故得衛(wèi)星至按收機的距離為

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)167.2GPS導(dǎo)航系統(tǒng)式中x、y、z—接收機在所采用的地球坐標系中的三維坐標值；xj、yj、zj—衛(wèi)星在同一坐標系中的坐標，它們可自衛(wèi)星發(fā)播導(dǎo)航電文中衛(wèi)星位置信息經(jīng)計算得到。只要對四顆衛(wèi)星同時進行觀測，即可解出上述四個參數(shù)，這就是GPS偽距法定位。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)177.2GPS導(dǎo)航系統(tǒng)2.載波相位法定位觀測GPS衛(wèi)星發(fā)射的載波相位，測量接收機所接收的衛(wèi)星載波信號與本地參考信號的相位差。設(shè)k接收機在接收機鐘面時為Tk時，本地參考信號的相位值為Φk(Tk)所接收的j衛(wèi)星載波信號的相位為Φkj(Tk)，則其相位觀測量為根據(jù)需要，經(jīng)解算便可得到待測點的坐標。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)187.2GPS導(dǎo)航系統(tǒng)3.差分GPS定位設(shè)有A、Ｂ兩點，且A點選在一控制點，其坐標（ｘＡ，yＡ）〉為一已知精確值，B點為待惻點，其精確坐標（ｘＢ，yＢ）需通過測量來確定。現(xiàn)分別在A、B兩點各放一臺GＰＳ接收機，同時接收處手最佳態(tài)的四顆衛(wèi)星發(fā)射的信號進行定位，設(shè)Ａ、B兩點的坐標測量值分別為ｘＡ測，yＡ測和ｘＢ測，yＢ測。由于地面Ａ、B兩點間的距離僅為幾至幾十干米，而衛(wèi)星至地球的距離為2萬多干米，因此在同一時刻四顆衛(wèi)星對地面兩測點的系統(tǒng)隨機誤差應(yīng)基本一致。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)197.2GPS導(dǎo)航系統(tǒng)ｘＡ測－ｘＡ＝△ｘＡｙＡ測－ｙＡ＝△ｙＡ△ｘＡ與△ｙＡ即為系統(tǒng)在某一時刻的隨機誤差。B點的精確坐標應(yīng)為ｘＢ＝ｘＢ測－△ｘＡｙＢ＝ｙＢ測－△ｙＡ可得A點坐標的測量值與精確值之差

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)207.3GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)7.3.1慨述

俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)簡稱GLONASS，可使數(shù)量不限的用戶在地球表面和近地空間的任何一點確定自己的坐標、速度和精確標定時間。7.3.2GLONASS的組成GLONASS包括空間、地面和用戶三個部分組成。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)217.3GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)1.空間部分GLONASS軌道群體由設(shè)置在三個圓形軌道平面上的24個衛(wèi)星組成。星上設(shè)備由導(dǎo)航設(shè)備、控制設(shè)備和姿態(tài)控制、穩(wěn)定、修正系統(tǒng)等組成。目前GLONASS系統(tǒng)的地面站網(wǎng)都由軍方管理。2.地面部分GLONASS系統(tǒng)的地面邯分由一個地面控制中心、四個指令測量站、四個激光測量站和一個監(jiān)測網(wǎng)組成。地面控制中心包括一個軌道計算中心、一個計劃管理中心和一個坐標時間保障中心，主要任務(wù)是接收處理來自各指令測量站和激光測量站的數(shù)據(jù)，完成精密軌道計算，產(chǎn)生導(dǎo)航電文，提供坐標時間保障，并發(fā)送對衛(wèi)星的上行數(shù)據(jù)注人和遙控指令，實現(xiàn)對整個導(dǎo)航系統(tǒng)的管理和控制。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)227.3GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)3.用戶同GPS一樣，GLONASS是一個具有雙重功能的軍用/民用系統(tǒng)。所有軍用和民用GLONASS用戶構(gòu)成用戶部分。7.3.3GLONASS的工作方式用戶可利用GLONASS的衛(wèi)星不斷播放的導(dǎo)航信號來確定坐標、速度和時間。用戶的導(dǎo)航接收機可自動接收不少于4顆衛(wèi)星播放的信號，并對接收機至衛(wèi)星的偽距及其變化的速度進行測量。在對衛(wèi)星播放的信號進行測量的同時，將導(dǎo)航信息分離出來，并進行加工處理。通過接收機的處理器對測量值和導(dǎo)航信息同時進行處理，計算出用戶的三個坐標、三個速度分量及精確的時間。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)237.4北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）7.4.1概述中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會已認定的供應(yīng)商。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具有短報文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)247.4北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）7.4.2系統(tǒng)構(gòu)成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5顆靜止軌道衛(wèi)星定點位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球軌道衛(wèi)星運行在3個軌道面上，軌道面之間為相隔120°均勻分布。

第7章無人機導(dǎo)航系統(tǒng)257.4北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）7.4.3系統(tǒng)功能BDS設(shè)計具備四大功能：短報文通信：北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報文通信功能，用戶可以一次傳送40-60個漢字的短報文信息。可以達到一次傳送達120個漢字的信息。在遠洋航行中有重要的應(yīng)用價值。精密授時：北斗系統(tǒng)具有精密授時功能，可向用戶提供20ns-100ns時間同步精度。定位精度：水平精度100米（1σ），設(shè)立標校站之后為20米（類似差分狀態(tài)）。工作頻率：2491.75MHz。系統(tǒng)容納的最大用戶數(shù)為540000戶/小時。軍用功能：“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的軍事功能與GPS類似，如：運動目標的定位導(dǎo)航；為縮短反應(yīng)時間的武器載具發(fā)射位置的快速定位；人員搜救、水上排雷的定位需求等。

第7章無人機導(dǎo)