GPS在小型无人机导航位中的应用研究

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1、要痞耀戎唐撤蒸吐卡傀书茎者踏霞铃仕该速寥冲熟捅委联番脖京托床恐仙GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航定位中的应用研究 答 辩 人: 方展辉 指导教师: 井元伟 教授控制理论与导航技术研究所注世傀珊晨啃固弃肠抨硬坡舀挞手母桐捉就酌蛔射成瓢舀莹弛胳良戮卉纫GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究要痞耀戎唐撤蒸吐卡傀书茎者踏霞铃仕该速寥冲熟捅委联番脖京托床恐仙GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究主要内容1.绪论2.GPS导航定位原理3.无人机GPS导航定位坐标转换算法研究4.

2、无人机GPS/MIMU组合导航系统研究5.结论与展望协萎梅芹帛镁篷菏恼底松董冶姚班催肢狱巳僳酶镑钓贺雹绣盲哑舟唤居扰GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究1.绪论 1.1 无人机及其导航技术 定义：定义：无人机(UAV, Unmanned Air Vehicle)是一种有动力、可控制、能携带多种载荷，执行多项任务，并可重复使用的无人驾驶飞行器。导航技术：导航技术：惯性导航、GPS导航、地形辅助导航、无线电导航、组合导航等无人机名称“先锋”无人机“月神”无人机“勇士”无人机“哈比”无人机“全球鹰”无人机导航方式GPSGPS/INSGPS/INSGPS/INSGP

3、S/SINS表1.1 无人机导航方式鳖救旨惟已呈栏做曰剥夷恩幌哎的葫邵咏起社轰尹掌走删卡嫩泥噬低轰治GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究1.绪论1.2 GPS全球定位系统发展现状GPS作为美国新一代卫星导航系统，具有全球性、全能性、全天候、连续和实时的导航定位功能。3个发展阶段2种定位服务10维导航参数置窍拭赎甥御粗婚灾青唇氏超杀梅币斩雅枪莽疗毛磺职噶侯转睫泰吭臀磺GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究1.绪论1.3 课题研究的意义1）坐标转换是导航算法的基石2）导航系统在无人机姿态稳定与自主飞行中起关键作用 函嘘库困屎彤拇

4、罪木令妆愧创虱睡掠文屉谴鉴钥栏幽端凉蛀滑莽碗吮焙拘GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究2.GPS全球定位系统原理2.1 GPS组成GPS系统主要由3部分组成：即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。图2.1 GPS空间星座分布示意图 洗慨貌唤淄脏伪靛背耸费狠虞察寞虞征锣注指诌蛛割颊声叼区蓟宙吼迪橡GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究2.GPS全球定位系统原理2.2 GPS导航定位原理 GPS导航定位的基本原理是以高速运动的卫星瞬间位置作为动态已知点，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。其定位原理图如图2.2所

5、示。接收机只需要通过对4颗卫星同时进行伪距（或载波相位）测量，即可解算出其三维坐标。 图2.2 GPS导航定位基本原理图 Z Y O(x，y，z) XS1 S2S3 S4(x1，y1，z1)(x2，y2，z2)(x3，y3，z3)(x4，y4，z4)裙惋掏亭股卵铺捆夹蹲哎并前谈潍赐蝇氟惩巡俯犬蚂拖即跑匠姓镐拐蜗滑GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究2.GPS全球定位系统原理其中，待测点坐标 和接收机钟差 为未知数， 为卫星1、2、3、4到接收机之间的伪距， 为卫星1、2、3、4的空间坐标， 为卫星1、2、3、4的星钟钟差。 GPS导航定位的数学模型如式(2.

6、1)所示： （2.1）阀冈符缆郝裙收逮藏开大脚陵娇榨撩俯坐隐顾均乏咱深踞圃骡烤惋慈嫂蓝GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究3.无人机GPS导航定位坐标转换算法研究坐标转换是导航算法的基石。在组合导航中，GPS给出的位置是WGS-84坐标，而实际的导航定位则是在北京-54系（或国家-80系）下完成，为使GPS导航定位的结果与所采用的实际坐标系相对应，须进行不同坐标系之间转换算法的研究。愿弊片处靳桶撕妙敌止悯匝锑工宇谢披掇千悍菩敢执赏交滑诞微狙阴莹兑GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究3.无人机GPS导航定位坐标转换算法研究3

7、.1 GPS导航定位中的坐标转换算法1)不同空间直角坐标系之间的转换算法 （3.1）其中， 为平移参数， 为旋转参数， 为尺度参数， 为待转换点在当地坐标系下的坐标。件缮煌逐庶绝流烹恋赵窍滇价湍够龄型淹方葛贯置阳椿端匆棋蓬样崔妥扰GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究3.无人机GPS导航定位坐标转换算法研究 2)不同平面直角坐标系之间的转换算法 （3.2）其中， 为平移参数， 为旋转参数， 为尺度参数， 为待转换点的在当地坐标系的坐标呸袋厂拳癌减抨仪奶鸽鄂订铡煞分崔匙斜萎藩妖盘垒户炽倒卷篙茫报聊质GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的

8、应用研究3.无人GPS导航定位坐标转换算法研究3）高斯投影正算转换算法 （3.3）其中， ， ， ， 为由赤道至纬度 的子午线弧长； 为投影点的大地纬度； 为投影点与中央子午线间的经差； 投影点的卯酉圈半径。 洲喧轴陕韩植锯思陶短礼还颈绥船侍癌描辛雌搽追遥混界倔赶矮菊顷棒巩GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究3.无人机GPS导航定位坐标转换算法研究 3.2 简化的高斯投影正算转换算法 （3.4）其中，式（3.4）各参数的物理意义同式（3.3）孪痘给履络扣窑揽芋烂侮挂材抗涂啦篷下隐热箕劳称嚎逗迎皿窟很割糯森GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机

9、导航位中的应用研究3.无人机GPS导航定位坐标转换算法研究 3.3 机载GPS导航定位坐标转换实验与结果分析表3.1 两种投影算法下的坐标比较（单位：mm)名称最小值最大值中误差点位误差1.351.491.449.348.919.559.23从表3.1看出，简化后的实用转换算法式（3.4）与精确的转换算法式（3.3）相比，二者计算得到的坐标相差仅在毫米级，因此，无论对单机GPS导航还是差分GPS导航，按实用算法达到的精度完全可以满足导航要求。袒燥精傍帘需接吨痔事继扣弃同篮稿浅光妹脏轻溜忆秩毫时袋酶蛹磺爵陌GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/

10、MIMU组合导航系统研究GPS和惯性导航系统各有优缺点，但在误差传播性能上正好是互补的，前者长期稳定性好，短期稳定性差，而后者正好相反。因此可采用组合导航技术将二者有机组合起来，以提高导航系统的整体性能。邓蠕达恭哄厅四判遍粟裴灯腑姬嘎就洁恳趋狙贝移陵键致耀空浊嫉凝虐阴GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究4.1 MIMU误差模型设MIMU导航坐标系为东北天地理坐标系，速度误差为 ， ，位置误差为 ， ，平台误差角为 ，陀螺漂移误差为 ，加速度计误差为 ，下标 分别表示东、北、天，则可以给出MIMU误差模型，包括位置误差

11、方程、平台误差方程、速度误差方程和惯性仪表误差方程。1)位置误差方程 （4.1）其中， 为地球椭球参考子午圈上各点的曲率半径， 为地球参考椭球卯酉圈上各点的曲率半径，为地球的半长轴， 为地球的扁率。砖董继弛琵馅闭勿拙咬龋熔她谐承尖泛诣祈措害森肤缚派坤笆弃糜辆婶膜GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究2)平台误差方程（4.2）其中， 为东向速度， 为北向速度， 为地球自转角速度，其他符号的物理意义同式（4.1）降场攻迈湖宠捐拎揣次梁踢卢扯详缨炯刁几唱玄椅羡夹芬烫钞栓那奴侄聪GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型

12、无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究3）速度误差方程（4.3）其中， 为北、东、天向加速度，其他符号的物理意义同式（4.1）和（4.2）栓凌塔徊辅显课另蜗兽垂随迢唬快蹬咆陋绿捎刀养桑啤驰暖格杖棱搽坦衅GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究4）惯性元件误差方程 （4.4）其中， 为陀螺漂移的随机分量； 为加速度计零偏的随机分量； 为陀螺马尔柯夫过程相关时间； 为加速度计马尔柯夫过程相关时间； 为陀螺马尔柯夫过程驱动白噪声； 为加速度计马尔柯夫过程驱动白噪声。涨组崩窘椰捏羚赤净甄湖夺桑惕里恤郎

13、胺辨骤焊哗溅综扰辽溅跌咕二少樱GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究4.2 MIMU误差仿真按照上述建立的误差模型，对MIMU系统进行了仿真。部分仿真参数设置如下：初始经度为123.4，初始纬度为41.8，初始速度为20m/s，航向角为45，姿态误差角为 ， ，速度误差为 ，位置误差为 ，陀螺一阶马尔科夫漂移为 ，加速度一阶马尔科夫零偏为 ，仿真时间为120s。仿真曲线如图4.14.4所示。图4.1 纬度误差曲线图4.2 经度误差曲线价隆宛哨及芒抬截饱耽榔泼户奏屈颠礁襄三澡晚窗骗副肿重麦肾博锑银崩GPS在小型无人机导航

14、位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究 图4.3 东向速度误差曲线 图4.4 北向速度误差曲线从仿真曲线看出，MIMU各个导航参数误差随时间快速发散，无法单独满足长时间高精度的导航要求。因此，有必要进行组合导航技术的研究，将MIMU与GPS有机组合起来，以实现长期高精度导航需要。表侍悔爪的回黄席杨汀坝竿审恃悍造侮寸妈勇囚哩扦蛇蛔校筏夹瘸哑痔絮GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究4.3 GPS/MIMU组合模式本文所设计的GPS/MIMU组合系统，选择集中卡尔曼滤波

15、算法，将组合状态降维处理，采用位置/速度综合模式，通过间接法对导航参数进行输出校正，以获得精确的导航参数。系统的原理方框图如图4.5所示。 4.5 组合系统的原理方框图挛行氦拴张拉抄邑湖贯吏孺纶逗晕拉吃全脯扛渝踌刹捞挤蝶宫米莹鞭尤妒GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究4.4 GPS/MIMU组合系统数学模型1）组合系统的状态方程：其中， 为系统的状态矢量 为速度误差； 为捷联式姿态角计算误差； 为纬度、经度误差； 为陀螺仪随机漂移误差； 为加速计随机偏置误差。 为系统的噪声矢量 （4.5）其中， 分别为加速度计及陀螺

16、仪均值高斯白噪声（4.6）（4.7）储困烧掘注适蓝语胸惫踩值去决帖抵用鹃父臆讹篓赂始陪幻革棱辈伦杆叮GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合系统研究 为系统的噪声矩阵： 为系统的状态矩阵： 其中， 为对应于组合系统的前7个误差参数（3个姿态误差，2个速度 误差，2个位置误差）的系统动态矩阵。 为基本导航参数与惯性仪表 误差之间的转换矩阵， 为与惯性仪表误差对应的系统矩阵。 至此，已经建立起组合系统状态方程的数学模型 （4.8）（4.9）坊氰窘酣编桌茅趾窖森农咙晌撤搀惭胸贺抱现辆葛订稿稿镐斑醛屹刁工鞍GPS在小型无人机导航位中的应用研

17、究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合系统研究2）组合系统量测方程 位置量测方程 速度量测方程 其中， 、 为MIMU输出的经度、纬度值； 、 为GPS输出的经度、纬度值； 、 为MIMU经度、纬度误差； 、 为GPS经度、纬度误差。 、 为MIMU输出的北向、东向速度； 、 为GPS输出的北向、东向速度； 、 为MIMU北向、东向速度误差； 、 为GPS北向、东向速度误差。 （4.10） （4.11）阅磅枉哆骋光言羔锻织值蓬颖搜银晋揣扶困良汾退臆询愉栏沫零驯霸罐携GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组

18、合系统研究 综合式（4.10）和（4.11），得到位置/速度综合的量测方程（4.12）坠痹砰凯赛相响春羔锗绞欲菠弓虫就戚忻凋照尧竟巾熄族麓孪从京孟欧豺GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合系统研究4.5 GPS/MIMU组合导航系统仿真 基于前面建立的GPS/MIMU组合系统数学模型和卡尔曼滤波算法，对系统进行了仿真。部分仿真初始值设置如下：初始经度为123.4，初始纬度为41.8，速度为20m/s，航向角为45。其他初始值的设定：姿态误差 、速度误差、位置误差 、陀螺一阶马尔柯夫漂移 、加速度一阶马尔柯夫零偏的初值与MIMU误差

19、仿真参数设置相同。仿真曲线如图4.64.9所示。染疮租道团锌齿筛函督化哀呕驻渴佰治散僳捶色篓岁铃路古虫峭激肉桐纸GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合系统研究图4.6纬度误差曲线图4.7经度误差曲线图4.8东向速度误差曲线图4.9北向速度误差曲线静举摆栖宾税索胯压黔杠诺园剔扒糜动滔鲤恬粟奖踩掀神蚁娘虫森损怎容GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究4.无人机GPS/MIMU组合系统研究仿真结果分析：仿真结果分析： 从仿真曲线可以看出，由于GPS位置与速度测量信息的引入，并经集中卡尔曼滤波器滤波修正后

20、，GPS/MIMU组合系统获得了较好的位置误差、速度误差的滤波效果，与单一的MIMU系统仿真结果相比，有效的克服了单一MIMU误差状态随时间发散的现象，大大的提高了系统的长时间导航精度。位置误差和速度误差均满足导航要求。 拉坝铬烬配临幻段烤隘拧翱颤壹扼侦走硒婪风朋蛛肯粱壮临油橙粹露饱艳GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究5.结论与展望结论：结论：1）针对基于GPS信息进行导航时所用的坐标转换算法进行了合理简化，得到了实用的小型无人机实时动态坐标转换算法，通过算例证明了该算法的有效性和实用性。2）针对GPS和MIMU各自的不足之处，研究了GPS/MIMU组合导

21、航系统，仿真结果表明组合系统在精度和可靠性方面，较单一MIMU系统有明显的改善，可以满足小型无人机的导航需求。诬蓉榷朝垂揉倍罩胖贱谅砸壤秀嘻涛苯拌玉髓唇密亚倔析送腕溉台赘烂刊GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究5.结论与展望展望：展望： 1）本文在MIMU系统中没有考虑高度分量，后续的研究工作可引入测高仪等辅助导航设备，以获得完整的系统参数。2）在GPS/MIMU组合系统中，针对数学模型不准确或噪声统计特性不完全已知的情况，可进一步开展自适应等滤波算法的研究。 怒社副枢釉协踊食柱振悍桶迟膘忧剧钥充羡守耿遣博攀狸煌酪咏刻售凋衔GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究 请老师和同学请老师和同学们批评指正！们批评指正！人启心负苔说幼杏毫袄死铆植褪征角讥广爬责镊胞啄负县润搬没智暂申届GPS在小型无人机导航位中的应用研究GPS在小型无人机导航位中的应用研究