專利名稱：適用于無人機在下滑著陸階段的組合導航方法
技術領域：
本發明是涉及一種無人機在下滑著陸階段的組合導航方法。
背景技術：
下滑著陸階段是無人機自動控制、自主起降中最為關鍵的技術環節，而高精度的導航和引導系統是無人機實現自動安全著陸的重要保證。研究精確安全的著陸引導方法和設備歷來是航空界的一個重要的研究領域。現有技術儀表著陸系統(ILS)是飛行員在飛機下滑著陸階段依靠飛機安裝的儀表·數據對飛機進行操作，但無人機具有無人駕駛的特點，所以傳統的儀表著陸系統不能滿足無人機下滑著陸時使用需要。微波著陸系統(MLS)是一套龐大的系統，一般是建立在固定的機場內，建設費用昂貴，一般需要花費幾百萬美元。無人機具有價格相對低廉、需要經常轉場，設備架設不需要固定場所，沒有固定的正規機場的特點，所以微波著陸系統(MLS)在靈活性上不能充分發揮無人機的特點。縱觀國內外以往使用的著陸引導系統在引導系統，常用的引導方法有儀表著陸系統(ILS)和微波著陸系統(MLS)兩種，這兩種著陸引導系統都能滿足飛機的進場著陸要求，但存在精度低，可靠性相對較差，價格昂貴，系統龐大，不能滿足無人機高可靠性，高精度，價格低廉、經常轉場等的要求。全球衛星定位系統(Global Positioning System,GPS)利用導航衛星進行測時和測距，具有在海、陸、空全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航定位系統。根據測量學中測距交匯確定點位的方法，利用GPS接收機同時接收三個以上衛星傳送的信息，交匯出地面點的三維坐標。目前GPS衛星發送兩種碼粗捕獲碼(C/A碼)和精碼(P碼)。C/A碼是民用的，P碼是限于供美軍及其盟軍以及美國政府批準的用戶使用的加密碼。我們目前使用系統利用C/A碼計算定位，單點水平定位精度為10 m，這樣的精度不能滿足無人機下滑著陸時的使用要求。全球定位系統(GPS)在信號的發送和接收過程中不可避免地出現誤差，這些誤差根據其性質可分為系統誤差和偶然誤差，其中系統誤差無論從其大小還是對定位結果的影響都比偶然誤差大得多。系統誤差是有一定的規律可循，對于那些用戶接收機和基準站共同的誤差，通過差分方式被消除掉或明顯減少。差分GPS (DGPS)是目前應用最廣的是偽距差分技術，其工作原理是用戶站利用已知位置坐標的基準站得到的偽距誤差來較正自己的偽距，利用改正后的偽距求解出本身的位置，就可消除公共誤差，提高定位精度。慣性導航系統(INS)是一種完全自主的導航系統，該系統能測量出載體包括高度在內的位置定位，它是通過測量飛機垂直地面運動的線加速度來測量飛行高度的，該系統具有不依賴外界信息、隱蔽性好、抗輻射性強、全天候等優點，是機載設備中能提供多種導航參數的重要導航設備。但它的定位誤差隨時間而積累，其定位精度在正常羅經對準的狀態下第一導航小時(CEP)為I. 5海里，導航六小時為6海里，遠遠低于差分GPS系統的定位精度(Im)，長時間工作后積累的誤差越來越大，使得慣性導航系統不宜作遠距離導航，無法為無人機的下滑著陸提供精確的位置信息。差分GPS系統具有較高的導航精度，但是該系統不能提供如載體姿態等導航參數，而且在飛行載體上使用時，由于載體的機動運動，常使接收機不易捕獲和跟蹤衛星的載波信號，甚至對已跟蹤的信號失鎖。卡爾曼(Kalman)濾波是一種線性遞推最小方差估計，算法具有遞推性，使用狀態空間法在時域內設計濾波器，適于對多維隨機過程(平穩的、非平穩的)進行估計，具有連續和離散兩類算法，便于在計算機上實現。隨著計算機技術的飛速發展，Kalman濾波理論作為一種最重要的估計理論被廣泛應用于各個領域，組合導航系統的設計是其應用比較成功的一個方面。
發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術存在的不足之處，提出一種高精度，低價格，工程實現簡單，慣性導航系統獨立，不受Kalman濾波器影響的適用于無人機在下滑著陸階段的組合導航方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種無人機在下滑著陸階段的組合導航方法，其特征包括如下步驟
(1)在無人機起飛或滑行機場，選定一個精確的定位測量數據點，將該數據點的經度，緯度，高度數據作為基準數據，輸入差分GPS地面站的解算軟件中，以獲取偽距，差分GPS地面站的發射天線發射偽距信息；
(2)用裝于無人機上的機載差分GPS天線，當接收到三個或以上衛星的GPS信號時，交匯出飛機所在位置的位置信息坐標，求解出無人機真實的位置坐標。機載差分GPS電臺將接收的差分GPS地面站發射的偽距信息，實時修正為無人機下滑著陸的坐標信息；
(3)機載差分GPS天線通過一路RS232將求解出的無人機真實的位置坐標發送給安裝于飛機上獨立的慣性導航系統。將GPS測得的飛機位置信息數據，經過力學編排得到的INS數據同步送人時域Kalman濾波器，經處理后將得到的一組位置、速度、姿態角等狀態變量，修正慣性導航系統實測的飛機位置信息，慣性導航系統再將修正后的無人機的位置、速度、姿態角等狀態數據通過一路RS422發送給無人機的飛行控制計算機，飛行控制計算機根據精確的無人機位置、速度、姿態角數據信息對無人機下滑著陸進行引導。本發明相比于現有技術具有如下有益效果。本發明根據慣性導航系統和差分GPS系統的導航功能互補的特點，將完全自主的慣性導航系統與高精度的差分GPS系統組成組合導航系統兩者組合來成為差分GPS / INS組合導航系統，引導無人機下滑著陸，提高系統的整體導航精度、導航性能、空中對準和再對準的能力。GPS接收機在慣性導航位置和速度信息的輔助下，能改善捕獲、跟蹤和再捕獲能力，并在衛星分布條件差或可見星少的情況下導航精度不致下降過大的顯著優點。差分GPS系統的定位精度達到lm，提高了慣性導航系統的定位精度，本發明解決了無人機在下滑著陸階段的高精度的導航和引導的問題，為無人機自動安全著陸提供重要保證，保證了無人機在下滑著陸階段的安全，提高了整個無人機系統的可靠性，并且較傳統導航方法具有高可靠性，高精度，價格低廉、能滿足無人機系統需要經常轉場等的特殊要求。
下面結合附圖和實施例對本技術進一步說明。
圖I是本發明差分GPS/ INS組合導航系統的組成結構示意圖。
具體實施例方式參閱圖I。結合某型無人機介紹差分GPS/ INS組合導航系統的具體實施方式
。某型無人機上安裝有一套機載差分GPS系統，一套完全自主的慣性導航系統和一臺飛行控制計算機，這三部分組成閉環，在無人機進行飛行、滑跑試驗的機場跑道設置一套差分GPS地面站，共同組成差分GPS/INS組合導航系統。差分GPS系統由安裝于無人機上的GPS機載差分電臺和設置于機場跑道基準點的差分GPS地面站兩部分共同組成，差分GPS系統的精度可達lm。發明的實現步驟包括 (I)在無人機進行起飛或滑行試驗的機場跑道上選定一個基準數據點，利用高精度的海事衛星定位儀，該定位儀的測量精度可達厘米級，對該數據點進行精確的定位測量，測得該位置點的經度，緯度，高度數據作為基準數據。(2)在無人機進行飛行或者滑跑試驗時，將差分GPS系統中的差分GPS地面站置于基準數據點上，開啟差分GPS地面站接收來自衛星的GPS信號，在接收衛星數目達到三個或三個以上時，差分GPS地面站就能交匯出基準數據點的實時定位數據，即對該點經度，緯度，高度三個數據進行實時測量，將高精度的海事衛星定位儀測得的基準位置數據輸入差分GPS地面站的解算軟件中，獲得偽距。差分GPS地面站的發射天線將解算出的偽距信息發射出去。(3)安裝于無人機上的機載差分GPS系統的接收天線接收來自衛星的GPS信號，在接收衛星數目達到三個或三個以上時，機載差分GPS系統就能交匯出飛機所在位置的位置信息坐標；機載差分GPS系統的電臺接收天線接收差分GPS地面站的發射天線發射的偽距信息，消除公共誤差，修正機載差分GPS系統實時測量的無人機的位置坐標信息。(4)機載差分GPS天線將實測的無人機位置信息通過一路RS232發送給安裝于飛機上獨立的慣性導航系統。將GPS測得的飛機位置信息數據，經過力學編排得到的INS數據同步送人時域Kalman濾波器，經處理后將得到的一組位置、速度、姿態角等狀態變量的最優值，從而修正慣性導航系統實測的飛機位置信息。慣性導航系統再將修正后的無人機的位置、速度、姿態角等狀態數據通過一路RS422發送給飛行控制計算機，飛行控制計算機根據精確的無人機位置、速度、姿態角數據信息對無人機下滑著陸進行引導。
權利要求
1.一種無人機在下滑著陸階段的組合導航方法，包括如下步驟 (1)在無人機起飛或滑行機場，選定一個精確的定位測量數據點，將該數據點的經度，緯度，高度數據作為基準數據，輸入差分GPS地面站的解算軟件中，以獲取偽距，差分GPS地面站的發射天線發射偽距信息； (2)用裝于無人機上的機載差分GPS天線，將接收到的三個或以上衛星的GPS信號，交匯出飛機所在位置的位置信息坐標，求解出無人機真實的位置坐標，同時將差分GPS地面站求解的偽距信息通過天線發射，為實時修正為無人機下滑著陸的坐標信息提供修正依據； (3)機載差分GPS電臺接收差分GPS地面站發射的偽距信息實時修正飛機位置信息，通過在一路RS232發送給安裝在飛機上的獨立的慣性導航系統，由慣性導航系統修正實測的飛機位置信息，慣性導航系統再將修正后的無人機的位置、速度、姿態角數據通過一路RS422發送給飛行控制計算機，飛行控制計算機根據精確的無人機位置、速度、姿態角數據信息對無人機進行引導。
2.如權利要求I所述的無人機在下滑著陸階段的組合導航方法，其特征在于，差分GPS系統由安裝于無人機上的機載差分GPS和設置于機場跑道基準點的差分GPS地面站兩部分共同組成。
3.如權利要求I所述的無人機在下滑著陸階段的組合導航方法，其特征在于，機載差分GPS系統的電臺接收天線接收差分GPS地面站的發射天線發射的偽距信息，消除公共誤差，修正機載差分GPS系統實時測量的無人機的位置坐標信息。
全文摘要
本發明提出的一種無人機在下滑著陸階段的組合導航方法，旨在提供一種低價格，工程實現簡單的組合導航方法。本發明通過下述技術方案予以實現(1)在滑行試驗/飛行的機場，選定一個精確的定位測量數據點作為基準數據，輸入差分GPS地面站的解算軟件中；(2)當機載差分GPS天線接收到三個或以上衛星的GPS信號時，機載差分GPS天線就交匯出無人機的位置信息坐標，用差分GPS地面站發射的偽距信息實時修正機載差分GPS天線實時測量的無人機坐標信息，消除公共誤差；(3)將修正后的無人機實時位置坐標信息，通過一路RS232信號發送給安裝與飛機上的獨立的慣性導航系統，由慣性導航系統修正慣性導航系統實測的飛機位置、速度、姿態角等狀態數據，將精確的位置信息通過一路RS422發送給飛行控制計算機，對飛機的下滑著陸進行精確控制。
文檔編號G01S19/41GK102707306SQ201110449740
公開日2012年10月3日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者余長貴, 徐曉婷, 易軍, 魏林 申請人:成都飛機工業(集團)有限責任公司