双GPS+INS组合导航系统在无人机飞控系统的应用_GPS+INS组合导航系统_无人机

双GPS+INS组合导航系统在无人机飞控系统的应用

2010/1/13 13:15:00

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。