GPS在小型无人机导航定位中的应用研究方展辉

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1、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.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究5.结论与展望1.绪论1.1无人机及其导航技术定义：无人机(UAV,UnmannedAirVehicle)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：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

2、”无人机“哈比”无人机“全球鹰”无人机导航方式GPSGPS/INSGPS/INSGPS/INSGPS/SINS表1.1无人机导航方式1.绪论1.2GPS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2.GPS全球定位系统原理2.1GPS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

3、。图2.1GPS空间星座分布示意图2.GPS全球定位系统原理2.2GPS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2.2GPS导航定位基本原理图ZYO(x，y，z)XS1S2S3S4(x1，y1，z1)(x2，y2，z2)(x3，y3，z3)(x4，y4，z4)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

4、，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(2.1)所示：（2.1）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。3.无人机GPS导航定位坐标转换算法研究3.1GPS导航定位中的坐标转换算法1)不同空间直角

5、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。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。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

6、（3.4）其中，式（3.4）各参数的物理意义同式（3.3）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1.351.49±1.44±9.348.919.55±9.23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。4.无人机GPS/MIMU组合

7、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。4.无人机GPS/MIMU组合导航系统研究4.1MIMU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

8、，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。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）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（