一種抗gps失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法
【專利摘要】一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法，本發(fā)明涉及一種適用于固定翼無(wú)人機(jī)低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)的GPS失效后定向定姿方法。在每個(gè)計(jì)算周期，慣性測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)捷聯(lián)導(dǎo)航算法，更新當(dāng)前固定翼無(wú)人機(jī)航向姿態(tài)；再根據(jù)固定翼無(wú)人機(jī)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)特性判斷采取不同的信息融合濾波器：靜止或者低動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)情況下以三軸磁傳感器和三軸加速度計(jì)確定航向姿態(tài)最優(yōu)四元數(shù)為觀測(cè)值進(jìn)行Kalman濾波；大機(jī)動(dòng)情況下采用三軸磁傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)為觀測(cè)值實(shí)施Kalman濾波。依據(jù)Kalman濾波結(jié)果校正慣性測(cè)量單元誤差，更新導(dǎo)航數(shù)據(jù)和濾波器參數(shù)；進(jìn)入下一計(jì)算周期。本發(fā)明可用于任何包含GPS、慣性測(cè)量單元和三軸磁傳感器的固定翼無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中。
【專利說(shuō)明】一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法，該方法以低成本慣性測(cè)量單元和三軸正交磁傳感器為定向定姿傳感器，采用雙濾波器信息融合的思路，為固定翼無(wú)人機(jī)在GPS失效情況提供可信的定向定姿信息。本發(fā)明可用于任何包含GPS、慣性測(cè)量單元和三軸磁傳感器的固定翼無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中。
【背景技術(shù)】
[0002]GPS是固定翼無(wú)人機(jī)的重要導(dǎo)航設(shè)備，不僅提供固定翼無(wú)人機(jī)位置和速度信息，而且還與慣性測(cè)量單元信息融合提供固定翼無(wú)人機(jī)航向和姿態(tài)信息。但以無(wú)線電測(cè)距測(cè)速為主要技術(shù)特征的GPS難以避免受到大氣不穩(wěn)定、信號(hào)傳輸遮擋、多徑干擾等諸多隨機(jī)因素的影響，可靠性和精度常常降低甚至于失效。定位測(cè)速信息不準(zhǔn)確必然影響GPS+慣性測(cè)量單元融合定向定姿的精度，而定向定姿精度和可靠性直接關(guān)系無(wú)人機(jī)飛行控制安全。因此開(kāi)發(fā)抗GPS失效的定向定姿方法成為提高固定翼無(wú)人機(jī)可靠性的必要途徑。
[0003]固定翼無(wú)人機(jī)除了 GPS —般還安裝慣性測(cè)量單元和三軸磁傳感器兩類導(dǎo)航設(shè)備。慣性測(cè)量單元中的陀螺獲取三維角速度信息，慣性測(cè)量單元中的加速度計(jì)獲取三維加速度信息；三軸磁傳感器感測(cè)地磁場(chǎng)在三維方向的投影分量。但目前兩類導(dǎo)航設(shè)備分立工作，在GPS失效情況下慣性測(cè)量單元誤差因缺乏校正信息而隨時(shí)間快速積累，無(wú)法提供可信的航向姿態(tài)；三軸磁傳感器也因?yàn)槿狈尚诺淖藨B(tài)信息而無(wú)法給出有效的磁航向。本發(fā)明針對(duì)慣性測(cè)量單元和三軸磁傳感器分立工作的問(wèn)題，提出采用基于固定翼無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)特性的雙Kalman濾波器信息融合方法，在GPS失效情況下依然能夠校正慣性測(cè)量單元誤差，使其提供可信的姿態(tài)，同時(shí)支持三軸磁傳感器給出有效的磁航向。滿足固定翼無(wú)人機(jī)安全飛行控制的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法,其特征在于包括以下步驟:
[0006](I)基于GPS收星數(shù)量、速度精度和位置精度，固定翼無(wú)人機(jī)飛行期間不斷檢測(cè)GPS是否失效，若GPS未失效，繼續(xù)正常的導(dǎo)航程序；若GPS失效，進(jìn)入GPS失效定向定姿工作模式。
[0007](2) GPS失效后立即以GPS有效期間導(dǎo)航數(shù)據(jù)確定GPS失效定向定姿工作模式初始狀態(tài)，保證固定翼無(wú)人機(jī)在GPS失效前后導(dǎo)航數(shù)據(jù)連續(xù)性。
[0008](3)在每個(gè)計(jì)算周期，首先利用慣性測(cè)量單元提供的三維正交角速度和加速度測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)捷聯(lián)導(dǎo)航算法，實(shí)時(shí)更新當(dāng)前固定翼無(wú)人機(jī)航向姿態(tài)、速度和位置。
[0009](4)根據(jù)固定翼無(wú)人機(jī)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)特性判斷采取不同的信息融合方法，主要考慮固定翼無(wú)人機(jī)三軸運(yùn)動(dòng)加速度的大小:運(yùn)動(dòng)加速度超過(guò)設(shè)定門(mén)限值則認(rèn)為固定翼無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)屬于大機(jī)動(dòng)情況，反之則認(rèn)為固定翼無(wú)人機(jī)處于靜止或者低動(dòng)態(tài)情況。
[0010](5)如果固定翼無(wú)人機(jī)靜止或者低動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)情況，以三軸磁傳感器和三軸加速度計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用優(yōu)化搜索的方式確定航向姿態(tài)最優(yōu)四元數(shù)，以該最優(yōu)四元數(shù)為觀測(cè)量，構(gòu)建四維觀測(cè)量Kalman濾波器模型。
[0011](6)如果固定翼無(wú)人機(jī)做大機(jī)動(dòng)，以三軸磁傳感器為觀測(cè)量，構(gòu)建三維觀測(cè)量Kalman濾波器模型。
[0012](7)用兩種Kalman濾波器狀態(tài)變量估計(jì)值校正慣性測(cè)量單元的器件誤差和導(dǎo)航誤差。
[0013](8)上述步驟迭代重復(fù)計(jì)算。
[0014]本發(fā)明的原理是:GPS在固定翼無(wú)人機(jī)中發(fā)揮的作用包括直接提供位置、速度信息，間接與慣性測(cè)量單元信息融合提供航向姿態(tài)信息。當(dāng)GPS失效后慣性測(cè)量單元獨(dú)立工作，誤差隨時(shí)間快速積累，無(wú)法提供可信的航向姿態(tài)信息。本發(fā)明利用了 GPS和慣性測(cè)量單元之外的運(yùn)動(dòng)傳感器——三軸磁傳感器，感測(cè)地球磁場(chǎng)作為觀測(cè)量，通過(guò)信息融合濾波器為慣性測(cè)量單元提供了誤差抑制的途徑。信息融合濾波器的具體形式隨著固定翼無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性而變化，固定翼無(wú)人機(jī)靜止或者低動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)情況下以三軸磁傳感器和三軸加速度計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定航向姿態(tài)最優(yōu)四元數(shù)，采用最優(yōu)四元數(shù)為觀測(cè)值進(jìn)行Kalman濾波；固定翼無(wú)人機(jī)大機(jī)動(dòng)情況下采用三軸磁傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)為觀測(cè)值進(jìn)行Kalman濾波；依據(jù)Kalman濾波結(jié)果校正慣性測(cè)量單元誤差，更新導(dǎo)航數(shù)據(jù)和濾波器參數(shù)。實(shí)現(xiàn)在GPS失效情況下定向和定姿功能。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:以低成本、MEMS工藝慣性測(cè)量單元和低成本、MEMS工藝三軸正交磁傳感器為定向定姿傳感器，滿足無(wú)人機(jī)機(jī)載電子設(shè)備低功耗、小體積、輕質(zhì)量的限制。GPS失效后立即以GPS有效期間導(dǎo)航數(shù)據(jù)確定GPS失效定向定姿工作模式的初始狀態(tài)，保證固定翼無(wú)人機(jī)在GPS失效前后的數(shù)據(jù)連續(xù)性。根據(jù)固定翼無(wú)人機(jī)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)特性判斷采取不同的信息融合方法，主要考慮固定翼無(wú)人機(jī)三軸運(yùn)動(dòng)加速度的大小:運(yùn)動(dòng)加速度超過(guò)設(shè)定門(mén)限值則認(rèn)為固定翼無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)屬于大機(jī)動(dòng)情況，反之則認(rèn)為固定翼無(wú)人機(jī)處于靜止或者低動(dòng)態(tài)情況。在同一套固定翼無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中，同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)濾波器:每個(gè)迭代計(jì)算步驟中，針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)特性選擇采用適當(dāng)?shù)臑V波器形式，提高了慣性測(cè)量單元和三軸磁傳感器信息融合的精度，為固定翼無(wú)人機(jī)提供了可信的定向定姿信息。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明的抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)雙濾波器定向定姿方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1所示，本發(fā)明的具體方法如下:
[0018]1、固定翼無(wú)人機(jī)飛行期間不斷檢測(cè)GPS是否失效:
[0019]設(shè)μ為GPS失效門(mén)限，K，δ?, δ V分別為收星顆數(shù)、定位誤差、測(cè)速誤差，若K≥4
且:K/δlδV> μ，則認(rèn)為GPS正常工作，反之則認(rèn)為GPS失效。[0020]2、GPS失效后判斷無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)特性:ax，ay, az表示無(wú)人機(jī)三軸加速度計(jì)測(cè)量值，ατ2+<+<>1.125,則無(wú)人機(jī)處于大機(jī)動(dòng)情況；否則，無(wú)人機(jī)處于靜止或者低動(dòng)態(tài)情況，
1.125為歸一化的機(jī)動(dòng)判斷門(mén)限。
[0021]3,GPS失效后立即以GPS有效期間導(dǎo)航數(shù)據(jù)確定GPS失效定向定姿工作模式的初始狀態(tài)，保證固定翼無(wú)人機(jī)在GPS失效前后的數(shù)據(jù)連續(xù)性:
[0022]Lnocps > λ noGPS > Hnocps > VEnocps > VNnocps > VUnocps > iPnoGPs' Θ noGPS、Y noGPS 表不 GPS 失效后的緯度、經(jīng)度、高度、東向速度、北向速度、天向速度、航向角、俯仰角、橫滾角等導(dǎo)航參數(shù)，
[0023]Leps、λ eps、Heps、VEgps、VNgps、VUgpsΘ Gps> y GPS 表示 GPS 正常情況的對(duì)應(yīng)導(dǎo)航參
數(shù)。失效后導(dǎo)航參數(shù)初始化為
[0024]Lnocps — Lgps, λ noGPS — λ GPS, λ noGPS — λ GPS
[0025]VEnocps = VEgps, VNnocps = VNgps, VUnocps = VUgps
[0026](PnuGPS iPcps, Θ noGPS — Θ GPS, y noGPS — Y GPS
[0027]4、利用慣性測(cè)量單元提供的三維正交角速度和加速度測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法，實(shí)時(shí)更新當(dāng)前固定翼無(wú)人機(jī)航向姿態(tài)、速度和位置，同時(shí)更新姿態(tài)對(duì)應(yīng)的方向
余弦矩陣
【權(quán)利要求】
1.一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法，其特征在于:以低成本慣性測(cè)量單元和三軸正交磁傳感器為定向定姿傳感器；在每個(gè)計(jì)算周期，慣性測(cè)量單元數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)捷聯(lián)導(dǎo)航算法，更新當(dāng)前固定翼無(wú)人機(jī)航向姿態(tài)和其他導(dǎo)航數(shù)據(jù)；根據(jù)固定翼無(wú)人機(jī)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)特性判斷采取不同的信息融合方法:固定翼無(wú)人機(jī)靜止或者低動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)情況下以三軸磁傳感器和三軸加速度計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定航向姿態(tài)最優(yōu)四元數(shù)，采用最優(yōu)四元數(shù)為觀測(cè)值進(jìn)行Kalman濾波；固定翼無(wú)人機(jī)大機(jī)動(dòng)情況下采用三軸磁傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)為觀測(cè)值進(jìn)行Kalman濾波；依據(jù)Kalman濾波結(jié)果校正慣性測(cè)量單元誤差，更新導(dǎo)航數(shù)據(jù)和濾波器參數(shù)；進(jìn)入下一個(gè)重復(fù)計(jì)算周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法，其特征在于:固定翼無(wú)人機(jī)飛行期間不斷檢測(cè)GPS是否失效，GPS失效與否的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不僅僅考慮收星數(shù)量，還包括速度精度和位置精度。若GPS未失效，繼續(xù)進(jìn)入正常的導(dǎo)航程序；若GPS失效，進(jìn)入本發(fā)明方法所述步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法，其特征在于:GPS失效后立即以GPS有效期間導(dǎo)航數(shù)據(jù)確定GPS失效定向定姿工作模式的初始狀態(tài)，保證固定翼無(wú)人機(jī)在GPS失效前后的數(shù)據(jù)連續(xù)性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法，其特征在于:以低成本、MEMS工藝慣性測(cè)量單元和低成本、MEMS工藝三軸正交磁傳感器為定向定姿傳感器，滿足無(wú)人機(jī)機(jī)載電子設(shè)備低功耗、小體積、輕質(zhì)量的限制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法，其特征在于:在每個(gè)計(jì)算周期，首先利用慣性測(cè)量單元提供的三維正交角速度和加速度測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)捷聯(lián)導(dǎo)航算法，實(shí)時(shí)更新當(dāng)前固定翼無(wú)人機(jī)航向姿態(tài)、速度和位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法，其特征在于:根據(jù)固定翼無(wú)人機(jī)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)特性判斷采取不同的信息融合方法，主要考慮固定翼無(wú)人機(jī)三軸運(yùn)動(dòng)加速度的大小:運(yùn)動(dòng)加速度超過(guò)設(shè)定門(mén)限值則認(rèn)為固定翼無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)屬于大機(jī)動(dòng)情況，反之則認(rèn)為固定翼無(wú)人機(jī)處于靜止或者低動(dòng)態(tài)情況。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法，其特征在于:如果固定翼無(wú)人機(jī)靜止或者低動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)情況，以三軸磁傳感器和三軸加速度計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用優(yōu)化搜索的方式確定航向姿態(tài)最優(yōu)四元數(shù)，以該最優(yōu)四元數(shù)為四維觀測(cè)值，構(gòu)建四維觀測(cè)量Kalman濾波器模型。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法，其特征在于:如果固定翼無(wú)人機(jī)做大機(jī)動(dòng)，此時(shí)加速度計(jì)數(shù)據(jù)不適用于確定航向姿態(tài)，僅以三軸磁傳感器為三維觀測(cè)值，構(gòu)建三維觀測(cè)量Kalman濾波器模型。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法，其特征在于:兩種Kalman濾波器狀態(tài)變量相同，無(wú)論采用何種信息融合方法都能夠統(tǒng)一估計(jì)并校正慣性測(cè)量單元的器件誤差和導(dǎo)航誤差。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種抗GPS失效固定翼無(wú)人機(jī)定向方法，其特征在于:本發(fā)明所述方法在GPS失效期間始終迭代重復(fù)計(jì)算。
【文檔編號(hào)】G01C21/16GK103994766SQ201410197198
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】盛蔚, 孫丁圣 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)