無人機導航定位技術涉及哪些方面

近年來，無人機在農業、事故調查、軍事、建筑、采礦、測繪和測繪測量等多個領域的應用需求急劇增長。無人機導航方案的可靠性對無人機應用的安全性起著至關重要的作用。因此，小型化、輕量化和低成本的無人機導航定位技術已經成為了研究的熱點問題。

?

GPS全名叫Global Positioning System，全球定位系統，最早起源于美國的軍事項目，美國的這種系統叫GPS，我們中國也有全球定位系統，叫北斗；俄羅斯也有，叫格洛納斯；歐盟也有，叫伽利略。這4套全球定位系統的定位原理基本都是一樣的。有了這套系統，我們就可以用它進行導航，引導我們到某地。在軍事上可就厲害了，可用于精準打擊，可以讓導彈到全球各地去搗蛋。其實，GPS除了可以定位，還可以授時，也就是告訴你準確的時間，準確的定位與時間有密不可分的聯系。

比如我們這里有一個帶有GPS的無人機，假設我們不知道這個無人機的空間坐標XYZ，也不知道它的時間坐標T。但是我們可以從衛星這里接收一些信息，也就是衛星的星歷，星歷里面有衛星自己準確的空間坐標X1 Y1 Z1，同時也有一個準確的時間T1，因為衛星有原子鐘。衛星會把這些信息發送給GPS接收機。坐標和時間其實是有一定的聯系的，通過坐標和時間我們都可以算出GPS接收機與衛星之間的距離。也就是下圖藍線的長度，通過坐標計算距離就是用勾股定理，無人機到衛星距離的平方=Y-Y1的平方加上這條綠線的長度的平方，綠線長度的平方又等于X-X1的平方加上Z-Z1的平方，所以無人機到衛星的距離等于右面的式子開平方。我們再用時間來求出無人機到衛星的距離，就是信號傳輸的速度乘以信號傳輸的時間，也就是光速3?108再乘以T-T1。我們通過這兩種方式算出的距離，實際上它們是相等的，所以我們會得到這個方程。

那這個方程里，有4個未知數XYZ和T，通過這一個方程我們是不能解出這4個未知數的。所以我們需要4個這樣的方程才可以解出XYZ和T。所以我們再接收3個衛星的數據，我們就可以和到另外3個方程，最終我們就可以解出XYZ和T。

所以，GPS接收機至少要通過4顆衛星，才能確定自己的空間坐標和時間坐標。衛星定位最不好解決的問題就是誤差，因為信號在傳輸的時候，因為大氣等因素的影響，速度哪怕慢一丁點，影響都比較大，因為光速特別快，所以GPS的誤差一般是在幾米到幾十米，想要減少誤差，我們就要用差分GPS這項技術，它可以大大提高GPS的定位精度。它是在無人機相對較近的已知坐標點上布放一個GPS基準站，它也可以接收到為無人機提供位置信息的4顆衛星的信號，根據這些信號算出坐標值，然后與已知的坐標比較，得出坐標的偏差量，然后將偏差量或者實時測得的載波相位，通過數傳鏈路或移動通信網絡發送給無人機，無人機根據接收到的信息進行修正。還可以為無人機在專業的精準定位服務商購買定位服務，通過移動通信網絡接收誤差更正信息來更修正位置。

圖1? 實驗硬件裝置

GNSS（全球導航衛星系統）作為室外應用較為廣泛的全球定位系統，已經發展出了多種厘米級精度的定位方式，如RTK（載波相位動態差分定位）和PPP（精密單點定位）等。但是由于全球導航衛星系統的局限性，可能無法作為未來無人機上導航系統決定性部分，主要原因是：

（1）信號在城市深峽谷中高度衰減，使其幾乎不能用于數據包傳送、交通管制和事故調查等若干無人機應用場景；

（2）信號極易受到有意干擾（干擾）和偽造信號的影響（欺騙），這會對軍用和民用無人機的應用造成嚴重破壞。

在學界和業界使用融合的方法以求在滿足無人機小型化、輕量化和低成本的要求上達到更加魯棒和精準的導航定位結果。根據前人的文獻總結，主要有如下三種基于無人機的導航定位技術方法：

圖2??運行模式?

（1）RTK與MEMS松耦合方法。有研究人員使用低成本的UBlox GNSS接收機對單頻RTK進行了計量應用評估，結果表明其位置精度可達厘米級。還有人獲得了改進的位置和姿態確定結果。這些研究在一定程度上可以滿足高精度地球參考的要求，并通過傳感器集成減輕GNSS挑戰環境下的弱信號問題。然而，RTK方法仍然存在很大的局限性。其中之一是有限的操作范圍，即自其基地接收站的基線長度。這對單頻RTK而言尤其具有挑戰性，因為當基線長度達到15km或更長時，很難解決載波相位模糊的問題。因此，在松耦合、長基線情況下，當RTK的精度受限時，定位算法很難給無人機一個魯棒且精確的定位結果。

（2）PPP與MEMS的松耦合方法。科研人員PPP測試了SUAVS，以獲得厘米級定位精度。然而，他們的研究只在任務完成后和使用高端雙頻GNSS接收機時進行，并不能滿足無人機小型化和輕量化的需求?！兑环N適用于小型無人機的實時低成本PPP和MEMS-INS松耦合地理參考系統的開發與測試》這篇文章中，工作人員設計了4旋翼無人機，并搭載UBlox M8P單頻GNSS接收機接收GNSS數據，使用Pixhawk內部的經濟型MEMS IMU（MPU9250）的流數據，而單頻PPP（SFPPP）的校正數據使用3DR無線電傳輸，構建了PPP與MEMS的松耦合無人機導航定位系統。在周跳探測與修復的設計中，由于使用單頻低成本接收機，常用的MW和GF的探測方法無法使用，科研人員使用了基于多普勒相位預測的單頻PPP應答周期滑動檢測方法，實驗結果表明定位精度可達分米級。

圖3? ?RALT（雷達高度計）輔助作用距離

（3）雷達輔助GNSS定位方法。RALT（雷達高度計）輔助GNSS的方法主要旨在提高GPS的精度、完好性和連續性，以達到飛機著陸的嚴格導航要求。這種在垂直方向上的高精度范圍能夠改善整個3D位置解決方案。前人利用三個子系統的組合，以產生一個高度精確的位置，用于導航目的。第一個子系統是選定的全球導航衛星系統（GNSS），可以是雙頻GPS，也可以是與基于衛星的增強系統（SBAS）（即WAAS）結合使用的GPS；第二個子系統即RALT單元，是一個商用單元，它提供飛機離地高度（AGL）的測量值，用于位置計算；最后一個子系統是地形數據庫，用于確定飛機在給定高度AGL的情況下高于平均海平面（MSL）的高度。三個子系統中的每一個子系統在整個系統精度中都起著重要作用。為確保系統始終滿足性能要求，必須了解各種位置性能的敏感性。?

下面是雙天線測向RTK無人車測試——替換磁羅盤和VFH避障算法： ? 針對磁羅盤的這個器件的不穩定，容易受到硬磁和軟磁干擾，阿木實驗室在Rover這個無人車固件上用諾瓦泰617D雙天線測向板卡，輸出的航向信息，替換了原有的磁羅盤的航向信息。這樣一來不需要對磁羅盤進行繁瑣的校準，其二完全避免了硬磁和軟磁干擾。在一定程度上提升了系統的穩定性。其實，在無人機上也可以替換，無人機在高空，航向信息更好些。 ? ? ? 這套無人車系統包含：1、千尋的RTK厘米級定位；2、室外激光雷達避障(基于VFH避障策略VFH的全稱是Vector Field Histogram，即向量區間柱圖法)；3、雙天線測向替換磁羅盤測向；4、基于EKF的姿態和位置估計；5、有完整的ROS接口和MAVLINK接口。只需要傳輸期望的速度或者期望的位置，這個無人車底盤就可以執行避障等比較復雜的指令。 ?

編輯：黃飛

?