一種基于偏振光的判定式組合導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了一種基于偏振光的判定式組合導(dǎo)航方法，屬于無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]無人機(jī)是一種利用無線電設(shè)備遙控或自身備份的程序裝置控制的不載人飛機(jī)。與載人飛機(jī)相比，它具有體積小、造價(jià)低、使用方便、對作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場生存能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著近年來技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)得到空前的發(fā)展，越來越受到各國和軍方的關(guān)注。無人機(jī)目前主要用于軍事偵查、騙敵誘餌、對地攻擊、通信中繼、航空遙感、救災(zāi)抗險(xiǎn)等，展現(xiàn)了巨大的市場前景。
[0003]盡然如此，但使用GPS導(dǎo)航的無人機(jī)在飛行過程中極易受到電磁干擾和人為因素的影響。伊朗利用美國無人機(jī)GPS“信號微弱、易于操縱”的弱點(diǎn)，切斷其與美國基地的通信線路，然后重構(gòu)它的GPS坐標(biāo)，引導(dǎo)它降落在伊朗境內(nèi)。因此無人機(jī)導(dǎo)航的方式對無人機(jī)飛行至關(guān)重要。目前主流的導(dǎo)航方式是以GPS為基礎(chǔ)的組合導(dǎo)航方式，各種組合導(dǎo)航方式很大程度上依賴GPS信息。但是在戰(zhàn)爭情況下，GPS信號很容易受到敵方干擾或電子誘騙。為了降低對GPS的依賴性，本發(fā)明加入了偏振光傳感器，引入了基于偏振光的導(dǎo)航定位方法。偏振光傳感器可以為無人機(jī)提供航向角信息，同時結(jié)合其他傳感器信息可以進(jìn)行無人機(jī)定位。如專利201310037586.4，公開了一種基于偏振光仿生導(dǎo)航的定位系統(tǒng)及其定位方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的旨在提供一種利用偏振光定位信息為基礎(chǔ)來判定GPS信號是否失真的判定式組合導(dǎo)航方法。解決的問題是在GPS信號失真的情況下，能夠及時識別出來，并切換組合導(dǎo)航的模式，從而能夠在一定時間內(nèi)保證無人機(jī)繼續(xù)按照預(yù)定的航線飛行。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0006]一種基于偏振光的判定式組合導(dǎo)航方法，該方法中使用的設(shè)備包括偏振光傳感器、慣性元件、GPS模塊、氣壓高度計(jì)和飛控計(jì)算機(jī)。偏振光傳感器和GPS模塊分別通過UART串口與飛控計(jì)算機(jī)連接，慣性元件通過SPI接口與飛控計(jì)算機(jī)連接，氣壓高度計(jì)通過I2C接口與飛控計(jì)算機(jī)連接，飛控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)處理各傳感器數(shù)據(jù)，此外在飛控計(jì)算機(jī)芯片中另固化有天文歷模塊程序。
[0007]慣性元件包括三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀。三軸加速度計(jì)用來測量三個方向的加速度信息，三軸陀螺儀用來測量飛機(jī)三個旋轉(zhuǎn)方向的角速度信息。
[0008]氣壓高度計(jì)用來測量無人機(jī)實(shí)時高度。
[0009]偏振光傳感器可以提供無人機(jī)的航向角，結(jié)合天文歷模塊提供實(shí)時的經(jīng)瑋度信息。
[0010]GPS模塊為無人機(jī)提供實(shí)時的經(jīng)度和瑋度信息。
[0011]天文歷模塊為偏振光導(dǎo)航定位提供不同時刻的太陽赤瑋以及均時差信息。
[0012]飛控計(jì)算機(jī)不僅要實(shí)時的處理各種傳感器傳來的數(shù)據(jù)并做出判斷，而且還要將處理的結(jié)果反饋給無人機(jī)的控制機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)的控制，同時也將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面的接收站以及接受地面控制人員的指令等任務(wù)。
[0013]一種基于偏振光的判定式組合導(dǎo)航方法，該判定式組合導(dǎo)航方法的具體步驟如下:
[0014](I)偏振光傳感器獲得無人機(jī)的航向角，慣性元件測得無人機(jī)的加速度和角速度，將航向角、加速度和角速度的數(shù)據(jù)輸送到子濾波器I中，經(jīng)過濾波信息融合處理得到無人機(jī)經(jīng)瑋度I。
[0015](2)偏振光傳感器和天文歷模塊將偏振方位角、太陽赤瑋以及均時差信息輸入飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，得到無人機(jī)經(jīng)瑋度2。
[0016](3)將無人機(jī)經(jīng)瑋度I和無人機(jī)經(jīng)瑋度2同時輸送到子濾波器2中，得到無人機(jī)經(jīng)瑋度3。
[0017](4) GPS模塊將無人機(jī)實(shí)時的經(jīng)瑋度信息輸送到飛控計(jì)算機(jī)中，通過無人機(jī)經(jīng)瑋度3來判定GPS信號的有效性；根據(jù)GPS模塊提供的經(jīng)瑋度和無人機(jī)經(jīng)瑋度3計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離Distance ;誤差區(qū)域ΛΡ即為以無人機(jī)經(jīng)瑋度3為圓心，以偏振光傳感器和天文歷模塊測得的無人機(jī)定位精度為半徑的圓區(qū)域，半徑用r表示；如果距離Distance大于半徑r,即GPS模塊測得經(jīng)瑋度落入誤差區(qū)域Δ P外，就認(rèn)定GPS信號失真，就以無人機(jī)經(jīng)瑋度信息3作為無人機(jī)下一個航點(diǎn)位置計(jì)算的依據(jù)；如果距離Distance小于半徑r，即GPS模塊測得經(jīng)瑋度落入誤差區(qū)域ΔΡ內(nèi)，認(rèn)定GPS信號的有效，將GPS模塊提供的位置信息與無人機(jī)經(jīng)瑋度3輸送到主濾波器中，最終得到無人機(jī)的位置信息。
[0018](5)慣性元件的輸出的位置誤差隨時間不斷發(fā)散，將無人機(jī)的最終位置信息反饋給子濾波器1，抑制慣性元件漂移所造成的位置誤差。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
[0020]1、加入了偏振光傳感器，一方面偏振光傳感器可以為無人機(jī)提供高精度的航向角，另一方面結(jié)合天文歷模塊可以提供經(jīng)瑋度信息。
[0021]2、偏振光導(dǎo)航是一種完全自主式的導(dǎo)航，不受電磁干擾。
[0022]3、該組合導(dǎo)航方法可以有效的判定GPS信號是否失真，在信號失真的情況下，仍然可以在一段時間內(nèi)保證無人機(jī)的正常飛行。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明使用傳感器和飛控計(jì)算機(jī)之間的關(guān)系圖。
[0024]圖2是本發(fā)明的程序執(zhí)行流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體技術(shù)方案對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步闡述。
[0026]實(shí)施例1
[0027]如圖1所示，本發(fā)明的設(shè)備包括飛控計(jì)算機(jī)、偏振光傳感器、慣性元件、氣壓高度計(jì)以及GPS模塊。這些傳感器將測得的原始數(shù)據(jù)實(shí)時的發(fā)送到飛控計(jì)算機(jī)里面，通過一系列的處理得到最初的位置、姿態(tài)和航向信息，將最初的位置與GPS模塊提供的位置作比較，以判斷GPS信號的有效性，最終再根據(jù)判斷的結(jié)果得到位置信息，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制機(jī)構(gòu)里面實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的控制。
[0028]實(shí)施例2
[0029]一種基于偏振光的判定式組合導(dǎo)航方法，該組合導(dǎo)航方法的具體步驟如下:
[0030]1、偏振光傳感器獲得無人機(jī)的航向角、慣性元件測得無人機(jī)的加速度和角速度，將這些數(shù)據(jù)輸送到子濾波器I中，經(jīng)過濾波融合處理得到無人機(jī)經(jīng)瑋度1，其中瑋度Latl =38.888205°，經(jīng)度 Lonl = 121.514868。。
[0031]2、飛控計(jì)算機(jī)通過偏振光傳感器和天文歷模塊傳來的數(shù)據(jù)獲得無人機(jī)經(jīng)瑋度2，其中瑋度Lat2 = 38.887143°，經(jīng)度Lon2 = 121.514982°，偏振光傳感器和天文歷模塊對無人機(jī)定位精度為100m，其定位精度不隨時間發(fā)生漂移。
[0032]3、將無人機(jī)經(jīng)瑋度I和無人機(jī)經(jīng)瑋度2同時輸送到子濾波器2中，得到無人機(jī)經(jīng)瑋度3，瑋度Lat3 = 38.888201°，經(jīng)度Lon3 = 121.514864°。以無人機(jī)經(jīng)瑋度3為圓心，以偏振光傳感器和天文歷模塊測得的無人機(jī)定位精度為半徑作圓。
[0033]4、GPS模塊將測得的無人機(jī)實(shí)時位置信息送入到飛控計(jì)算機(jī)中，通過無人機(jī)經(jīng)瑋度信息3來判定GPS信號的有效性。此處GPS模塊測得無人機(jī)的瑋度為經(jīng)度為Lat =38.888323°，Lon = 121.513962°。假設(shè)無人機(jī)飛行的位置始終處在北半球，僅對經(jīng)度作正負(fù)處理，設(shè)兩點(diǎn)經(jīng)瑋度為(LatA，LonA)和(LatB，LonB)，根據(jù)地球上任意兩點(diǎn)的經(jīng)瑋度計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離:
[0034]C= sin (LatA) *sin (LatB)+cos (LatA) *cos (LatB) *cos (LonA-LonB) (I)
[0035]Distance = R*arccos (C) * π /180 (2)其中 R = 6.371004e6m,將無人機(jī)經(jīng)瑋度3和GPS模塊測得的經(jīng)瑋度帶入公式(I)和公式(2)中，經(jīng)計(jì)算得Distance = 39.7428m。
[0036]誤差區(qū)域ΛΡ即為以無人機(jī)經(jīng)瑋度3為圓心，以偏振光傳感器和天文歷模塊測得的無人機(jī)定位精度為半徑的圓區(qū)域，半徑用r表示。如果Distance大于半徑r，也即GPS模塊測得經(jīng)瑋度落入誤差區(qū)域△ P外，就認(rèn)定GPS信號失真，這時就以無人機(jī)經(jīng)瑋度信息3作為無人機(jī)下一個航點(diǎn)位置計(jì)算的依據(jù)；如果Distance小于半徑r，也即GPS模塊測得經(jīng)瑋度落入誤差區(qū)域ΔΡ內(nèi)，認(rèn)定GPS信號的有效，將GPS信號與無人機(jī)經(jīng)瑋度3送入到主濾波器，得到無人機(jī)最終的位置信息。由于此處Distanced，故認(rèn)為GPS信號有效。同時將無人機(jī)的最終位置數(shù)據(jù)反饋給子濾波器I。用來校準(zhǔn)慣性元件漂移所造成的位置誤差。通過判定式組合導(dǎo)航方式，避免了對GPS的嚴(yán)重依賴性，同時偏振光傳感器的利用也增強(qiáng)了無人機(jī)導(dǎo)航的自主性和抗干擾能力。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于偏振光的判定式組合導(dǎo)航方法，其特征在于，偏振光傳感器和GPS模塊分別通過UART串口與飛控計(jì)算機(jī)連接，慣性元件通過SPI接口與飛控計(jì)算機(jī)連接，氣壓高度計(jì)通過I2C接口與飛控計(jì)算機(jī)連接，飛控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)處理各傳感器數(shù)據(jù)，在飛控計(jì)算機(jī)芯片中固化有天文歷模塊程序； 慣性元件包括三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀；三軸加速度計(jì)用來測量三個方向的加速度信息，三軸陀螺儀用來測量飛機(jī)三個旋轉(zhuǎn)方向的角速度信息； 氣壓高度計(jì)用來測量無人機(jī)實(shí)時高度； 偏振光傳感器提供無人機(jī)的航向角，結(jié)合天文歷模塊提供實(shí)時的經(jīng)瑋度信息； GPS模塊為無人機(jī)提供實(shí)時的經(jīng)度和瑋度信息； 天文歷模塊為偏振光導(dǎo)航定位提供不同時刻的太陽赤瑋以及均時差信息； 該判定式組合導(dǎo)航方法的步驟如下: (1)偏振光傳感器獲得無人機(jī)的航向角，慣性元件測得無人機(jī)的加速度和角速度，將航向角、加速度和角速度的數(shù)據(jù)輸送到子濾波器I中，經(jīng)過濾波信息融合處理得到無人機(jī)經(jīng)瑋度I ; (2)偏振光傳感器和天文歷模塊將偏振方位角、太陽赤瑋以及均時差信息輸入飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，得到無人機(jī)經(jīng)瑋度2 ; (3)將無人機(jī)經(jīng)瑋度I和無人機(jī)經(jīng)瑋度2同時輸送到子濾波器2中，得到無人機(jī)經(jīng)瑋度.3 ； (4)GPS模塊將無人機(jī)實(shí)時的經(jīng)瑋度信息輸送到飛控計(jì)算機(jī)中，通過無人機(jī)經(jīng)瑋度3來判定GPS信號的有效性；根據(jù)GPS模塊提供的經(jīng)瑋度和無人機(jī)經(jīng)瑋度3計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離Distance ;誤差區(qū)域Λ P即為以無人機(jī)經(jīng)瑋度3為圓心，以偏振光傳感器和天文歷模塊測得的無人機(jī)定位精度為半徑的圓區(qū)域，半徑用r表示；如果距離Distance大于半徑r，即GPS模塊測得經(jīng)瑋度落入誤差區(qū)域Δ P外，就認(rèn)定GPS信號失真，就以無人機(jī)經(jīng)瑋度信息3作為無人機(jī)下一個航點(diǎn)位置計(jì)算的依據(jù)；如果距離Distance小于半徑r，即GPS模塊測得經(jīng)瑋度落入誤差區(qū)域ΔΡ內(nèi)，認(rèn)定GPS信號的有效，將GPS模塊提供的位置信息與無人機(jī)經(jīng)瑋度3輸送到主濾波器中，最終得到無人機(jī)的位置信息； (5)慣性元件的輸出的位置誤差隨時間不斷發(fā)散，將無人機(jī)的最終位置信息反饋給子濾波器1，抑制慣性元件漂移所造成的位置誤差。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于偏振光的判定式組合導(dǎo)航方法，屬于無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。該方法使用的設(shè)備包括偏振光傳感器、慣性元件、GPS模塊、氣壓高度計(jì)和飛控計(jì)算機(jī)。通過偏振光傳感器和慣性傳感器的數(shù)據(jù)分別計(jì)算自身的經(jīng)緯度，然后將這兩個經(jīng)緯度信息進(jìn)行卡爾曼濾波，得到準(zhǔn)確經(jīng)緯度，將其與GPS模塊提供的經(jīng)緯度進(jìn)行比較，決定是否最終采用GPS模塊提供的經(jīng)緯度信息，形成一種新的判定式組合導(dǎo)航方法。通過該方法可以降低無人機(jī)對GPS的依賴性，防止受到人為干擾和電子誘騙，確保無人機(jī)能按照預(yù)定的航線飛行。
【IPC分類】G01S19-48
【公開號】CN104749600
【申請?zhí)枴緾N201510095682
【發(fā)明人】金仁成, 芮楊, 陳文 , 孫會生, 褚金奎, 華宗治
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年3月4日