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双GPS+INS组合导航系统在无人机飞控系统的应用

--双GPS+INS组合导航系统在无人机飞控系统的应用

供稿:工控网 2010/1/13 13:15:00

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  • 关键词: GPS+INS组合导航系统 无人机 飞控系统
  • 摘要:无人驾驶飞机是一种有动力、可控制、能携带多种设备、执行多种任务、并能重复使用的无人驾驶航空器,简称无人机(Unmanned AenM Vehicle缩写UAV)。自1913年世界上出现第一个自动驾驶仪以来,无人机受到越来越多国家的重视,发展迅猛。目前从事研究和生产无人机的有中国、美国、俄罗斯、以色列、法国、英国和南非等近3O个国家,无人机基本型数量已增加到300多种。鉴于其独有的低成本、低损耗、零伤亡、可重复使用和高机动等诸多优势,其使用范围已拓宽到军事、民用和科学研究三大领域。在军事上可用于照相侦察、信号情报搜集、布撒雷达干扰箔条、防空火力诱饵、防空阵地位置标识、直升机航路侦察,为武器系统提供目标定位、目标指示、目标动态监视和目标毁伤评估的实时情报等;在民用上,可用于农作物种植和施播、救护定位、桥梁大坝检测、输油管、天然气管道、悬挂电缆、铁路、高压线的监视,公路交通及危险品的运输监视等;在科学研究上,可用于大气研究、对核生化污染区的取样与监控、新技术新设备与新飞行器的试验验证等。

1背景

无人驾驶飞机是一种有动力、可控制、能携带多种设备、执行多种任务、并能重复使用的无人驾驶航空器,简称无人机(Unmanned AenM Vehicle缩写UAV)。自1913年世界上出现第一个自动驾驶仪以来,无人机受到越来越多国家的重视,发展迅猛。目前从事研究和生产无人机的有中国、美国、俄罗斯、以色列、法国、英国和南非等近3O个国家,无人机基本型数量已增加到300多种。鉴于其独有的低成本、低损耗、零伤亡、可重复使用和高机动等诸多优势,其使用范围已拓宽到军事、民用和科学研究三大领域。在军事上可用于照相侦察、信号情报搜集、布撒雷达干扰箔条、防空火力诱饵、防空阵地位置标识、直升机航路侦察,为武器系统提供目标定位、目标指示、目标动态监视和目标毁伤评估的实时情报等;在民用上,可用于农作物种植和施播、救护定位、桥梁大坝检测、输油管、天然气管道、悬挂电缆、铁路、高压线的监视,公路交通及危险品的运输监视等;在科学研究上,可用于大气研究、对核生化污染区的取样与监控、新技术新设备与新飞行器的试验验证等。
随着航空技术的发展以及对无人机越来越广泛的需求,无人机飞控系统向着高精度、小型化、数字化方向发展。高精度要求无人机的导航控制精度高、稳定性好、并且实时性要求高,能够适应复杂的外界环境,因此控制和信号处理算法比较复杂、计算速度快、精度高。小型化则对驾驶仪系统的重量和体积提出了更高的要求,要求处理和控制计算机的性能越高越好,体积越小越好。这些条件在设计系统时都要综合考虑以达到最优化的性能设计。

2 GPS+INS 解决方案

惯性导航系统( INS) 是一种完全自主的导航系统,具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射性强、全天候等优点,是能够提供多种导航参数的重要导航设备。但它的误差随时间而积累,长时间工作后会产生大的误差,使得惯性导航系统不宜作远距离长时间导航;而全球定位系统(GPS) 具有较高的导航精度,但是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。
为克服以上这些缺点,若采用基于GPS/INS组合技术以适当的方法将两者融合,即可提高系统的整体导航精度及导航性能,以及对准和再对准的能力。

3 ADU产品

通过对市场此类型产品的调研,我们发现由北京星网宇达科技开发有限公司(www.3dgps.com.cn)推出的XW-ADU(Attitude Direction Unit)系列产品完全可符合应用需求。
有别于一般GPS/INS产品,XW-ADU采用两个高精度高动态的GPS接收机作为卫星信号传感器,利用载波相位差分技术和快速求解整周模糊度技术,可精确计算运动载体的方位角;并加以惯性测量技术辅助测姿导航,当GPS信号受到干扰后,通过高精度光纤惯性测量单元的保持,在一段时间内,系统仍可输出高精度的数据。INS 和GPS 之间彼此可以优势互补,取长补短。GPS 接收机可以向INS提供有关它当前的积累误差的实时而准确的数值,并进行补偿,提高导航精度。INS 能够用准确的位置和速度初始值提供给GPS 接收机跟踪回路,从而减少其采集GPS卫星信息所需要的时间。测姿过程中,INS把速度和加速度信息提供给GPS 接收机,可以提高GPS接收机的抗干扰能力和动态特征。如果GPS接收机失去对卫星的自动跟踪,INS仍然能够独立工作,并且提供的位置和速度值帮助GPS接收机及时地采集GPS 卫星信息。
4 XW-ADU产品的技术亮点

1 基于载波相位测量技术的新导航算法
XW-ADU采用两个GPS作为卫星信号传感器,通过两个测量天线接收GPS系统信息,利用载波测量技术和快速求解整周模糊度技术,结合星网宇达独特导航算法,解算出两个GPS接收机天线处位置和两天线相位中心连线与真北之间的夹角。
采用双GPS定向寻北,克服了惯性定向产品精度随时间和温度漂移的缺陷,消除了磁罗盘定向产品受环境影响的制约,测量精度高、稳定性好。

2 基于MEMS的微小IMU设计
以往的IMU(Inertia Measure Unit)往往是庞大、笨重而且又昂贵的精密仪器,仅高端武器系统和平台才能支付得起。
为满足无人机飞控系统对惯性姿态测量装置微小型化、功耗低的要求,星网宇达将目光投向了正飞速发展的微电子机械器件(Micro-Electro-Mechanical Systems),经过对国内外多型号陀螺仪和加速度计大量筛选并实际测量,最终将内置的小IMU控制在了3cm*3cm*3cm的尺寸内,完全可满足不同类型的无人机飞控系统需求。

5  XW-ADU在某无人机应用实例
       应某研究所邀请,北京星网宇达科技开发有限公司提供了XW-ADU3600 OEM产品,在该所气象无人机上进行配装并试飞,最终成功应用,为气象无人机观测项目助航添力。
1)安装
前天线安装到无人机前进方向(机头)
后天线安装到无人机后退方向(机尾)
XW-ADU3600主机安装到机舱内
2)实验数据分析
3)测试结论
       基于双GPS+IMU组合技术的XW-ADU导航测姿产品,可满足无人机飞控系统的设计要求,且体积小、可靠性高、产品线型号多样、可独立使用,也可与其它系统联合使用。除无人机飞控系统外,也是用于卫星通信车、卫星遥感车、气象雷达车、水面舰艇、科考船、水文调查船、江河作业船、飞艇、火控系统、指挥控制系统的理想产品。
 

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