GPS全球衛星定位系統在無人機導航系統中的應用

吳曌月

【摘 要】GPS全球衛星定位系統是三大空間系統之一。回顧GPS全球衛星定位系統的組成和定位方式來全方位了解GPS，并進一步講述GPS在無人機導航定位系統的應用，從實際層面來了解GPS的工作原理，同時提高了無人機的定位精準度從而擴大無人機的應用范圍。

【Abstract】GPS global satellite positioning system is one of the three techniques. Review the composition and location of the GPS global satellite positioning system to understand the full range of GPS， and further talk about the application of GPS in UAV navigation and positioning system to understand the working principle of GPS from the actual level， and improve the positioning accuracy of the UAV to expand the scope of application of the UAV.

【關鍵詞】GPS；無人機；導航系統；INS慣性導航系統

【Keywords】 GPS； unmanned aerial vehicle； navigation system； INS inertial navigation system

【中圖分類號】P288.4 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）03-0110-02

1 引言

隨著科學技術發展，無人機的應用越來越廣泛，GPS全球衛星定位在無人機導航方面越來越起到關鍵的作用。GPS全球衛星定位系統具有全球性、全天候、連續性、實時性等特點，而無人機正是需要精準的定位來進一步增強應用，實際表明GPS衛星定位與INS慣性導航系統的結合能更好地服務于無人機導航。

2 GPS全球衛星定位系統的簡介

全球衛星定位系統（Globle Positioning System）簡稱GPS，是美國從20世紀70年代開始研制，于1994年全面建成。GPS衛星定位是一種結合衛星及通信發展，利用導航衛星進行測時和測距的技術。GPS主要由空間部分、地面監控部分、用戶接收處理部分組成，具有全球、全天候、自動化、高效益的特點[1]。

2.1 空間部分

GPS的空間部分由24顆GPS工作衛星組成，這24顆衛星均勻分布在距離地表20200km高的6個傾角為55°的軌道上繞地球運行，每個軌道面4顆衛星，這樣的分布保持了在全球的任何時間和任何地方都能至少觀測到4顆衛星，實現精準定位。空間部分的主要功能為接受地面控制站發來的信息，發射調制有多種信息的信號供用戶定位和導航。

2.2 地面監控部分

地面監控部分由1個主控站、3個注入站、5個監測站組成。主控站的作用是根據各監控站監測的GPS數據，計算出衛星的星歷和衛星鐘的改正參數，控制衛星等。監控站的作用是監測衛星的工作狀態。注入站的作用是將主控站計算出的各參數注入衛星中。

2.3 用戶部分

GPS用戶部分由GPS接收機、數據處理軟件以及相應的用戶設備組成。主要功能是捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，對所接收的GPS信號進行處理，來測量GPS信號從衛星到天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發出的導航電文，實時計算測站的三維位置、時間和速度。

3 無人機簡介

無人機是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置進行的無人駕駛飛機。“無人機”由飛行器、控制站、通信鏈路、發射回收設備等組成，具有機動性能高、圖像分辨率高、體積小、方便攜帶、成本低、無人員傷亡風險等多種優點。無人機的特點是能夠在特定區域內探測特定的信息，因此要求無人機能夠精準定位。目前無人機采用導航方式包括慣性導航、衛星導航、多普勒導航、視覺導航地形輔助導航以及地磁導航等。經驗表明，GPS與慣性導航結合的方式進行無人機導航精度更高。

4 GPS與慣性導航結合

GPS與慣性導航具有各自的優缺點。GPS導航的不足是自主性和可靠性差，易于受各種因素影響，包括與GPS衛星有關的誤差，與信號傳播有關的誤差和觀測及觀測設備的誤差等。INS即慣性導航系統，一種利用安裝在運載體上的陀螺儀和加速度計來測定運載體位置的一個系統。通過陀螺儀和加速度計的測量數據，確定運載體在慣性參考坐標系中的運動，也能夠計算出運載體在慣性參考坐標系中的位置。慣性導航系統是完全自主的，它不向外部發射信號，也不從外部接收信號，具有高的可靠性。慣性導航在短時間內精度比較高，但是隨著INS的漂移逐漸積累誤差，因此長時間工作精度不高，而GPS長時間內精度高，短時間內誤差限寬。GPS與INS慣性導航的結合取長補短，從而提高精度和可靠性以及數據的更新效率[2]。

4.1 慣導系統

慣性導航系統INS分平臺式慣性導航系統和捷聯式慣性導航系統兩類。捷聯式慣導系統SINS是在平臺式慣性導航系統基礎上發展而來的，但它不需要實體的物理平臺和機電平臺，僅由三個速率陀螺、三個線加速度和微型計算機組成，陀螺和加速度計直接固連在運動載體上。捷聯式慣導系統與平臺式慣導系統均能精確地提供載體的姿態、地速、經緯度等導航參數，但前者結構更簡單，降低成本，可靠性更高，精度更高，能全方位的提供信息。

4.2 組合結構

實現GPS與SINS捷聯式慣導的組合方式最顯著的是卡爾曼濾波器，其原理是建立以慣導系統誤差方程為基礎的組合導航系統狀態方程，并在導航系統誤差的基礎上建立組合系統的測量方程。采用線性卡爾曼濾波器為慣導系統誤差提供最小方差估計推導所需的虛擬距離及距離差測量值，然后利用這些誤差的估計值去估算出GPS測量值與INS值之間的誤差余量，將結果以回授方式修正慣導系統，以減少導航誤差。另外，經過校正后的慣導系統又可以提供導航信息，以輔助系統提高其性能和可靠性。

5 GPS在無人機導航中的應用

5.1 超視距遙控

超視距遠程無人機超出地面站觀察和測控范圍，所以需要采用自主的導航方式即機載導航GPS/INS的組合導航系統。地面遙控站人員通過組合導航系統實時獲取無人機的姿態、方位、距離、速度和高度等信息，并對其進行跟蹤，定位和控制。當發現無人機出現偏離預定航線，姿態出現偏差等飛行狀況，可以及時調整飛行狀態[3]。

5.2 程控自主飛行

程控即無人機依靠機載飛行控制系統和機上的設備實現按照程序、沿預定航線的飛行控制。在飛行過程中利用各類傳感器包括GPS/INS組合導航系統，實時獲取無人機的方向、位置、高度、速度等信息經飛控管理計算機對參數的計

算推演后，通過自動駕駛儀控制各活動翼面，調整油門，適時修正無人機的姿態，航跡，使按照預先設置好的任務剖面飛行。

5.3 飛行控制

無人機的飛行控制系統核心組成是導航及任務控制計算機和飛行穩定控制計算機。前者主要用于導航、執行指令接通視頻覆蓋發生器和任務舵機的定位。后者主要工作是根據導航及任務控制計算機傳來的指令以及通過自備傳感器所測的信息，來控制無人機的飛行，使其能夠保持穩定的速度、高度和航向或者改變飛行狀態。

6 結語

GPS的獨特優勢是不可否認的，不論軍用還是民用，處處可見GPS應用的痕跡。GPS的優勢雖然很多但也有不足，短時間定位的低精度使GPS不得不與其他導航方式相結合來發揮各自的優勢。在無人機導航系統的發展中GPS與INS的結合無疑是一個完美的取長補短，解決了某些無人機導航出現的種種問題。但是問題隨需求的增長還會不斷出現，因此 GPS在無人機導航上的應用仍需要進一步挖掘和探討。

【參考文獻】

【1】李校雯，付宇彤，丁家圣.淺談全球衛星定位系統GPS發展[J].通信設計與應用，2016（13）：69.

【2】賈鈺.全球衛星定位系統GPS在汽車運輸中的應用[J].甘肅科技，2016，32（10）：14-16.

【3】龔真春.GPS在微型無人機導航定位中的研究與應用[D].浙江大學，2005.