GPS全球卫星定位系统在无人机上的应用

1 引言

随着科学技术发展，无人机的应用越来越广泛，GPS全球卫星定位在无人机导航方面越来越起到关键的作用。GPS全球卫星定位系统具有全球性、全天候、连续性、实时性等特点，而无人机正是需要精准的定位来进一步增强应用，实际表明GPS卫星定位与INS惯性导航系统的结合能更好地服务于无人机导航。

2 GPS全球卫星定位系统的简介

全球卫星定位系统(Globle Positioning System)简称GPS，是美国从20世纪70年代开始研制，于1994年全面建成。GPS卫星定位是一种结合卫星及通信发展，利用导航卫星进行测时和测距的技术。GPS主要由空间部分、地面监控部分、用户接收处理部分组成，具有全球、全天候、自动化、高效益的特点[1]。

2.1 空间部分

GPS的空间部分由24颗GPS工作卫星组成，这24颗卫星均匀分布在距离地表20200km高的6个倾角为55°的轨道上绕地球运行，每个轨道面4颗卫星，这样的分布保持了在全球的任何时间和任何地方都能至少观测到4颗卫星，实现精准定位。空间部分的主要功能榻邮艿孛婵刂普痉⒗吹男畔，发射调制有多种信息的信号供用户定位和导航。

2.2 地面监控部分

地面监控部分由1个主控站、3个注入站、5个监测站组成。主控站的作用是根据各监控站监测的GPS数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数，控制卫星等。监控站的作用是监测卫星的工作状态。注入站的作用是将主控站计算出的各参数注入卫星中。

2.3 用户部分

GPS用户部分由GPS接收机、数据处理软件以及相应的用户设备组成。主要功能是捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收的GPS信号进行处理，来测量GPS信号从卫星到天线的传播时间，解译出GPS卫星所发出的导航电文，实时计算测站的三维位置、时间和速度。

3 无人机简介

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置进行的无人驾驶飞机。“无人机”由飞行器、控制站、通信链路、发射回收设备等组成，具有机动性能高、图像分辨率高、体积小、方便携带、成本低、无人员伤亡风险等多种优点。无人机的特点是能够在特定区域内探测特定的信息，因此要求无人机能够精准定位。目前无人机采用导航方式包括惯性导航、卫星导航、多普勒导航、视觉导航地形辅助导航以及地磁导航等。经验表明，GPS与惯性导航结合的方式进行无人机导航精度更高。

4 GPS与惯性导航结合

GPS与惯性导航具有各自的优缺点。GPS导航的不足是自主性和可靠性差，易于受各种因素影响，包括与GPS卫星有关的误差，与信号传播有关的误差和观测及观测设备的误差等。INS即惯性导航系统，一种利用安装在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置的一个系统。通过陀螺仪和加速度计的测量数据，确定运载体在惯性参考坐标系中的运动，也能够计算出运载体在惯性参考坐标系中的位置。惯性导航系统是完全自主的，它不向外部发射信号，也不从外部接收信号，具有高的可靠性。惯性导航在短时间内精度比较高，但是随着INS的漂移逐渐积累误差，因此长时间工作精度不高，而GPS长时间内精度高，短时间内误差限宽。GPS与INS惯性导航的结合取长补短，从而提高精度和可靠性以及数据的更新效率[2]。

4.1 惯导系统

惯性导航系统INS分平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统两类。捷联式惯导系统SINS是在平台式惯性导航系统基础上发展而来的，但它不需要实体的物理平台和机电平台，仅由三个速率陀螺、三个线加速度和微型计算机组成，陀螺和加速度计直接固连在运动载体上。捷联式惯导系统与平台式惯导系统均能精确地提供载体的姿态、地速、经纬度等导航参数，但前者结构更简单，降低成本，可靠性更高，精度更高，能全方位的提供信息。

4.2 组合结构

实现GPS与SINS捷联式惯导的组合方式最显著的是卡尔曼滤波器，其原理是建立以惯导系统误差方程为基础的组合导航系统状态方程，并在导航系统误差的基础上建立组合系统的测量方程。采用线性卡尔曼滤波器为惯导系统误差提供最小方差估计推导所需的虚拟距离及距离差测量值，然后利用这些误差的估计值去估算出GPS测量值与INS值之间的误差余量，将结果以回授方式修正惯导系统，以减少导航误差。另外，经过校正后的惯导系统又可以提供导航信息，以辅助系统提高其性能和可靠性。

5 GPS在无人机导航中的应用

5.1 超视距遥控

超视距远程无人机超出地面站观察和测控范围，所以需要采用自主的导航方式即机载导航GPS/INS的组合导航系统。地面遥控站人员通过组合导航系统实时获取无人机的姿态、方位、距离、速度和高度等信息，并对其进行跟踪，定位和控制。当发现无人机出现偏离预定航线，姿态出现偏差等飞行状况，可以及时调整飞行状态[3]。

5.2 程控自主飞行

程控即无人机依靠机载飞行控制系统和机上的设备实现按照程序、沿预定航线的飞行控制。在飞行过程中利用各类传感器包括GPS/INS组合导航系统，实时获取无人机的方向、位置、高度、速度等信息经飞控管理计算机对参数的计

算推演后，通过自动驾驶仪控制各活动翼面，调整油门，适时修正无人机的姿态，航迹，使按照预先设置好的任务剖面飞行。

5.3 飞行控制

无人机的飞行控制系统核心组成是导航及任务控制计算机和飞行稳定控制计算机。前者主要用于导航、执行指令接通视频覆盖发生器和任务舵机的定位。后者主要工作是根据导航及任务控制计算机传来的指令以及通过自备传感器所测的信息，来控制无人机的飞行，使其能够保持稳定的速度、高度和航向或者改变飞行状态。

6 结语

GPS的独特优势是不可否认的，处处可见GPS应用的痕迹。GPS的优势虽然很多但也有不足，短时间定位的低精度使GPS不得不与其他导航方式相结合来发挥各自的优势。在无人机导航系统的发展中GPS与INS的结合无疑是一个完美的取长补短，解决了某些无人机导航出现的种种问题。但是问题随需求的增长还会不断出现，因此 GPS在无人机导航上的应用仍需要进一步挖掘和探讨。