無(wú)人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)和算法

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)、事故調(diào)查、軍事、建筑、采礦、測(cè)繪和測(cè)繪測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求急劇增長(zhǎng)。無(wú)人機(jī)導(dǎo)航方案的可靠性對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的安全性起著至關(guān)重要的作用。因此小型化、輕量化和低成本的無(wú)人機(jī)導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

 圖1  實(shí)驗(yàn)硬件裝置

GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）作為室外應(yīng)用較為廣泛的全球定位系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)展出了多種厘米級(jí)精度的定位方式，如RTK（載波相位動(dòng)態(tài)差分定位）和PPP（精密單點(diǎn)定位）等。但是由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的局限性，可能無(wú)法作為未來(lái)無(wú)人機(jī)上導(dǎo)航系統(tǒng)決定性部分，主要原因是：（1）信號(hào)在城市深峽谷中高度衰減，使其幾乎不能用于數(shù)據(jù)包傳送、交通管制和事故調(diào)查等若干無(wú)人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景；（2）信號(hào)極易受到有意干擾（干擾）和偽造信號(hào)的影響（欺騙），這會(huì)對(duì)軍用和民用無(wú)人機(jī)的應(yīng)用造成嚴(yán)重破壞。

在學(xué)界和業(yè)界使用融合的方法以求在滿足無(wú)人機(jī)小型化、輕量化和低成本的要求上達(dá)到更加魯棒和精準(zhǔn)的導(dǎo)航定位結(jié)果。根據(jù)前人的文獻(xiàn)總結(jié)，主要有如下三種基于無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航定位技術(shù)方法：

圖2  運(yùn)行模式 

（1）RTK與MEMS松耦合方法。有研究人員使用低成本的UBlox GNSS接收機(jī)對(duì)單頻RTK進(jìn)行了計(jì)量應(yīng)用評(píng)估，結(jié)果表明其位置精度可達(dá)厘米級(jí)。還有人獲得了改進(jìn)的位置和姿態(tài)確定結(jié)果。這些研究在一定程度上可以滿足高精度地球參考的要求，并通過(guò)傳感器集成減輕GNSS挑戰(zhàn)環(huán)境下的弱信號(hào)問(wèn)題。然而，RTK方法仍然存在很大的局限性。其中之一是有限的操作范圍，即自其基地接收站的基線長(zhǎng)度。這對(duì)單頻RTK而言尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楫?dāng)基線長(zhǎng)度達(dá)到15km或更長(zhǎng)時(shí)，很難解決載波相位模糊的問(wèn)題。因此，在松耦合、長(zhǎng)基線情況下，當(dāng)RTK的精度受限時(shí)，定位算法很難給無(wú)人機(jī)一個(gè)魯棒且精確的定位結(jié)果。

（2）PPP與MEMS的松耦合方法?？蒲腥藛TPPP測(cè)試了SUAVS，以獲得厘米級(jí)定位精度。然而，他們的研究只在任務(wù)完成后和使用高端雙頻GNSS接收機(jī)時(shí)進(jìn)行，并不能滿足無(wú)人機(jī)小型化和輕量化的需求。《一種適用于小型無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)低成本PPP和MEMS-INS松耦合地理參考系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與測(cè)試》這篇文章中，工作人員設(shè)計(jì)了4 旋翼無(wú)人機(jī)，并搭載UBlox M8P單頻GNSS接收機(jī)接收GNSS數(shù)據(jù)，使用Pixhawk內(nèi)部的經(jīng)濟(jì)型MEMS IMU（Invensensense MPU9250）的流數(shù)據(jù)，而單頻PPP（SFPPP）的校正數(shù)據(jù)使用3DR無(wú)線電傳輸，構(gòu)建了PPP與MEMS的松耦合無(wú)人機(jī)導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在周跳探測(cè)與修復(fù)的設(shè)計(jì)中，由于使用單頻低成本接收機(jī)，常用的MW和GF的探測(cè)方法無(wú)法使用，科研人員使用了基于多普勒相位預(yù)測(cè)的單頻PPP應(yīng)答周期滑動(dòng)檢測(cè)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明定位精度可達(dá)分米級(jí)。

圖3   RALT（雷達(dá)高度計(jì)）輔助作用距離

（3）雷達(dá)輔助GNSS定位方法。RALT（雷達(dá)高度計(jì)）輔助GNSS的方法主要旨在提高GPS的精度、完好性和連續(xù)性，以達(dá)到飛機(jī)著陸的嚴(yán)格導(dǎo)航要求。這種在垂直方向上的高精度范圍能夠改善整個(gè)3D位置解決方案。前人利用三個(gè)子系統(tǒng)的組合，以產(chǎn)生一個(gè)高度精確的位置，用于導(dǎo)航目的。第一個(gè)子系統(tǒng)是選定的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），可以是雙頻GPS，也可以是與基于衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）（即WAAS）結(jié)合使用的GPS；第二個(gè)子系統(tǒng)即RALT單元，是一個(gè)商用單元，它提供飛機(jī)離地高度（AGL）的測(cè)量值，用于位置計(jì)算；最后一個(gè)子系統(tǒng)是地形數(shù)據(jù)庫(kù)，用于確定飛機(jī)在給定高度AGL的情況下高于平均海平面（MSL）的高度。三個(gè)子系統(tǒng)中的每一個(gè)子系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)精度中都起著重要作用。為確保系統(tǒng)始終滿足性能要求，必須了解各種位置性能的敏感性。 

1.Meidong Kuang, Ling Wang, Jian Xie, Yuexian Wang, Northwestern Polytechnical University, China. The Simplified Localization Method of Near-field Interference Source Based on the Cyclostationarity. ION GNSS+ 2019.

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