全球定位系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)自主回收上的應(yīng)用

李文鵬

（中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì)，興城 125106）

全球定位系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)自主回收上的應(yīng)用

李文鵬

（中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì)，興城 125106）

著陸是無(wú)人機(jī)回收的重要環(huán)節(jié)，也是關(guān)鍵技術(shù)。本文簡(jiǎn)要介紹無(wú)人機(jī)的發(fā)展背景及發(fā)展趨勢(shì)，并以無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)不同類(lèi)型的GPS誤差，研究差分模式、原理；建立坐標(biāo)系，推導(dǎo)不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式，建立自主回收模型。研究表明，本文結(jié)論對(duì)無(wú)人機(jī)自主回收技術(shù)的研究具有一定的參考價(jià)值。

全球定位系統(tǒng) 無(wú)人機(jī) 自主回收

引言

無(wú)人機(jī)（UAV）指的是無(wú)人駕駛的未安裝戰(zhàn)斗部的飛行器。無(wú)人機(jī)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代，之后廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域當(dāng)做靶標(biāo)使用，如美國(guó)的“石雞”靶機(jī)。直至美蘇等發(fā)達(dá)國(guó)家研制了偵察用的無(wú)人機(jī)，如美國(guó)的“RQ-8A火力偵察兵”無(wú)人機(jī)，尤其在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中無(wú)人機(jī)的成功應(yīng)用，使人們意識(shí)到無(wú)人機(jī)的重要性[1-2]。無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)（UCAV）的投入使用，將人們對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了顛覆性改變[3]。無(wú)人機(jī)的廣泛使用，最大的優(yōu)點(diǎn)是減少人員的傷亡，同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)要求，在未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)上必將成為關(guān)鍵武器之一[1]。

無(wú)人機(jī)的飛行離不開(kāi)導(dǎo)航系統(tǒng)，如今多數(shù)無(wú)人機(jī)仍然使用的是全球定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱GPS（Global Position System）。無(wú)人機(jī)具有手持發(fā)射、零長(zhǎng)發(fā)射、滑跑起飛、母機(jī)發(fā)射、垂直起飛等起飛方式，具有傘降回收、空中回收、滑跑著陸、繩網(wǎng)攔截回收、氣墊著陸等回收方式。雖然多數(shù)時(shí)候，起飛和回收并不屬于無(wú)人機(jī)的任務(wù)過(guò)程，但這兩個(gè)環(huán)節(jié)往往是事故高發(fā)環(huán)節(jié)。因此，提高回收性能，可以降低墜機(jī)的概率。

1 差分模式

本文研究對(duì)象是滑跑著陸方式的無(wú)人機(jī)。全球定位系統(tǒng)可以為無(wú)人機(jī)提供位置和速度信息，其價(jià)格實(shí)惠，易于安裝，應(yīng)用較為廣泛。但是，由于全球定位系統(tǒng)誤差較大，往往達(dá)到百米以上，使自主回收的精度無(wú)法保證。如果對(duì)其算法進(jìn)行修正完善，提供準(zhǔn)確的方位角、攻角、距離等信息，將實(shí)現(xiàn)其精度較大程度的提高。具體表現(xiàn)為，有一個(gè)地理位置明確的點(diǎn)，假設(shè)這一點(diǎn)坐標(biāo)為(X0,Y0,Z0)，由它測(cè)量衛(wèi)星，得到它的位置坐標(biāo)為(X,Y,Z)，得到觀察值的修正數(shù)據(jù)，再傳送給無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)根據(jù)修正量，經(jīng)過(guò)差分計(jì)算，得到準(zhǔn)確的定位信息。

衛(wèi)星和接收機(jī)存在一定的誤差，電路延遲、噪音等都是影響因素。在鎖定位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤信號(hào)，這些失真信息會(huì)帶來(lái)誤差。全球定位系統(tǒng)會(huì)鎖定所有來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)載波。如果信號(hào)保持穩(wěn)定連續(xù)，使載波平滑穩(wěn)定，將會(huì)在一定程度上減小誤差。由于在信號(hào)傳遞過(guò)程中，存在時(shí)間上的延遲，同樣也會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)的位置、速度等信息帶來(lái)誤差。如果采用偽隨機(jī)碼根據(jù)延遲的多少來(lái)計(jì)算真實(shí)位置，則能顯著提高精度。噪音引起的誤差及處理方式如表1所示。

表1 噪音引起的誤差及處理方式

2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

在滑跑著陸方式中，無(wú)人機(jī)的位移可以看成縱向和橫向兩項(xiàng)。研究飛行器，就要重點(diǎn)研究其質(zhì)量、質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等[4]。為簡(jiǎn)化飛行狀態(tài)，假設(shè)無(wú)人機(jī)質(zhì)量和重力加速度一定，且無(wú)人機(jī)為剛體，質(zhì)量和結(jié)構(gòu)都沿中軸面XOZ面對(duì)稱。地面坐標(biāo)系是慣性坐標(biāo)，不考慮地面的彎曲和由于無(wú)人機(jī)自身工作帶來(lái)的影響。地球是個(gè)橢球形，設(shè)當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系為oxyz，把它平移l=(lx,ly,lz)到地面上，新的坐標(biāo)為(x1,y1,z1)，它所在的坐標(biāo)系為o1x1y1z1。將o1x1y1z1沿o1y1旋轉(zhuǎn)θ角，得到新坐標(biāo)系o2x2y2z2，所以參考點(diǎn)坐標(biāo)為(x2,y2,z2)。將o2x2y2z2沿o2x2平移地心距t，得到新坐標(biāo)系o3x3y3z3，所以參考點(diǎn)坐標(biāo)為(x3,y3,z3)。

將o3x3y3z3沿o3y3旋轉(zhuǎn)α角，得到新坐標(biāo)系o4x4y4z4，所以參考點(diǎn)坐標(biāo)為(x4,y4,z4)：

將o4x4y4z4沿o4z4旋轉(zhuǎn)γ角，得到參考點(diǎn)坐標(biāo)為(x5,y5,z5)：

理想基站的位置是確定的，它和用戶同時(shí)接收微波。它們收到的數(shù)據(jù)存在誤差，將這些數(shù)據(jù)排除噪音帶來(lái)的影響后跟精確值對(duì)比，得到修正值，進(jìn)而可以計(jì)算出相對(duì)準(zhǔn)確的無(wú)人機(jī)位置。

3 自主回收模型

無(wú)人機(jī)上的GPS接收機(jī)收到GPS信號(hào)后，飛控計(jì)算出其運(yùn)動(dòng)信息，并通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送至地面站。地面站將無(wú)人機(jī)發(fā)送的GPS信息與修正值融合，綜合位置差分、偽距差分以及載波差分，計(jì)算出無(wú)人機(jī)的精確位置。工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹無(wú)人機(jī)的發(fā)展背景及發(fā)展趨勢(shì)，并以無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)不同類(lèi)型的GPS誤差，分析對(duì)應(yīng)的差分模式，建立和推導(dǎo)不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式。最后，建立自主回收模型，將無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下，將轉(zhuǎn)換后的無(wú)人機(jī)位置設(shè)定為無(wú)人機(jī)自主回收的反饋值，姿態(tài)控制設(shè)定為反饋回路。研究表明，本文結(jié)論對(duì)無(wú)人機(jī)自主回收技術(shù)的研究具有一定的參考價(jià)值。

[1]（英）威廉·普勒.透視中國(guó)國(guó)產(chǎn)軍用無(wú)人機(jī)研究現(xiàn)狀[J].世界安全，2004，（6）：1-3.

[2]魏瑞軒，李學(xué)仁.無(wú)人機(jī)系統(tǒng)及作戰(zhàn)使用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[3]周樹(shù)春.基于GPS的無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[4]陳俊章.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第八冊(cè)）重量平衡與控制[M].北京：航空工業(yè)出版社，1999.

Application of GPS in the Autonomous Recovery of UAV

LI Wenpeng
(Unit 92419 of PLA, XingCheng 125106)

Landing is an important part of the UAV recovery, and it is also the key technology. This paper briefly introduces the development background and development trend of UAV and UAV as the research object, according to the different types of GPS error, on the differential mode and principle; a coordinate system, the conversion formula is derived in different coordinate system, the establishment of an independent recovery model, this research conclusion of UAV autonomous recovery the technology has a certain reference value.

GPS, UAV, autonomous recovery