全球定位系統在無人機自主回收上的應用

李文鵬

（中國人民解放軍92419部隊，興城 125106）

全球定位系統在無人機自主回收上的應用

李文鵬

（中國人民解放軍92419部隊，興城 125106）

著陸是無人機回收的重要環節，也是關鍵技術。本文簡要介紹無人機的發展背景及發展趨勢，并以無人機為研究對象，根據不同類型的GPS誤差，研究差分模式、原理；建立坐標系，推導不同坐標系的轉換公式，建立自主回收模型。研究表明，本文結論對無人機自主回收技術的研究具有一定的參考價值。

全球定位系統 無人機 自主回收

引言

無人機（UAV）指的是無人駕駛的未安裝戰斗部的飛行器。無人機最早出現于20世紀20年代，之后廣泛應用于民用領域。無人機最初應用于軍事領域當做靶標使用，如美國的“石雞”靶機。直至美蘇等發達國家研制了偵察用的無人機，如美國的“RQ-8A火力偵察兵”無人機，尤其在海灣戰爭中無人機的成功應用，使人們意識到無人機的重要性[1-2]。無人戰斗機（UCAV）的投入使用，將人們對戰爭的認識產生了顛覆性改變[3]。無人機的廣泛使用，最大的優點是減少人員的傷亡，同時也降低了設計要求，在未來的戰場上必將成為關鍵武器之一[1]。

無人機的飛行離不開導航系統，如今多數無人機仍然使用的是全球定位系統，簡稱GPS（Global Position System）。無人機具有手持發射、零長發射、滑跑起飛、母機發射、垂直起飛等起飛方式，具有傘降回收、空中回收、滑跑著陸、繩網攔截回收、氣墊著陸等回收方式。雖然多數時候，起飛和回收并不屬于無人機的任務過程，但這兩個環節往往是事故高發環節。因此，提高回收性能，可以降低墜機的概率。

1 差分模式

本文研究對象是滑跑著陸方式的無人機。全球定位系統可以為無人機提供位置和速度信息，其價格實惠，易于安裝，應用較為廣泛。但是，由于全球定位系統誤差較大，往往達到百米以上，使自主回收的精度無法保證。如果對其算法進行修正完善，提供準確的方位角、攻角、距離等信息，將實現其精度較大程度的提高。具體表現為，有一個地理位置明確的點，假設這一點坐標為(X0,Y0,Z0)，由它測量衛星，得到它的位置坐標為(X,Y,Z)，得到觀察值的修正數據，再傳送給無人機測控系統。無人機根據修正量，經過差分計算，得到準確的定位信息。

衛星和接收機存在一定的誤差，電路延遲、噪音等都是影響因素。在鎖定位置時，會出現一些錯誤信號，這些失真信息會帶來誤差。全球定位系統會鎖定所有來自衛星的信號載波。如果信號保持穩定連續，使載波平滑穩定，將會在一定程度上減小誤差。由于在信號傳遞過程中，存在時間上的延遲，同樣也會對無人機的位置、速度等信息帶來誤差。如果采用偽隨機碼根據延遲的多少來計算真實位置，則能顯著提高精度。噪音引起的誤差及處理方式如表1所示。

表1 噪音引起的誤差及處理方式

2 坐標系轉換

在滑跑著陸方式中，無人機的位移可以看成縱向和橫向兩項。研究飛行器，就要重點研究其質量、質心以及轉動慣量等[4]。為簡化飛行狀態，假設無人機質量和重力加速度一定，且無人機為剛體，質量和結構都沿中軸面XOZ面對稱。地面坐標系是慣性坐標，不考慮地面的彎曲和由于無人機自身工作帶來的影響。地球是個橢球形，設當地坐標系為oxyz，把它平移l=(lx,ly,lz)到地面上，新的坐標為(x1,y1,z1)，它所在的坐標系為o1x1y1z1。將o1x1y1z1沿o1y1旋轉θ角，得到新坐標系o2x2y2z2，所以參考點坐標為(x2,y2,z2)。將o2x2y2z2沿o2x2平移地心距t，得到新坐標系o3x3y3z3，所以參考點坐標為(x3,y3,z3)。

將o3x3y3z3沿o3y3旋轉α角，得到新坐標系o4x4y4z4，所以參考點坐標為(x4,y4,z4)：

將o4x4y4z4沿o4z4旋轉γ角，得到參考點坐標為(x5,y5,z5)：

理想基站的位置是確定的，它和用戶同時接收微波。它們收到的數據存在誤差，將這些數據排除噪音帶來的影響后跟精確值對比，得到修正值，進而可以計算出相對準確的無人機位置。

3 自主回收模型

無人機上的GPS接收機收到GPS信號后，飛控計算出其運動信息，并通過測控系統發送至地面站。地面站將無人機發送的GPS信息與修正值融合，綜合位置差分、偽距差分以及載波差分，計算出無人機的精確位置。工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

4 結論

本文簡要介紹無人機的發展背景及發展趨勢，并以無人機為研究對象，根據不同類型的GPS誤差，分析對應的差分模式，建立和推導不同坐標系的轉換公式。最后，建立自主回收模型，將無人機測控系統得到的數據轉換到當地坐標系下，將轉換后的無人機位置設定為無人機自主回收的反饋值，姿態控制設定為反饋回路。研究表明，本文結論對無人機自主回收技術的研究具有一定的參考價值。

[1]（英）威廉·普勒.透視中國國產軍用無人機研究現狀[J].世界安全，2004，（6）：1-3.

[2]魏瑞軒，李學仁.無人機系統及作戰使用[M].北京：國防工業出版社，2007.

[3]周樹春.基于GPS的無人機自動著陸控制系統設計與實現[D].西安：西北工業大學，2007.

[4]陳俊章.飛機設計手冊（第八冊）重量平衡與控制[M].北京：航空工業出版社，1999.

Application of GPS in the Autonomous Recovery of UAV

LI Wenpeng
(Unit 92419 of PLA, XingCheng 125106)

Landing is an important part of the UAV recovery, and it is also the key technology. This paper briefly introduces the development background and development trend of UAV and UAV as the research object, according to the different types of GPS error, on the differential mode and principle; a coordinate system, the conversion formula is derived in different coordinate system, the establishment of an independent recovery model, this research conclusion of UAV autonomous recovery the technology has a certain reference value.

GPS, UAV, autonomous recovery