GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳曌月

【摘 要】GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是三大空間系統(tǒng)之一。回顧GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成和定位方式來全方位了解GPS，并進(jìn)一步講述GPS在無人機(jī)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)用，從實(shí)際層面來了解GPS的工作原理，同時提高了無人機(jī)的定位精準(zhǔn)度從而擴(kuò)大無人機(jī)的應(yīng)用范圍。

【Abstract】GPS global satellite positioning system is one of the three techniques. Review the composition and location of the GPS global satellite positioning system to understand the full range of GPS， and further talk about the application of GPS in UAV navigation and positioning system to understand the working principle of GPS from the actual level， and improve the positioning accuracy of the UAV to expand the scope of application of the UAV.

【關(guān)鍵詞】GPS；無人機(jī)；導(dǎo)航系統(tǒng)；INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

【Keywords】 GPS； unmanned aerial vehicle； navigation system； INS inertial navigation system

【中圖分類號】P288.4 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）03-0110-02

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，無人機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，GPS全球衛(wèi)星定位在無人機(jī)導(dǎo)航方面越來越起到關(guān)鍵的作用。GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有全球性、全天候、連續(xù)性、實(shí)時性等特點(diǎn)，而無人機(jī)正是需要精準(zhǔn)的定位來進(jìn)一步增強(qiáng)應(yīng)用，實(shí)際表明GPS衛(wèi)星定位與INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)合能更好地服務(wù)于無人機(jī)導(dǎo)航。

2 GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的簡介

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Globle Positioning System）簡稱GPS，是美國從20世紀(jì)70年代開始研制，于1994年全面建成。GPS衛(wèi)星定位是一種結(jié)合衛(wèi)星及通信發(fā)展，利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時和測距的技術(shù)。GPS主要由空間部分、地面監(jiān)控部分、用戶接收處理部分組成，具有全球、全天候、自動化、高效益的特點(diǎn)[1]。

2.1 空間部分

GPS的空間部分由24顆GPS工作衛(wèi)星組成，這24顆衛(wèi)星均勻分布在距離地表20200km高的6個傾角為55°的軌道上繞地球運(yùn)行，每個軌道面4顆衛(wèi)星，這樣的分布保持了在全球的任何時間和任何地方都能至少觀測到4顆衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位?？臻g部分的主要功能為接受地面控制站發(fā)來的信息，發(fā)射調(diào)制有多種信息的信號供用戶定位和導(dǎo)航。

2.2 地面監(jiān)控部分

地面監(jiān)控部分由1個主控站、3個注入站、5個監(jiān)測站組成。主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站監(jiān)測的GPS數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)，控制衛(wèi)星等。監(jiān)控站的作用是監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)。注入站的作用是將主控站計算出的各參數(shù)注入衛(wèi)星中。

2.3 用戶部分

GPS用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件以及相應(yīng)的用戶設(shè)備組成。主要功能是捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對所接收的GPS信號進(jìn)行處理，來測量GPS信號從衛(wèi)星到天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，實(shí)時計算測站的三維位置、時間和速度。

3 無人機(jī)簡介

無人機(jī)是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置進(jìn)行的無人駕駛飛機(jī)?！盁o人機(jī)”由飛行器、控制站、通信鏈路、發(fā)射回收設(shè)備等組成，具有機(jī)動性能高、圖像分辨率高、體積小、方便攜帶、成本低、無人員傷亡風(fēng)險等多種優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)的特點(diǎn)是能夠在特定區(qū)域內(nèi)探測特定的信息，因此要求無人機(jī)能夠精準(zhǔn)定位。目前無人機(jī)采用導(dǎo)航方式包括慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航地形輔助導(dǎo)航以及地磁導(dǎo)航等。經(jīng)驗(yàn)表明，GPS與慣性導(dǎo)航結(jié)合的方式進(jìn)行無人機(jī)導(dǎo)航精度更高。

4 GPS與慣性導(dǎo)航結(jié)合

GPS與慣性導(dǎo)航具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。GPS導(dǎo)航的不足是自主性和可靠性差，易于受各種因素影響，包括與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差，與信號傳播有關(guān)的誤差和觀測及觀測設(shè)備的誤差等。INS即慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，一種利用安裝在運(yùn)載體上的陀螺儀和加速度計來測定運(yùn)載體位置的一個系統(tǒng)。通過陀螺儀和加速度計的測量數(shù)據(jù)，確定運(yùn)載體在慣性參考坐標(biāo)系中的運(yùn)動，也能夠計算出運(yùn)載體在慣性參考坐標(biāo)系中的位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是完全自主的，它不向外部發(fā)射信號，也不從外部接收信號，具有高的可靠性。慣性導(dǎo)航在短時間內(nèi)精度比較高，但是隨著INS的漂移逐漸積累誤差，因此長時間工作精度不高，而GPS長時間內(nèi)精度高，短時間內(nèi)誤差限寬。GPS與INS慣性導(dǎo)航的結(jié)合取長補(bǔ)短，從而提高精度和可靠性以及數(shù)據(jù)的更新效率[2]。

4.1 慣導(dǎo)系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS分平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)兩類。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)SINS是在平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，但它不需要實(shí)體的物理平臺和機(jī)電平臺，僅由三個速率陀螺、三個線加速度和微型計算機(jī)組成，陀螺和加速度計直接固連在運(yùn)動載體上。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)與平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)均能精確地提供載體的姿態(tài)、地速、經(jīng)緯度等導(dǎo)航參數(shù)，但前者結(jié)構(gòu)更簡單，降低成本，可靠性更高，精度更高，能全方位的提供信息。

4.2 組合結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)GPS與SINS捷聯(lián)式慣導(dǎo)的組合方式最顯著的是卡爾曼濾波器，其原理是建立以慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差方程為基礎(chǔ)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程，并在導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的基礎(chǔ)上建立組合系統(tǒng)的測量方程。采用線性卡爾曼濾波器為慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差提供最小方差估計推導(dǎo)所需的虛擬距離及距離差測量值，然后利用這些誤差的估計值去估算出GPS測量值與INS值之間的誤差余量，將結(jié)果以回授方式修正慣導(dǎo)系統(tǒng)，以減少導(dǎo)航誤差。另外，經(jīng)過校正后的慣導(dǎo)系統(tǒng)又可以提供導(dǎo)航信息，以輔助系統(tǒng)提高其性能和可靠性。

5 GPS在無人機(jī)導(dǎo)航中的應(yīng)用

5.1 超視距遙控

超視距遠(yuǎn)程無人機(jī)超出地面站觀察和測控范圍，所以需要采用自主的導(dǎo)航方式即機(jī)載導(dǎo)航GPS/INS的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。地面遙控站人員通過組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時獲取無人機(jī)的姿態(tài)、方位、距離、速度和高度等信息，并對其進(jìn)行跟蹤，定位和控制。當(dāng)發(fā)現(xiàn)無人機(jī)出現(xiàn)偏離預(yù)定航線，姿態(tài)出現(xiàn)偏差等飛行狀況，可以及時調(diào)整飛行狀態(tài)[3]。

5.2 程控自主飛行

程控即無人機(jī)依靠機(jī)載飛行控制系統(tǒng)和機(jī)上的設(shè)備實(shí)現(xiàn)按照程序、沿預(yù)定航線的飛行控制。在飛行過程中利用各類傳感器包括GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)時獲取無人機(jī)的方向、位置、高度、速度等信息經(jīng)飛控管理計算機(jī)對參數(shù)的計

算推演后，通過自動駕駛儀控制各活動翼面，調(diào)整油門，適時修正無人機(jī)的姿態(tài)，航跡，使按照預(yù)先設(shè)置好的任務(wù)剖面飛行。

5.3 飛行控制

無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)核心組成是導(dǎo)航及任務(wù)控制計算機(jī)和飛行穩(wěn)定控制計算機(jī)。前者主要用于導(dǎo)航、執(zhí)行指令接通視頻覆蓋發(fā)生器和任務(wù)舵機(jī)的定位。后者主要工作是根據(jù)導(dǎo)航及任務(wù)控制計算機(jī)傳來的指令以及通過自備傳感器所測的信息，來控制無人機(jī)的飛行，使其能夠保持穩(wěn)定的速度、高度和航向或者改變飛行狀態(tài)。

6 結(jié)語

GPS的獨(dú)特優(yōu)勢是不可否認(rèn)的，不論軍用還是民用，處處可見GPS應(yīng)用的痕跡。GPS的優(yōu)勢雖然很多但也有不足，短時間定位的低精度使GPS不得不與其他導(dǎo)航方式相結(jié)合來發(fā)揮各自的優(yōu)勢。在無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展中GPS與INS的結(jié)合無疑是一個完美的取長補(bǔ)短，解決了某些無人機(jī)導(dǎo)航出現(xiàn)的種種問題。但是問題隨需求的增長還會不斷出現(xiàn)，因此 GPS在無人機(jī)導(dǎo)航上的應(yīng)用仍需要進(jìn)一步挖掘和探討。

【參考文獻(xiàn)】

【1】李校雯，付宇彤，丁家圣.淺談全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS發(fā)展[J].通信設(shè)計與應(yīng)用，2016（13）：69.

【2】賈鈺.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS在汽車運(yùn)輸中的應(yīng)用[J].甘肅科技，2016，32（10）：14-16.

【3】龔真春.GPS在微型無人機(jī)導(dǎo)航定位中的研究與應(yīng)用[D].浙江大學(xué)，2005.