郎为民1,姚晋芳2,余亮琴1,邹力1,王振义

导航系统是无人机的核心系统之一,主要用于向无人机提供速度、位置和飞行姿态等数据,引导无人机沿规划路线安全准时飞行。文章描述无人机的坐标系统,介绍INS(惯性导航系统)和GPS(全球定位系统)两种常用无人机导航系统的基本流程和应用领域,分析地图读取和天文导航等两种位置固定导航方法的工作原理,说明加速度计、陀螺仪、空速传感器和高度传感器等导航传感器的主要用途和测量指标,归纳导航系统的设计过程。     

小型无人机多传感器组合导航系统设计与实现

准确、可靠的运动状态数据对小型无人机运动控制至关重要,在实际飞行控制过程中通常要用到两种甚至更多传感器进行数据融合获取。文中根据小型无人机实际飞行运动控制需求,设计集成卫星导航(GPS)、惯性姿态参考系统(AHRS)和气压高度计的组合导航系统,采用多传感器数据融合算法,对无人机的位置、速度、加速度、姿态角等状态数据进行融合估计。通过实际飞行实验对所设计系统的有效性和实用性进行了验证。     

无人机地形匹配辅助导航系统设计与仿真

根据无人机的飞行任务需要, 提出一种适用于无人机的地形匹配辅助导航系统。该系统采用TERCOM算法和SITAN算法相结合的地形匹配组合导航算法, 以满足无人机机动飞行情况下连续匹配的要求。为验证系统的有效性, 根据真实地形数据, 建立由数字飞机、飞行控制系统、惯性导航系统和地形匹配系统组成的闭环仿真平台, 研究了不同飞行条件对导航精度的影响。仿真结果表明, 该系统能够有效提高无人机的自主导航精度, 具有较高的工程实用价值。     

SINS/GPS/TACAN组合导航的联邦卡尔曼滤波方法

针对无人机飞行末段的飞行特点,提出了一种用战术空中导航系统(TACAN)辅助惯性导航系统(INS)、全球卫星定位系统(GPS)的新组合导航模式。详细推导了一种系数加权的联邦卡尔曼算法,并将此算法运用到SINS/GPS/TACAN组合导航中。通过融合导航系统的导航信息估计出组合导航系统的误差状态量,以提高导航系统定位精度。此算法不必计算加权矩阵,从而避免了求解滤波误差方差阵的逆矩阵,运算速度有所提高。仿真计算结果表明,该算法可抑制滤波发散,并提高导航系统的精度和速度,此组合导航模式有较好的容错性和环境适应性,具有实用价值。     

基于北斗导航的无人机系统设计

随着无人机技术的发展和成本的降低,无人机的应用越来越广泛, 被广泛应用于军事侦察、民用等领域。我国自主研发的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)全球组网完成,可为无人机提供精确的位置、速度、姿态等飞行状态信息。本文研究设计了基于北斗导航的低成本微型四旋翼无人机,给出了无人机系统的总体和软硬件详细设计。研究了无人机姿态控制算法,给出了四旋翼无人机的运动方程和传递函数,对PID控制算法进行了仿真。并研究了无人机定高、定点控制算法,给出了仿真结果。对四旋翼无人机进行了实际飞行测试,结果表明：设计的无人机系统能够较好的控制飞行姿态,同时具有低成本、体积小等特点。     

基于MEMS振动陀螺的旋翼无人机组合导航算法设计

旋翼无人机需要惯导提供准确的角速度和加速度测量信息,而由于无人机的振动会对陀螺输出噪声产生影响,进而影响无人机的飞行平稳性。因此,该文提出了一种面向旋翼无人机的组合导航算法,基于扩展卡尔曼滤波,结合全球导航卫星系统/惯性导航系统(GNSS/INS)组合导航算法和无地磁传感器的航姿参考系统算法,在一定程度上解决了GNSS失效情况下的姿态稳定问题。针对旋翼无人机对导航系统输出信息平稳性的要求,采用自适应陀螺采样平滑方法,在少量增加数据处理复杂度的前提下,降低了航姿和角速度信息的噪声,在无人机应用中实现了良好的飞行轨迹重复性和控制平稳性。     

基于SINS/RTK的动平台起降无人机导航系统研制

针对无人机在动平台起降时对导航系统提出的导航精度高,解算无人机与动平台降落点的相对定位精度高,体积小及质量小等要求,该文基于捷联惯性导航（SINS）、北斗动动载波相位差分（RTK）技术及采用卡尔曼滤波多源导航信息融合技术,研制了动平台起降无人机导航系统。试验结果表明,系统地理系导航精度：航向≤02°（1σ(σ为方差））,姿态≤0.15°（1σ）,水平定位≤0.4 m（1σ）, 高度≤0.8 m（1σ）;动态下导航系统与移动基准站相对精度：水平定位≤0.05 m（1σ）,高度≤0.1 m（1σ）。飞行试验表明,导航系统满足无人机在动平台起降对导航精度的要求。     

无人驾驶飞机的GPS导航系统

本文介绍了目前无人驾驶飞机（无人机）的几种定位和导航方法，提出了一种新的无人机导航系统：ＧＰＳ导航系统；论述了该系统的总体方案，分析了其关键技术；设计并实现了系统的硬件和软件。该系统可自主导航，也可用遥控系统辅助导航，还可用遥测系统监测；可只用ＧＰＳ单机，也可借用遥控信道进行ＧＰＳ差分。这是一种应用前景很好的无人机导航系统。     

无人机导航技术应用与发展趋势

无人机导航系统是无人机完成给定任务的关键要素之一.本文分析了现有的导航技术和无人机导航系统应用现状.研究了不同类型无人机执行任务的环境、特点和相对应的导航方式;提出了未来无人机导航系统的发展趋势.     

GNSS/INS组合导航在飞行校验系统中的应用

目前的飞行校验系统以 GPS 作为空间基准,这种定位方式在精度、性能、可靠性方面都存在着固有缺陷。本文介绍的同步定位-姿态-导航(SPAN,Synchronous Position,Attitude and Navigation)技术集合了两种不同但互补的技术：全球导航卫星系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)定位技术和惯性导航技术。通过二者的结合,SPAN 技术可以达到取长补短的目的,组合后的导航系统无论在精度、性能、可靠性方面都优于单独的子系统。将这项技术应用于飞行校验系统,利用 GNSS 定位的绝对精度加上惯性测量单元(IMU)陀螺和加速计测量的稳定性,就可以在卫星信号丢失或者高动态应用环境下仍然提供持续、稳定、可靠的位置及姿态数据。     

小型无人机航路规划及自主导航算法研究

为了实现无人机自主导航功能,定义了以发射点为坐标原点的地理导航坐标系,给出由WGS-84坐标系到导航坐标系的具体转换公式;设计了航路中的航点结构,利用GPS接收机输出数据对无人机的位置进行两点式实时推算,对无人机在直线航路段和转弯段的判断和侧偏距进行了详细讨论,避免了超越函数的计算;利用比例-微分导航控制律求得无人机的滚转角,通过飞控系统控制无人机副翼舵机,修正飞行航迹,达到消除侧偏距的目的。这些方法和措施提高了小型无人机的自主导航控制精度和稳定性,使小型无人机具有较好的飞行品质。     

“北斗”导航系统和无线电台在无人机监控系统中的应用

针对GPS系统为美国军方控制的现状,研究了以我国已具备区域导航定位的能力的"北斗"卫星导航系统和无线数传电台为核心的无人机状态监控系统。系统以MSP430系列处理器为控制单元,利用UM220"北斗"导航接收机获取无人机的状态信息,通过无线数传电台EL805将机载信息发送至地面监控中心以及接收地面监控中心的控制指令,并利用虚拟仪器软件LabVIEW开发无人机监控平台,实现无人机飞行姿态的监控。引入范数的概念对"北斗"导航定位性能进行分析。实验测试表明,该系统运行稳定,人机交互界面良好,信息化程度较高。本研究对摆脱GPS,利用"北斗"实现无人机和通用航空飞机的导航和监控具有一定的参考价值。     

惯性导航位移参数在大地坐标系中的严密计算方法

对高速移动的物体进行连贯、精准的全球实时定位,需要运用在多方面互补的全球导航卫星系统(GNSS)和惯性导航系统(INS)进行组合导航(GNSS/INS)。针对两种导航系统所属坐标基准不统一的问题,提出了以全球导航卫星系统所依据的大地坐标系为基准,将惯性导航系统测得的三轴位移参数转换为参考椭球上沿大地经度、大地纬度和大地高方向位移值的严密计算方法。从而实现该组合导航系统中两种不同基准导航参数的精确融合,进而有效增强了GNSS/INS组合导航系统的精确性、稳定性和可靠性。     

共轴式无人驾驶直升机导航系统的设计

分析了某型号共轴式无人驾驶直升机的导航系统的设计原理和硬软件实现。导航系统利用PC104系统作为导航计算机,分别利用GPS信号和捷联惯导系统进行组合导航,能够满足无人机的导航要求,而且体积小,重量轻、可靠性高。在实际飞行中,导航系统成功的完成了导航任务,结果令人满意的。     

无人机视觉自主着陆仿真系统

计算机视觉导航技术具有精度高、不受电子干扰,成本低等特点,被誉为未来无人机自主着陆的必备手段之一。作为新一代着陆技术手段,视觉自主着陆技术需要进行大量的算法研究和飞行试验,因此有必要建立一个在实验室环境来验证所提方案的可行性。本文将虚拟现实、 可视化技术与计算视觉导航算法紧密结合起来,开发了一种无人机视觉自主着陆仿真验证系统, 构建场景模块,能够在复杂三维地形、不同气象条件下对无人机视觉自主着陆算法进行仿真验证, 实时计算和输出无人机着陆所需位置姿态参数。实验结果表明：该系统真实反映了无人飞行器飞行过程中的动态特性以及姿态角等的变化,并且具备良好的用户显控界面,验证了视觉自主着陆算法的可行性。     

无人机用MINS/光流组合导航系统

目的：减小因为惯导系统在无人机长航时飞行时的误差。方法：提出了一种用INS/光流/磁强计组合导航方案,基于扩展卡尔曼滤波,将INS与光流数据融合,估计无人机的速度和位置。当无人机静止或匀速运动时,将陀螺仪与加速计、磁强计的数据融合,估计无人机的姿态;当无人机加速或减速时,用陀螺仪估计无人机的姿态。结果：在不使用组合导航时,在大约50米的行驶路程中,就出现了近8米的累积误差,而使用组合算法后,所产生的误差不超过1米。结论：该方案有效的减少导航时的速度、位置和姿态的误差,提高导航精度。     

无人机遂行纯方位无源定位的建模研究

如今,无人机被广泛应用于辅助导航技术,且通常由多架无人机通过编队协同完成。为提升无人机编队飞行的效果,无人机遂行编队飞行的纯方位无源定位是当前的主流做法。文章基于最佳控制模型(FHOCP)与决策算法,快速有效地完成锥形编队中无人机的位置判断,通过设计最优调整方案,对问题进行求解与分析。文章设计的模型和算法对日常场景的无人机编队飞行具有较好的实用性。     

无人机卫星导航的接收定位故障实验

向飞行提供精确的方向和位置坐标,并且根据姿态信息对飞机飞行的状态进行预测,这些就是组合定位定向导航系统需要完成的任务。结合了相关竞争能定位软件的应用,在最大程度上保证了无人飞机的自主飞行。但是在精确定位中,总会有故障发生,这就需要将故障资源合理分析,并针对相关分析结果,优化无人机卫星导航定位技术。     

面向民用航空的SINS/DGPS组合导航融合方法

针对单频点地基增强系统不能满足飞机CAT III类精密进近与着陆导航需求问题,提出一种机载差分GPS(DGPS)与捷联式惯性导航系统(SINS)紧组合导航工作模式,利用SINS提高组合后系统的导航特性。分析了SINS/DGPS紧组合滤波模型,并构建了紧组合导航状态方程和量测方程,利用改进的Kalman滤波器对滤波状态进行最优估计与补偿。进行了计算机仿真与实际系统验证实验,实验结果表明,SINS/DGPS组合导航系统中,当卫星信号不可用时,利用SINS具备的自主性能够提高导航系统的连续性和可用性,同时组合导航系统位置误差标准差相比机载DGPS单系统减小了50%以上,提高了导航系统位置引导精度。     

无人机空管领域现状分析与空管系统设计

本文针对我国低空空域管理特点,分析我国无人机空管系统的现状,结合我国自主研发的北斗导航系统的应用,设计一种基于北斗 RDSS 和 ADS-B 的无人机空管系统的体系结构, 为低空空域无人机的安全飞行提供了一种技术保障手段。