第三单元-无人机定位导航与通信

第三单元无人机定位、导航与通信模块一·无人机的定位与导航技术·本模块学习目标了解无线电导航、惯性导航、卫星导航、组合导航等常用导航技术的基本特点。·学习导言小朋友们，在学习了本书第二部分“体验无人机”后，你们是不是觉得无人机在GPS模式（绿灯）下要比在飞控模式（黄灯）下操作更简单、无人机飞行更稳定呢？你们知道这是为什么吗？·卫星导航卫星导航是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。常见的卫星导航包括美国的“GPS”、欧盟的“伽利略”、俄罗斯的“格洛纳斯”和中国的“北斗”。卫星导航与定位分为二维定位和三维定位。二维定位只能确定用户在当地水平面内的经、纬度坐标；三维定位还能给出高度坐标。在动态定位时，受航速等条件的影响，误差较大，定位精度会随之降低。目前，以时间测距的导航卫星，其三维定位精度可达十几米（军用级），粗定位精度在100米左右（民用级）（一）什么是GPS？GPS即全球卫星定位系统，中文简称为“球位系”，是一个中距离、圆型轨道卫星定位系统。结合卫星及通讯技术的发展，利用导航卫星进行测时和测距工作已经与人们的日常生活密不可分。GPS具有全天候、高精度、自动化等诸多优点，美国于20世纪70年代开始研制，期间历时20余年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实施三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。按照定位精度与用途划分，GPS信号分为民用标准定位服务和军用标准精确定位服务两类。（二）GPS系统前身GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统，该系统于1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的“星网”工作，每天最多可绕过地球13次，虽然无法给出精确的高度信息，而且在定位精度方面也不尽人意。然而，子午仪系统的诞生，使得美国军方研发部门对卫星定位积累了初步的经验，并验证了由卫星系统进行全球精确定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海、陆、空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星定位系统。于是，美国海军研究实验室提出了名为“Tinmation”的，计划用12到18颗卫星组成10000公里高度的全球定位网计划，并于1967年、1969年和1974年向太空各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，而原子钟计时系统则是GPS系统精确定位的基础。（三）GPS系统实施计划GPS计划的实施共分三个阶段：第一阶段：为方案论证和初步设计阶段。从1978年到1979年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座运载火箭发射了4颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为26560公里，倾角64度。轨道高度20000公里。这一阶段主要研制了地面接收机及建立了地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，美国军方又陆续发射了7颗被称为“BLOCKI”的试验卫星，同时研制了各种用途的接收机。通过大量的实验表明，GPS定位精度远远超过其最初的设计标准，仅利用粗码定位，其精度就可达14米。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，这一阶段的卫星称为“BLOCKII”和“BLOCKIIA”。此阶段正式宣告GPS系统进入工程建设状态。1993年底，实用的GPS网络即（21+3）GPS星座即已经正式建成。（四）GPS系统的组成GPS系统包括三部分:1、空间部分，即GPS星座，GPS星座是由24颗卫星组成的星座，其中21颗是工作卫星，3颗是备份卫星。GPS的空间部分位于距地表20200公里的上空，24颗卫星均匀分布在了6个轨道面上(每个轨道面有4颗卫星)，其轨道倾角为55°。2、地面控制部分，即地面监控系统。地面控制部分由一个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的控制和接收设备。监测站将取得的卫星观测数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集相关数据，并计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至它的上空时，把这些数据及主控站指令注入到卫星中。3、用户设备部分，即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，可以解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件、机内软件以及GPS数据处理软件组合成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时，机内电池同时自动充电。而在设备关机后，机内电池为内存存储器供电，以防止数据丢失。（五）GPS的组成卫星GPS卫星重774kg，设计使用寿命为7年。卫星采用蜂窝状结构，主体呈柱形，直径为1.5m。卫星两侧装有2块双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33米，接受日光面积为7.2平方米。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给3组镉镍电池充电，以保证卫星在位于地球阴影部分时，仍能正常工作。在卫星底部装有12个单元的多波束定向天线，能发射张角大约为30°角的2个L波段信号。在卫星的两端上装有全向遥测遥控天线，用于保持与地面监控网的通信畅通。此外，卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统，以便使卫星保持在适当的高度和角度范围内。（六）GPS以及其他卫星定位系统的工作原理卫星定位系统的基本定位原理是利用卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户在接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、方向、运动速度以及时间信息。当苏联发射了第一颗人造卫星后，美国约翰·霍布斯金大学应用物理实验室的研究人员即提出可以通过已知观测站的位置，知道卫星的具体位置，那么如果已知卫星的具体位置，应该也能测量出接收者所在的具体位置。这正是导航卫星的基本设想。GPS系统的基本原理正是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所耗费的时间，再将其乘以光速得到。当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。而导航电文又包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。（七）GPS系统的功能及特点GPS系统被广泛应用的人们的社会工作与日常生活中。诸如：1、精确定时，GPS系统广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台，用于进行精确定时。2、工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中，大量采用了GPS设备进行工程测量。3、勘探测绘：野外勘探及城区规划中都应用了GPS系统。4、导航，GPS系统在导航领域中用途非常广泛，从个人民用到国家军事战略应用，时时刻刻都能出现GPS系统的身影。（1）武器导航，包括精确制导导弹、巡航导弹、洲际弹道导弹等；（2）车辆导航，包括城镇公交系统调度、企事业单位车辆调度、交通状况监测等；（3）船舶导航，包括远洋货轮、油轮、游轮导航、舰队远洋演习与作战等；（4）飞机导航，包括民航客机商业航线导航、飞机着陆控制等；（5）星际导航，卫星轨道定位等；（6）个人导航，包括个人旅游及野外探险等。5、定位，GPS系统定位服务为世界各地的人们带来的巨大的生活便利。（1）车辆防盗系统、车辆分期业务中的车辆定位；（2）手机、平板电脑等通信移动设备的防盗、电子地图、轨迹记录等应用服务；（3）儿童及特殊人群的防走失定位设备；（4）农机具导航、自动驾驶，土地高精度平整等。（八）GPS系统的六大优点1、全天候不受任何天气的影响；2、可实现全球覆盖（高达98%）；3、三维定点、定速、定时，高精度；4、快速、省时、高效率；5、应用广泛、功能多样；6、可实现移动定位。（九）全球四大卫星定位系统1、美国GPS卫星定位系统由美国国防部于20世纪70年代初开始设计、研制，于1993年全部建成。1994年，美国宣布在10年内向全世界免费提供GPS使用权，但美国只向外国提供低精度的卫星信号。美国媒体曾经表示：“GPS是不能倒闭的银行”。2、欧盟“伽利略”卫星定位系统欧盟于1999年首次公布伽利略卫星导航系统计划，其目的是摆脱欧洲对美国全球定位系统的依赖，打破其垄断，组成“伽利略”卫星定位系统。该项目总共将发射30颗卫星，可以覆盖全球，位置精度达几米，亦可与美国的GPS系统兼容，总投入达34亿欧元。因欧盟各成员国存在巨大分歧，伽利略计划已几经推迟，欧盟伽利略卫星定位系统从2014年起正式投入运营。与美国的GPS系统相比，“伽利略”系统更先进，也更可靠。美国GPS向别国提供的卫星信号，只能发现地面大约10米长的物体，而“伽利略”的卫星则能发现1米长的目标。一位军事专家曾形象地比喻，GPS系统只能找到街道，而“伽利略”系统则可以找到家门。3、俄罗斯“格洛纳斯”卫星定位系统“GLONASS”是由俄罗斯单独研发部署的卫星定位系统，该项目启动于20世纪70年代，俄罗斯目前有22颗Glonass卫星在轨运行，但仅有16颗运转正常。该系统需要有18颗卫星才可满足继续为全俄罗斯提供导航与定位服务的需求，至少需要24颗卫星才提供全球导航与定位服务。GLONASS系统完成全部卫星的在轨部署后，其卫星定位范围可覆盖整个地球表面和近地空间，定位精度将达到1.5米之内。4、中国“北斗”卫星定位系统2003年5月25日零时34分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空，前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空，运行至今，导航定位系统工作稳定，状态良好。2010年1月17日0时12分，中国在西昌再次成功发射第三颗北斗导航定位卫星(北斗三号)。这标志着北斗卫星导航与定位系统的工程建设又迈出了重要的一步，卫星组网工作正按计划稳步推进。“北斗”卫星定位系统是一种全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统。北斗卫星定位系统组网成功将能够提供与GPS同等的导航与定位服务。中国的北斗卫星定位系统将成为与GPS并驾齐驱的“卫星导航定位系统”。不同于GPS的是，“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流。2008年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流。北斗二号系列卫星已进入组网高峰期，建设自己的卫星定位系统，拥有自己的卫星定位系统，中国国防将从根本上彻底摆脱掉受美国GPS卫星定位系统的控制，中国的尖端武器拥有了自己的眼睛，国家的卫星定位系统独立性得到了充分的保障。·学习导言前面我们认识并学习GPS卫星定位系统，同时了解了世界上分别由美国、俄罗斯、欧盟、中国开发的四种卫星定位系统。小朋友们在操作无人机时会发现，GPS模式在室内是无法使用的，其实，GPS信号容易受到电磁、地形、水文、气象等复杂条件的干扰，那么，当GPS信号收到干扰时，我们怎么办？·惯性导航17世纪，I.牛顿研究了高速旋转刚体的力学问题。牛顿力学定律是惯性导航的理论基础。1852年，J．傅科称这种刚体为陀螺，后来制成供姿态测量用的陀螺仪。1906年，H．安休兹制成了陀螺方向仪，其自转轴能指向固定的方向。1907年他又在方向仪上增加摆性，制成了陀螺罗盘。以上这些成果均成为了惯性导航系统的先导。1923年，M．舒拉发表“舒拉摆”理论，为工程上实现惯性导航提供了理论依据。1954年，惯性导航系统在飞机上试飞成功。1958年，“舡鱼”号潜艇依靠惯性导航穿过北极在冰下航行21天。1956年，中国开始研制惯