专利名称：适用于无人机在下滑着陆阶段的组合导航方法
技术领域：
本发明是涉及一种无人机在下滑着陆阶段的组合导航方法。
背景技术：
下滑着陆阶段是无人机自动控制、自主起降中最为关键的技术环节，而高精度的导航和引导系统是无人机实现自动安全着陆的重要保证。研究精确安全的着陆引导方法和设备历来是航空界的一个重要的研究领域。现有技术仪表着陆系统(ILS)是飞行员在飞机下滑着陆阶段依靠飞机安装的仪表·数据对飞机进行操作，但无人机具有无人驾驶的特点，所以传统的仪表着陆系统不能满足无人机下滑着陆时使用需要。微波着陆系统(MLS)是一套庞大的系统，一般是建立在固定的机场内，建设费用昂贵，一般需要花费几百万美元。无人机具有价格相对低廉、需要经常转场，设备架设不需要固定场所，没有固定的正规机场的特点，所以微波着陆系统(MLS)在灵活性上不能充分发挥无人机的特点。纵观国内外以往使用的着陆引导系统在引导系统，常用的引导方法有仪表着陆系统(ILS)和微波着陆系统(MLS)两种，这两种着陆引导系统都能满足飞机的进场着陆要求，但存在精度低，可靠性相对较差，价格昂贵，系统庞大，不能满足无人机高可靠性，高精度，价格低廉、经常转场等的要求。全球卫星定位系统(Global Positioning System,GPS)利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航定位系统。根据测量学中测距交汇确定点位的方法，利用GPS接收机同时接收三个以上卫星传送的信息，交汇出地面点的三维坐标。目前GPS卫星发送两种码粗捕获码(C/A码)和精码(P码)。C/A码是民用的，P码是限于供美军及其盟军以及美国政府批准的用户使用的加密码。我们目前使用系统利用C/A码计算定位，单点水平定位精度为10 m，这样的精度不能满足无人机下滑着陆时的使用要求。全球定位系统(GPS)在信号的发送和接收过程中不可避免地出现误差，这些误差根据其性质可分为系统误差和偶然误差，其中系统误差无论从其大小还是对定位结果的影响都比偶然误差大得多。系统误差是有一定的规律可循，对于那些用户接收机和基准站共同的误差，通过差分方式被消除掉或明显减少。差分GPS (DGPS)是目前应用最广的是伪距差分技术，其工作原理是用户站利用已知位置坐标的基准站得到的伪距误差来较正自己的伪距，利用改正后的伪距求解出本身的位置，就可消除公共误差，提高定位精度。惯性导航系统(INS)是一种完全自主的导航系统，该系统能测量出载体包括高度在内的位置定位，它是通过测量飞机垂直地面运动的线加速度来测量飞行高度的，该系统具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射性强、全天候等优点，是机载设备中能提供多种导航参数的重要导航设备。但它的定位误差随时间而积累，其定位精度在正常罗经对准的状态下第一导航小时(CEP)为I. 5海里，导航六小时为6海里，远远低于差分GPS系统的定位精度(Im)，长时间工作后积累的误差越来越大，使得惯性导航系统不宜作远距离导航，无法为无人机的下滑着陆提供精确的位置信息。差分GPS系统具有较高的导航精度，但是该系统不能提供如载体姿态等导航参数，而且在飞行载体上使用时，由于载体的机动运动，常使接收机不易捕获和跟踪卫星的载波信号，甚至对已跟踪的信号失锁。卡尔曼(Kalman)滤波是一种线性递推最小方差估计，算法具有递推性，使用状态空间法在时域内设计滤波器，适于对多维随机过程(平稳的、非平稳的)进行估计，具有连续和离散两类算法，便于在计算机上实现。随着计算机技术的飞速发展，Kalman滤波理论作为一种最重要的估计理论被广泛应用于各个领域，组合导航系统的设计是其应用比较成功的一个方面。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提出一种高精度，低价格，工程实现简单，惯性导航系统独立，不受Kalman滤波器影响的适用于无人机在下滑着陆阶段的组合导航方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种无人机在下滑着陆阶段的组合导航方法，其特征包括如下步骤
(1)在无人机起飞或滑行机场，选定一个精确的定位测量数据点，将该数据点的经度，纬度，高度数据作为基准数据，输入差分GPS地面站的解算软件中，以获取伪距，差分GPS地面站的发射天线发射伪距信息；
(2)用装于无人机上的机载差分GPS天线，当接收到三个或以上卫星的GPS信号时，交汇出飞机所在位置的位置信息坐标，求解出无人机真实的位置坐标。机载差分GPS电台将接收的差分GPS地面站发射的伪距信息，实时修正为无人机下滑着陆的坐标信息；
(3)机载差分GPS天线通过一路RS232将求解出的无人机真实的位置坐标发送给安装于飞机上独立的惯性导航系统。将GPS测得的飞机位置信息数据，经过力学编排得到的INS数据同步送人时域Kalman滤波器，经处理后将得到的一组位置、速度、姿态角等状态变量，修正惯性导航系统实测的飞机位置信息，惯性导航系统再将修正后的无人机的位置、速度、姿态角等状态数据通过一路RS422发送给无人机的飞行控制计算机，飞行控制计算机根据精确的无人机位置、速度、姿态角数据信息对无人机下滑着陆进行引导。本发明相比于现有技术具有如下有益效果。本发明根据惯性导航系统和差分GPS系统的导航功能互补的特点，将完全自主的惯性导航系统与高精度的差分GPS系统组成组合导航系统两者组合来成为差分GPS / INS组合导航系统，引导无人机下滑着陆，提高系统的整体导航精度、导航性能、空中对准和再对准的能力。GPS接收机在惯性导航位置和速度信息的辅助下，能改善捕获、跟踪和再捕获能力，并在卫星分布条件差或可见星少的情况下导航精度不致下降过大的显著优点。差分GPS系统的定位精度达到lm，提高了惯性导航系统的定位精度，本发明解决了无人机在下滑着陆阶段的高精度的导航和引导的问题，为无人机自动安全着陆提供重要保证，保证了无人机在下滑着陆阶段的安全，提高了整个无人机系统的可靠性，并且较传统导航方法具有高可靠性，高精度，价格低廉、能满足无人机系统需要经常转场等的特殊要求。
下面结合附图和实施例对本技术进一步说明。
图I是本发明差分GPS/ INS组合导航系统的组成结构示意图。
具体实施例方式参阅图I。结合某型无人机介绍差分GPS/ INS组合导航系统的具体实施方式
。某型无人机上安装有一套机载差分GPS系统，一套完全自主的惯性导航系统和一台飞行控制计算机，这三部分组成闭环，在无人机进行飞行、滑跑试验的机场跑道设置一套差分GPS地面站，共同组成差分GPS/INS组合导航系统。差分GPS系统由安装于无人机上的GPS机载差分电台和设置于机场跑道基准点的差分GPS地面站两部分共同组成，差分GPS系统的精度可达lm。发明的实现步骤包括 (I)在无人机进行起飞或滑行试验的机场跑道上选定一个基准数据点，利用高精度的海事卫星定位仪，该定位仪的测量精度可达厘米级，对该数据点进行精确的定位测量，测得该位置点的经度，纬度，高度数据作为基准数据。(2)在无人机进行飞行或者滑跑试验时，将差分GPS系统中的差分GPS地面站置于基准数据点上，开启差分GPS地面站接收来自卫星的GPS信号，在接收卫星数目达到三个或三个以上时，差分GPS地面站就能交汇出基准数据点的实时定位数据，即对该点经度，纬度，高度三个数据进行实时测量，将高精度的海事卫星定位仪测得的基准位置数据输入差分GPS地面站的解算软件中，获得伪距。差分GPS地面站的发射天线将解算出的伪距信息发射出去。(3)安装于无人机上的机载差分GPS系统的接收天线接收来自卫星的GPS信号，在接收卫星数目达到三个或三个以上时，机载差分GPS系统就能交汇出飞机所在位置的位置信息坐标；机载差分GPS系统的电台接收天线接收差分GPS地面站的发射天线发射的伪距信息，消除公共误差，修正机载差分GPS系统实时测量的无人机的位置坐标信息。(4)机载差分GPS天线将实测的无人机位置信息通过一路RS232发送给安装于飞机上独立的惯性导航系统。将GPS测得的飞机位置信息数据，经过力学编排得到的INS数据同步送人时域Kalman滤波器，经处理后将得到的一组位置、速度、姿态角等状态变量的最优值，从而修正惯性导航系统实测的飞机位置信息。惯性导航系统再将修正后的无人机的位置、速度、姿态角等状态数据通过一路RS422发送给飞行控制计算机，飞行控制计算机根据精确的无人机位置、速度、姿态角数据信息对无人机下滑着陆进行引导。
权利要求
1.一种无人机在下滑着陆阶段的组合导航方法，包括如下步骤 (1)在无人机起飞或滑行机场，选定一个精确的定位测量数据点，将该数据点的经度，纬度，高度数据作为基准数据，输入差分GPS地面站的解算软件中，以获取伪距，差分GPS地面站的发射天线发射伪距信息； (2)用装于无人机上的机载差分GPS天线，将接收到的三个或以上卫星的GPS信号，交汇出飞机所在位置的位置信息坐标，求解出无人机真实的位置坐标，同时将差分GPS地面站求解的伪距信息通过天线发射，为实时修正为无人机下滑着陆的坐标信息提供修正依据； (3)机载差分GPS电台接收差分GPS地面站发射的伪距信息实时修正飞机位置信息，通过在一路RS232发送给安装在飞机上的独立的惯性导航系统，由惯性导航系统修正实测的飞机位置信息，惯性导航系统再将修正后的无人机的位置、速度、姿态角数据通过一路RS422发送给飞行控制计算机，飞行控制计算机根据精确的无人机位置、速度、姿态角数据信息对无人机进行引导。
2.如权利要求I所述的无人机在下滑着陆阶段的组合导航方法，其特征在于，差分GPS系统由安装于无人机上的机载差分GPS和设置于机场跑道基准点的差分GPS地面站两部分共同组成。
3.如权利要求I所述的无人机在下滑着陆阶段的组合导航方法，其特征在于，机载差分GPS系统的电台接收天线接收差分GPS地面站的发射天线发射的伪距信息，消除公共误差，修正机载差分GPS系统实时测量的无人机的位置坐标信息。
全文摘要
本发明提出的一种无人机在下滑着陆阶段的组合导航方法，旨在提供一种低价格，工程实现简单的组合导航方法。本发明通过下述技术方案予以实现(1)在滑行试验/飞行的机场，选定一个精确的定位测量数据点作为基准数据，输入差分GPS地面站的解算软件中；(2)当机载差分GPS天线接收到三个或以上卫星的GPS信号时，机载差分GPS天线就交汇出无人机的位置信息坐标，用差分GPS地面站发射的伪距信息实时修正机载差分GPS天线实时测量的无人机坐标信息，消除公共误差；(3)将修正后的无人机实时位置坐标信息，通过一路RS232信号发送给安装与飞机上的独立的惯性导航系统，由惯性导航系统修正惯性导航系统实测的飞机位置、速度、姿态角等状态数据，将精确的位置信息通过一路RS422发送给飞行控制计算机，对飞机的下滑着陆进行精确控制。
文档编号G01S19/41GK102707306SQ201110449740
公开日2012年10月3日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者余长贵, 徐晓婷, 易军, 魏林 申请人:成都飞机工业(集团)有限责任公司