專利名稱：適用于無人機(jī)在下滑著陸階段的組合導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及一種無人機(jī)在下滑著陸階段的組合導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
下滑著陸階段是無人機(jī)自動控制、自主起降中最為關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)，而高精度的導(dǎo)航和引導(dǎo)系統(tǒng)是無人機(jī)實現(xiàn)自動安全著陸的重要保證。研究精確安全的著陸引導(dǎo)方法和設(shè)備歷來是航空界的一個重要的研究領(lǐng)域。現(xiàn)有技術(shù)儀表著陸系統(tǒng)(ILS)是飛行員在飛機(jī)下滑著陸階段依靠飛機(jī)安裝的儀表·數(shù)據(jù)對飛機(jī)進(jìn)行操作，但無人機(jī)具有無人駕駛的特點，所以傳統(tǒng)的儀表著陸系統(tǒng)不能滿足無人機(jī)下滑著陸時使用需要。微波著陸系統(tǒng)(MLS)是一套龐大的系統(tǒng)，一般是建立在固定的機(jī)場內(nèi)，建設(shè)費(fèi)用昂貴，一般需要花費(fèi)幾百萬美元。無人機(jī)具有價格相對低廉、需要經(jīng)常轉(zhuǎn)場，設(shè)備架設(shè)不需要固定場所，沒有固定的正規(guī)機(jī)場的特點，所以微波著陸系統(tǒng)(MLS)在靈活性上不能充分發(fā)揮無人機(jī)的特點?？v觀國內(nèi)外以往使用的著陸引導(dǎo)系統(tǒng)在引導(dǎo)系統(tǒng)，常用的引導(dǎo)方法有儀表著陸系統(tǒng)(ILS)和微波著陸系統(tǒng)(MLS)兩種，這兩種著陸引導(dǎo)系統(tǒng)都能滿足飛機(jī)的進(jìn)場著陸要求，但存在精度低，可靠性相對較差，價格昂貴，系統(tǒng)龐大，不能滿足無人機(jī)高可靠性，高精度，價格低廉、經(jīng)常轉(zhuǎn)場等的要求。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時和測距，具有在海、陸、空全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。根據(jù)測量學(xué)中測距交匯確定點位的方法，利用GPS接收機(jī)同時接收三個以上衛(wèi)星傳送的信息，交匯出地面點的三維坐標(biāo)。目前GPS衛(wèi)星發(fā)送兩種碼粗捕獲碼(C/A碼)和精碼(P碼)。C/A碼是民用的，P碼是限于供美軍及其盟軍以及美國政府批準(zhǔn)的用戶使用的加密碼。我們目前使用系統(tǒng)利用C/A碼計算定位，單點水平定位精度為10 m，這樣的精度不能滿足無人機(jī)下滑著陸時的使用要求。全球定位系統(tǒng)(GPS)在信號的發(fā)送和接收過程中不可避免地出現(xiàn)誤差，這些誤差根據(jù)其性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差，其中系統(tǒng)誤差無論從其大小還是對定位結(jié)果的影響都比偶然誤差大得多。系統(tǒng)誤差是有一定的規(guī)律可循，對于那些用戶接收機(jī)和基準(zhǔn)站共同的誤差，通過差分方式被消除掉或明顯減少。差分GPS (DGPS)是目前應(yīng)用最廣的是偽距差分技術(shù)，其工作原理是用戶站利用已知位置坐標(biāo)的基準(zhǔn)站得到的偽距誤差來較正自己的偽距，利用改正后的偽距求解出本身的位置，就可消除公共誤差，提高定位精度。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)能測量出載體包括高度在內(nèi)的位置定位，它是通過測量飛機(jī)垂直地面運(yùn)動的線加速度來測量飛行高度的，該系統(tǒng)具有不依賴外界信息、隱蔽性好、抗輻射性強(qiáng)、全天候等優(yōu)點，是機(jī)載設(shè)備中能提供多種導(dǎo)航參數(shù)的重要導(dǎo)航設(shè)備。但它的定位誤差隨時間而積累，其定位精度在正常羅經(jīng)對準(zhǔn)的狀態(tài)下第一導(dǎo)航小時(CEP)為I. 5海里，導(dǎo)航六小時為6海里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于差分GPS系統(tǒng)的定位精度(Im)，長時間工作后積累的誤差越來越大，使得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不宜作遠(yuǎn)距離導(dǎo)航，無法為無人機(jī)的下滑著陸提供精確的位置信息。差分GPS系統(tǒng)具有較高的導(dǎo)航精度，但是該系統(tǒng)不能提供如載體姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)，而且在飛行載體上使用時，由于載體的機(jī)動運(yùn)動，常使接收機(jī)不易捕獲和跟蹤衛(wèi)星的載波信號，甚至對已跟蹤的信號失鎖?？柭?Kalman)濾波是一種線性遞推最小方差估計，算法具有遞推性，使用狀態(tài)空間法在時域內(nèi)設(shè)計濾波器，適于對多維隨機(jī)過程(平穩(wěn)的、非平穩(wěn)的)進(jìn)行估計，具有連續(xù)和離散兩類算法，便于在計算機(jī)上實現(xiàn)。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，Kalman濾波理論作為一種最重要的估計理論被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計是其應(yīng)用比較成功的一個方面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出一種高精度，低價格，工程實現(xiàn)簡單，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獨立，不受Kalman濾波器影響的適用于無人機(jī)在下滑著陸階段的組合導(dǎo)航方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種無人機(jī)在下滑著陸階段的組合導(dǎo)航方法，其特征包括如下步驟
(1)在無人機(jī)起飛或滑行機(jī)場，選定一個精確的定位測量數(shù)據(jù)點，將該數(shù)據(jù)點的經(jīng)度，緯度，高度數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，輸入差分GPS地面站的解算軟件中，以獲取偽距，差分GPS地面站的發(fā)射天線發(fā)射偽距信息；
(2)用裝于無人機(jī)上的機(jī)載差分GPS天線，當(dāng)接收到三個或以上衛(wèi)星的GPS信號時，交匯出飛機(jī)所在位置的位置信息坐標(biāo)，求解出無人機(jī)真實的位置坐標(biāo)。機(jī)載差分GPS電臺將接收的差分GPS地面站發(fā)射的偽距信息，實時修正為無人機(jī)下滑著陸的坐標(biāo)信息；
(3)機(jī)載差分GPS天線通過一路RS232將求解出的無人機(jī)真實的位置坐標(biāo)發(fā)送給安裝于飛機(jī)上獨立的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。將GPS測得的飛機(jī)位置信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過力學(xué)編排得到的INS數(shù)據(jù)同步送人時域Kalman濾波器，經(jīng)處理后將得到的一組位置、速度、姿態(tài)角等狀態(tài)變量，修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實測的飛機(jī)位置信息，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)再將修正后的無人機(jī)的位置、速度、姿態(tài)角等狀態(tài)數(shù)據(jù)通過一路RS422發(fā)送給無人機(jī)的飛行控制計算機(jī)，飛行控制計算機(jī)根據(jù)精確的無人機(jī)位置、速度、姿態(tài)角數(shù)據(jù)信息對無人機(jī)下滑著陸進(jìn)行引導(dǎo)。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。本發(fā)明根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和差分GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航功能互補(bǔ)的特點，將完全自主的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與高精度的差分GPS系統(tǒng)組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)兩者組合來成為差分GPS / INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，引導(dǎo)無人機(jī)下滑著陸，提高系統(tǒng)的整體導(dǎo)航精度、導(dǎo)航性能、空中對準(zhǔn)和再對準(zhǔn)的能力。GPS接收機(jī)在慣性導(dǎo)航位置和速度信息的輔助下，能改善捕獲、跟蹤和再捕獲能力，并在衛(wèi)星分布條件差或可見星少的情況下導(dǎo)航精度不致下降過大的顯著優(yōu)點。差分GPS系統(tǒng)的定位精度達(dá)到lm，提高了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，本發(fā)明解決了無人機(jī)在下滑著陸階段的高精度的導(dǎo)航和引導(dǎo)的問題，為無人機(jī)自動安全著陸提供重要保證，保證了無人機(jī)在下滑著陸階段的安全，提高了整個無人機(jī)系統(tǒng)的可靠性，并且較傳統(tǒng)導(dǎo)航方法具有高可靠性，高精度，價格低廉、能滿足無人機(jī)系統(tǒng)需要經(jīng)常轉(zhuǎn)場等的特殊要求。


下面結(jié)合附圖和實施例對本技術(shù)進(jìn)一步說明。
圖I是本發(fā)明差分GPS/ INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式參閱圖I。結(jié)合某型無人機(jī)介紹差分GPS/ INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的具體實施方式
。某型無人機(jī)上安裝有一套機(jī)載差分GPS系統(tǒng)，一套完全自主的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和一臺飛行控制計算機(jī)，這三部分組成閉環(huán)，在無人機(jī)進(jìn)行飛行、滑跑試驗的機(jī)場跑道設(shè)置一套差分GPS地面站，共同組成差分GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。差分GPS系統(tǒng)由安裝于無人機(jī)上的GPS機(jī)載差分電臺和設(shè)置于機(jī)場跑道基準(zhǔn)點的差分GPS地面站兩部分共同組成，差分GPS系統(tǒng)的精度可達(dá)lm。發(fā)明的實現(xiàn)步驟包括 (I)在無人機(jī)進(jìn)行起飛或滑行試驗的機(jī)場跑道上選定一個基準(zhǔn)數(shù)據(jù)點，利用高精度的海事衛(wèi)星定位儀，該定位儀的測量精度可達(dá)厘米級，對該數(shù)據(jù)點進(jìn)行精確的定位測量，測得該位置點的經(jīng)度，緯度，高度數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。(2)在無人機(jī)進(jìn)行飛行或者滑跑試驗時，將差分GPS系統(tǒng)中的差分GPS地面站置于基準(zhǔn)數(shù)據(jù)點上，開啟差分GPS地面站接收來自衛(wèi)星的GPS信號，在接收衛(wèi)星數(shù)目達(dá)到三個或三個以上時，差分GPS地面站就能交匯出基準(zhǔn)數(shù)據(jù)點的實時定位數(shù)據(jù)，即對該點經(jīng)度，緯度，高度三個數(shù)據(jù)進(jìn)行實時測量，將高精度的海事衛(wèi)星定位儀測得的基準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)輸入差分GPS地面站的解算軟件中，獲得偽距。差分GPS地面站的發(fā)射天線將解算出的偽距信息發(fā)射出去。(3)安裝于無人機(jī)上的機(jī)載差分GPS系統(tǒng)的接收天線接收來自衛(wèi)星的GPS信號，在接收衛(wèi)星數(shù)目達(dá)到三個或三個以上時，機(jī)載差分GPS系統(tǒng)就能交匯出飛機(jī)所在位置的位置信息坐標(biāo)；機(jī)載差分GPS系統(tǒng)的電臺接收天線接收差分GPS地面站的發(fā)射天線發(fā)射的偽距信息，消除公共誤差，修正機(jī)載差分GPS系統(tǒng)實時測量的無人機(jī)的位置坐標(biāo)信息。(4)機(jī)載差分GPS天線將實測的無人機(jī)位置信息通過一路RS232發(fā)送給安裝于飛機(jī)上獨立的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。將GPS測得的飛機(jī)位置信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過力學(xué)編排得到的INS數(shù)據(jù)同步送人時域Kalman濾波器，經(jīng)處理后將得到的一組位置、速度、姿態(tài)角等狀態(tài)變量的最優(yōu)值，從而修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實測的飛機(jī)位置信息。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)再將修正后的無人機(jī)的位置、速度、姿態(tài)角等狀態(tài)數(shù)據(jù)通過一路RS422發(fā)送給飛行控制計算機(jī)，飛行控制計算機(jī)根據(jù)精確的無人機(jī)位置、速度、姿態(tài)角數(shù)據(jù)信息對無人機(jī)下滑著陸進(jìn)行引導(dǎo)。
權(quán)利要求
1.一種無人機(jī)在下滑著陸階段的組合導(dǎo)航方法，包括如下步驟 (1)在無人機(jī)起飛或滑行機(jī)場，選定一個精確的定位測量數(shù)據(jù)點，將該數(shù)據(jù)點的經(jīng)度，緯度，高度數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，輸入差分GPS地面站的解算軟件中，以獲取偽距，差分GPS地面站的發(fā)射天線發(fā)射偽距信息； (2)用裝于無人機(jī)上的機(jī)載差分GPS天線，將接收到的三個或以上衛(wèi)星的GPS信號，交匯出飛機(jī)所在位置的位置信息坐標(biāo)，求解出無人機(jī)真實的位置坐標(biāo)，同時將差分GPS地面站求解的偽距信息通過天線發(fā)射，為實時修正為無人機(jī)下滑著陸的坐標(biāo)信息提供修正依據(jù)； (3)機(jī)載差分GPS電臺接收差分GPS地面站發(fā)射的偽距信息實時修正飛機(jī)位置信息，通過在一路RS232發(fā)送給安裝在飛機(jī)上的獨立的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)修正實測的飛機(jī)位置信息，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)再將修正后的無人機(jī)的位置、速度、姿態(tài)角數(shù)據(jù)通過一路RS422發(fā)送給飛行控制計算機(jī)，飛行控制計算機(jī)根據(jù)精確的無人機(jī)位置、速度、姿態(tài)角數(shù)據(jù)信息對無人機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求I所述的無人機(jī)在下滑著陸階段的組合導(dǎo)航方法，其特征在于，差分GPS系統(tǒng)由安裝于無人機(jī)上的機(jī)載差分GPS和設(shè)置于機(jī)場跑道基準(zhǔn)點的差分GPS地面站兩部分共同組成。
3.如權(quán)利要求I所述的無人機(jī)在下滑著陸階段的組合導(dǎo)航方法，其特征在于，機(jī)載差分GPS系統(tǒng)的電臺接收天線接收差分GPS地面站的發(fā)射天線發(fā)射的偽距信息，消除公共誤差，修正機(jī)載差分GPS系統(tǒng)實時測量的無人機(jī)的位置坐標(biāo)信息。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種無人機(jī)在下滑著陸階段的組合導(dǎo)航方法，旨在提供一種低價格，工程實現(xiàn)簡單的組合導(dǎo)航方法。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)(1)在滑行試驗/飛行的機(jī)場，選定一個精確的定位測量數(shù)據(jù)點作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，輸入差分GPS地面站的解算軟件中；(2)當(dāng)機(jī)載差分GPS天線接收到三個或以上衛(wèi)星的GPS信號時，機(jī)載差分GPS天線就交匯出無人機(jī)的位置信息坐標(biāo)，用差分GPS地面站發(fā)射的偽距信息實時修正機(jī)載差分GPS天線實時測量的無人機(jī)坐標(biāo)信息，消除公共誤差；(3)將修正后的無人機(jī)實時位置坐標(biāo)信息，通過一路RS232信號發(fā)送給安裝與飛機(jī)上的獨立的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實測的飛機(jī)位置、速度、姿態(tài)角等狀態(tài)數(shù)據(jù)，將精確的位置信息通過一路RS422發(fā)送給飛行控制計算機(jī)，對飛機(jī)的下滑著陸進(jìn)行精確控制。
文檔編號G01S19/41GK102707306SQ201110449740
公開日2012年10月3日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者余長貴, 徐曉婷, 易軍, 魏林 申請人:成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司