GPS失效下的无人机组合导航系统_柳明

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抗电磁干扰的无人机GPSINS组合导航方法

抗电磁干扰的无人机GPS/INS 组合导航方法唐泽亮，吴永明（广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）来稿日期：2018-10-04作者简介：唐泽亮，（1991-），男，江西赣州人，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式控制，无人机应用；吴永明，（1966-），男，广东广州人，博士研究生，教授，主要研究方向：嵌入式控制，节能环保产品开发1引言无人机已经开始广泛的运用于电力杆塔巡检，在巡检过程中，无人机会与杆塔保持一定的安全距离，这主要是考虑到操作安全和电磁干扰的问题，因为无人机通常使用GPS 进行导航，GPS 的导航原理是接收四颗卫星发送的位置信息，当GPS 接收机附近有相同频率的电磁波时，可能会产生同频干扰[1]，导致GPS导航精度下降甚至实效，这对于无人机巡检来说是很危险的。

正常情况下，在安全距离内进行巡检不会产生电磁干扰，但是当电力设备发生故障时，如电晕放电[2]和电火花，它会产生很强电磁信号，即使无人机在安全范围内也会受到干扰。

在无人机的导航技术中，GPS/INS 导航技术取得了重大的进展，对这种导航方式的研究主要集中在对于卡尔曼滤波的改进。

文献[3]提出了一种Sage-Husa 随机加权无迹卡尔曼滤波算法，该算法使用Sage 滤波原理得到新息的协方差矩阵，然后对自适应因子进行随机加权，实现对新息的调节，提高了组合导航的精度；文献[4]提出了一种模糊自适应卡尔曼算法，该算法利用模糊原理去检测系统新息的变化，根据变化实时调整量测噪声R 和系统噪声Q ，极大的提高了了组合导航的抗干扰能力。

文献[5]在自适应摘要：无人机应用于电力巡线时，高压电力故障导致的异常放电可能会产生复杂而且强大的电磁场，会严重影响GPS的信号质量和定位精度，影响无人机的正常导航，因此必需考虑电磁环境对GPS 信号和无人机导航性能的影响。

提出一种根据GPS 数据可信度进行加权的自适应卡尔曼滤波导航算法，通过GPS 和内部导航系统（INS ）的数据偏差幅度反映GPS 数据可信度，利用模糊逻辑算法计算加权值，分配GPS 在组合导航中的权重，研发出一种结合GPS 和INS 的模糊组合导航方法。

基于INSGPS磁力计的全组合导航

低器件对导航精度的影响，需对传感器数据进行预处理’
1. 1 磁力计数据处理在某一地区，地磁强度可视为恒定的向量。因此，在只
有地磁场的作用下，磁力计测量值的水平分量为圆形。但实际环境中存在各种磁干扰"，水平分量形成的圆被拉成
圆心偏移的椭圆。环境干扰具体可表示为
(/、
=30 +
(1)
"、丿
收稿日期：2018-01-23 *基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(61433011);国家自然科学基金青年科学基金资助项目(61603316)
(School of Electrical Engineering,Southwest Jiao Tong University,Chengdu 610031,China)
Abstract： Aiming at problem of drift produced by merely using inertial navigation in attitude determination and
本文首先对传感器数据进行预处理，其次.利用加速度、磁力计
修正陀螺姿态信息；给出定位系统方程和量测方程，利用
GPS修正陀螺位置、速度信息。最后在移动平台上搭建组合导航系统，进行实验验证。
1数据预处理磁力计和陀螺仪传感器作为组合导航中的关键器
件",不可避免地存在各种误差，为提高器件的可靠性、降
34
传感器与微系统
第38卷
式中K,0 ,4>,为与软磁有关的误差,6,,6,分别为和硬磁材料有关的误差。
传统的拟合多采用最小二乘法求解椭圆参数估计值。该方法至少需要在椭圆上均匀分布的5个点，同时随机误差将严重影响到估计值的计算。一种解决方法是尽可能多地釆集椭圆上的数据点，但数据点的增加将导致计算量的增大，并要求更多的存储空间，不利于整个导航系统的实现。因此需要一种在线校正方法，本文采用递推最小二乘法实现罗差补偿，最小二乘法的递推公式如下为⑼

GPS_天线自激干扰导致车载导航失效的分析与处理

设计研发RESEARCH AND DEVELOPMENTGPS 天线自激干扰导致车载导航失效的分析与处理（东风柳州汽车有限公司，柳州 545005）（扬州航盛科技有限公司，扬州 225009）孙青、丁永摘要：本文通过对全球定位系统、车载导航系统的介绍，对GPS 在车载导航系统的应用中出现信号失效故障进行分析与处理，讲解了本例车载导航定位失效的原因以及GPS 搜星失效故障分析的过程。

同时，文章分析了LNA 型有源集成天线产生自激振荡的原因，给出了消除自激振荡采用的措施，包括调整天线前置放大器电路中的电阻精度,以及对电路增益不匹配采用微调增益性能指标等。

关键词：导航技术；车载导航；天线增益；天线自激振荡；有源集成天线中图分类号： U463.67 文献标识码：A0 引言我国国民经济产业结构中，汽车产业一直是战略性、支柱性的产业，在推动工业发展，加快现代化建设进程方面，发挥着不可替代的重要作用。

而全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的出现和不断成熟，也给汽车产业的发展带来了极大的便利。

GPS 的作用是为了利用GPS 技术配合电子地图来进行行车定位、导航，能让驾驶员随时随地知晓本车的确切位置，方便准确地知道去往目的地最短或者最快的路线。

本文以实例介绍了GPS 在车载导航系统应用中出现GPS 信号失效故障的分析过程，对车载导航的实际应用及GPS 天线及主机的系统有极大的设计及分析参考意义。

1 全球定位系统全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是一种利用导航卫星进行实时定位的系统[1]。

而GPS 则能够依靠卫星来对于时间和距离进行测量，从而在全球范围内完成定位，它具有非常强的保密性和抗干扰性。

1.1 车载GPS 导航仪系统的组成GPS 导航系统的组成包括GPS 天线和汽车导航系统。

其中，汽车导航系统包含GPS 信号接收模组、处理器、显示屏、音频处理及扬声器、按键和触摸屏、存储芯片以及地图导航软件等多个部分。

无人机结构与系统课件：组合导航系统

➢ 多卫星系统可提高相位模糊度搜
利用多种导航卫星信号有利于误差补偿提高导航定位的精度和可靠性。
► 系统误差——轨道系统误差、卫星钟差、多路径误差…；
► 随机误差——信号随机误差、轨道随机误差、钟差随机误差…;
► 有色噪声——太阳光压、随时间变化的钟差…; ► 异常误差——周跳、变轨误差…。
➢ 此外，因为没有GLONASS卫星的精确轨道源数据，故无法测定精度。与GPS相比这是GLONASS的个一主要缺陷。
3）GALILEO存在的主要问题
➢ “伽利略计划”是由欧盟委员会和欧洲空间局共同发起并组织实施的欧洲民用卫星导航计划，它受多个国家政策和利益的制约，政策具有摇摆性。
➢ 由于欧盟受美国的影响极大，“伽利略计划”本身的独立性值得怀疑；
的容错功能。 ➢ 提高导航系统的抗干扰能力，提高完好性。
（4）多传感器组合导航系统
多传感器组合导航系统是指传感器数目多于两个的组合导航系统，GPS／INS／Loran-C、GPS／Glonass／INS、 GPS／JTIDS／INS等都是实用的例子。在不少应用场合传感器数目可能大于等于4个，例如GPS／INS／ DNS/Loran-C和GPS／INS/JTIDS/TAN／SAR等。优点： • 实时性好、容错性强和精度高。 • 未来发展趋势。
组合导航系统
全球卫星导航定位系统（GPS、 GLONASS、GALILEO、BD）
惯性导航（包括惯性导航INS、航位推
现
算导航DR）
有
导航
天文导航系统（CNS）
系
统
重磁导航（重力导航、磁力导航）
匹配导航（地形匹配导航、影像匹配导航）
1.卫星导航存在的问题
1）美国GPS可能存在问题

小型无人机SINSGPS组合导航系统研究

合导航系统的联邦滤波算法，并对该导航系统进行了静态和动态实验。实验结果表明：采用联邦 Kalman 滤波能够有效的消除导航参数误差，提高导航精度。该导航系统可以满足小型无人机的导航要求。关键词惯性导航联邦 kalman 滤波数据融合 A 组合导航中图法分类号 V249. 32 ；文献标志码
^
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科
学
技
术与工ຫໍສະໝຸດ n程13 卷
方差阵 P i 送入主滤波器按一定的融合规则进行全局的状态估计 X g 和对应的协方差矩阵 P g 。系统状态方程的信息包括状态估计协方差的
－1 －1 信息 P i 和过程噪声方差的信息 Q i 。状态方程信 ^ ^
βi ∑ i =1 1. 3. 2
^
+ β m = 1 （ 0 !β i !1 ）。
来表示
［2 —4 ］
。其中公共系统的信息
［5 ］
在子系统中的分配按照信息守恒原理
进行。
基于联邦滤波器的多传感器信息融合多传感器信息融合技术是利用不同信号源在
X i （ k + 1 / k + 1 ） = X i （ k + 1 / k） + K i （ k + 1 ） × （ Zi （ k + 1 ）－ Hi （ k + 1 ） X i （ k + 1 / k））； Pi （ k + 1 ） = （ I － Ki （ k + 1 ） Hi （ k + 1 ）） × P i （ k + 1 / k）（ I － K i （ k + 1 ） Hi （ k + 1 ）） 1. 3. 4
2012 年 9 月 6 日收到第一作者简介：梁振东（ 1982 —），男，汉族，河南省郑州市人，硕士，研究方向：计算机信息处理，微系统研究。

一种基于Android平台的GPS导航系统[发明专利]

专利名称：一种基于Android平台的GPS导航系统专利类型：发明专利
发明人：柳明
申请号：CN201510532806.X
申请日：20150826
公开号：CN105066987A
公开日：
20151118
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及导航技术领域，特别涉及一种基于Android平台的GPS导航系统，包括移动设备和百度地图服务器，所述移动设备将GPRS无线传输技术、GPS定位技术和GIS地理信息系统结合在一起实现GPS导航系统，所述移动设备连接有手机GPS模块、GPRS模块、触摸屏和显示器，所述手机GPS模块连接GPS导航卫星，所述移动设备通过GPRS模块无线连接百度地图服务器获取地图服务，所述移动设备设有当前位置定位模块、指定地址查询模块、经纬度查询模块、位置信心服务模块、路线导航模块、指定地址跟踪模块和系统设置模块，本发明结合手机客户端人性化的UI设计，为所有Android手机用户提供方便。

申请人：滨州学院,柳明
地址：256600 山东省滨州市滨城区黄河五路391号
国籍：CN
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一种基于GPS和INS组合制导的远程救援机器人系统[发明专利]

专利名称：一种基于GPS和INS组合制导的远程救援机器人系统
专利类型：发明专利
发明人：吕明,武国芳,葛宏义,张元
申请号：CN202010603813.5
申请日：20200629
公开号：CN111722257A
公开日：
20200929
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：基于GPS和INS组合制导的远程救援机器人系统，包括如下步骤：（1）通过卡尔曼滤波算法进行GPS定位的数据以及陀螺仪、三轴加速度计的数据融合，实现精准定位；（2）根据融合后的定位数据对机器人的运动进行控制；（3）实现人体红外探测和无线电信号发射。

本发明所述的方法公开了一种粮基于GPS和INS组合制导的远程救援机器人系统，在丢星无信号的情况下仍能精准提供定向导航服务，并且实时进行人体红外探测，保证了搜救车的救援效率。

申请人：河南工业大学
地址：450001 河南省郑州市高新技术产业开发区莲花街100号河南工业大学科技处
国籍：CN
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一种无人机导航装置失效下的雷达返航系统[发明专利]

专利名称：一种无人机导航装置失效下的雷达返航系统专利类型：发明专利
发明人：陈大龙,肖炳甲,夏森,黄耀
申请号：CN201810276662.X
申请日：20180330
公开号：CN108681333A
公开日：
20181019
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种无人机导航装置失效下的雷达返航系统，涉及无人机技术领域，包括无人机飞行模块、地面处理中心和搜寻无人机；包括设置于飞行无人机机体内的导航模块、悬停飞行模块、短信发射模块、雷达模块和跟踪飞行模块；所述地面处理中心包括地图显示界面、短信接收模块和无线传输模块一，所述搜寻无人机包括雷达搜寻模块、无线传输模块二和返航控制模块。

采用本发明的无人机导航装置失效下的雷达返航系统，在飞行无人机导航装置失效时，控制无人机在失效地点悬停飞行并自主发送求救信号，防止无人机自主飞行脱离地面站处理中心的控制，避免无人机被盗走，飞行无人机根据搜寻无人机的雷达信号的引导下原路返回，避免了操作人员的财产损失。

申请人：安徽尼古拉电子科技有限公司
地址：241000 安徽省芜湖市高新技术产业开发区中山南路717号服务外包产业园4号楼13层1305室
国籍：CN
代理机构：北京风雅颂专利代理有限公司
代理人：杨红梅
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基于 SINS／GPS 组合导航的无人机安控策略仿真验证

基于 SINS／GPS 组合导航的无人机安控策略仿真验证
蒋志华;陈曦
【期刊名称】《宇航计测技术》
【年(卷),期】2014(000)004
【摘要】针对无人机在海上与陆上飞行环境的差异，建立了基于SINS/GPS的组合导航系统数学模型。

通过故障模拟，对导航系统在GPS接收机失效工作状态下的性能进行了仿真，并由仿真结果验证了相应安控策略的可行性，无人机可飞至陆上进行伞降回收，具有工程参考价值。

【总页数】4页(P37-40)
【作者】蒋志华;陈曦
【作者单位】中国人民解放军92419 部队，辽宁125106;中国人民解放军92419 部队，辽宁125106
【正文语种】中文
【中图分类】U666.1
【相关文献】
1.基于Simulink的SINS/GPS组合导航系统仿真 [J], 王海东;华克强
2.SINS／GPS 松组合与紧组合导航系统抗干扰性能比较与验证 [J], 孙兆妍;王新龙
3.基于SINS/GPS组合导航的AUV半实物仿真系统设计 [J], 王彦恺;康凤举;段世梅;谢攀;黄永华
4.基于SINS／GPS的无人机组合导航系统建模与仿真 [J], 王磊;史丰丰;寇凯洋;张
钊
5.基于SINS/GPS/CNS的无人机组合导航算法研究 [J], 胡东斌;刘君强;潘春露因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

组合导航系统在四旋翼无人机上的实现

作者：徐越
作者机构：中国民航大学,天津300300
出版物刊名：科技资讯
页码： 90-91页
年卷期： 2018年第3期
主题词：组合导航系统;四旋翼;无人机
摘要：随着现代化科学技术的不断发展,无人机在我国的发展中也逐渐地被应用起来。

无论是在军事上,还是在农业上,无人机的应用都能够促进行业的发展。

无人机在其应用过程中最重要的就是对其导航系统建设,这样才能通过对其导航系统的控制,保障其安全运行。

因此在这种背景下需要加强对无人机系统设计中的导航系统应用。

鉴于此,本文在实际研究过程中针对组合导航系统在四旋翼无人机上的实现进行了专门的分析,首先在文中进行了组合导航系统传感器误差分析,其次进行了组合导航系统中的矩阵计算,再次进行了组合导航系统在四旋翼无人机中的应用,最后就组合导航系统在四旋翼无人机上的仿真实现展开了分析。

希望在本文的研究帮助下,能够为组合导航系统和四旋翼无人机的应用中提供参考。

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2 声均方根为 0． 01 m / s ；气压高度计分辨率为 0． 1 m，噪声均方根为 1 m。初始平台失准误差分别为 30″、
3
3． 1
组合导航系统模型
状态方程取状态变量 X（如图 2 、图 3 所示，其中系统 1 为本文中提出的基于单目视觉、气压高度计辅助 SINS 的组合导航系统利用 Kalman 滤波算法的结果，系统 2 为基于 SINS 单独导航利用 Kalman 滤波算法的结果，仿真时间为 1 800 s。由于纯惯性导航系统的垂直通道是发散的，因此仿真中没有给出组合后的高度方向的仿真结果。
＆ δh b = －
1 δh + ω b ， τb b
（ 1）
第2 期
柳
明： GPS 失效下的无人机组合导航系统
131
其中， δh b 为气压高度表误差； τ b 为相关时间； ω b 为测量噪声。
仿真中陀螺仪常值误差为 0． 001 rad / s，噪声均方 2 根为 0． 01 rad / s；加速度计常值误差为 0． 001 m / s ，噪
130
济南大学学报（自然科学版）
［3 ］
第 29 卷
要求
。
随着光学摄像技术和图像处理技术的发展，利用视觉信息估计运动参数实现无人机机器视觉导航，在国内外受到越来越广泛地关注。尽管机器视觉导航具有诸多优势，但仅使用视觉导航存在作用范围小、数据更新率低等问题，并且长距离导航时系统的定位误差随距离增加呈非线性［4 － 6 ］。增长由于单一导航技术不同程度地存在各种缺点，因此，现代导航技术经常采用将两种以上导航方式相结合的组合导航方法。无人机上一般都装备有 INS 和高清相机。可利用图像处理技术处理相机实时拍摄的图像获得无人机的运动参数，辅助无人机的 INS 进行导航。这种组合方案可以修正 INS 的导航参数，抑制系统误差发散。视觉－惯性组合导航在无人机自主导航、自主着陆、空中加油和水下机器人等领域得到［7 － 9 ］。了广泛应用采用 GPS 与本文中所研究的电力巡线无人机，捷联惯性导航系统（ SINS ）组合导航，并且装备有一台 CCD 高清相机。由于 INS 高度方向发散，因此在无人机上加装气压高度计。文中主要研究 GPS 失效下系统的导航问题，基于系统的硬件配置，采用单目视觉与 SINS 组合进行导航，并对该组合导航系统进行了仿真研究。
惯性器件包括陀螺仪和加速度计。陀螺漂移包含 3 种分量：随机常值漂移、相关漂移和不相关漂移。相关漂移对本文中研究的短航程无人机来讲可近似为随机常数，且与随机常值漂移相比，这种漂移小 1 ～ 2 个数量级，所以陀螺漂移模型简化为由常值漂移 ε x 、 εy 、 ε z 和白噪声分量 ω x 、 ωy 、 ω z 组成的。与陀螺仪漂移模型类似，加速度计的漂移也包含上述 3 种分量。相关漂移相对较小，同时为了使滤波器的维数降低，加速度计的误差模型简化为由、随机常数漂移 x y 和白噪声分量组成的。 2． 2 气压高度计误差模型影响气压高度表误差的原因有静压与高度间的非线性关系及温度补偿不准确引起的误差、气压测量方法引起的误差等。在组合导航系统中，一般把［10 ］气压高度表误差用一阶 Markov 过程近似描述：
08 ： 50
存在失效的情况，一旦 GPS 失效则会导致无人机失去控制，从而丢失或坠落，造成重大经济损失和地面人员伤害。因此，开展 GPS 失效下的民用无人机自
收稿日期： 2014 － 06 － 17 作者简介：柳
网络出版时间： 2014 － 12 － 17
基金项目：山东省科技发展计划（ 2011GGA16054 ）；山东省高等学校科技计划（ J13LN74 ）明（ 1980 —），副教授，博士。男，山东诸城人，网络出版地址： http： / / www． cnki． net / kcms / detail /37． 1378． N． 20141217． 0850． 009． html
第 29 卷第 2 期 2015 年 3 月
济南大学学报（自然科学版） JOUＲNAL OF UNIVEＲSITY OF JINAN （ Sci．＆ Tech. ）
Vol． 29 No． 2 Mar． 2015
文章编号： 1671 － 3559 （ 2015 ） 02 － 0129 － 04
DOI： 10． 13349 / j． cnki． jdxbn． 2015． 02． 009
民用无人机的研究有了很大的进展，应近几年，用也越来越广泛，可用于气象探测、灾害监测、农药
［1 － 2 ］。目前民用无人机喷洒、地质勘测等诸多领域 GPS 的主要导航方式为 GPS 导航，由于各种原因，
主导航研究，提高无人机自主导航可靠性，扩展其应用领域，具有十分可观的应用前景。 INS ）惯性导航系统（ inertial navigation system，工作时不需要从外界接受信息，也不会向外辐射信息，可完全自主地进行连续导航，因而自其出现以来。， INS 备受关注然而的导航误差会随着时间的增长而不断增加，难以满足长时间高精度导航定位的
GPS 失效下的无人机组合导航系统
柳明
（滨州学院山东省高校航空信息技术重点实验室；飞行学院，山东滨州 256603 ）
摘
要：针对电力巡线无人机 GPS 失效下的导航问题，鉴于单一的惯性导航系统导航精度不高及高度通道发散的缺陷，
利用电力巡线无人机必须配备的 CCD 高清相机构成单目视觉系统，组成基于单目视觉系统、气压高度计辅助的捷联惯性导航系统。系统通过事先设定的定位点信息修正导航系统的导航参数。文中给出了系统总体设计方案，建立了包括元件误差模型在内的组合导航系统模型，并进行组合导航与 SINS 导航对比的数值仿真。仿真结果表明，组合导航系统具有较好的容错性能，其导航精度和可靠性均有提高。关键词：无人机；视觉导航；气压高度计；惯性导航系统中图分类号： P318 文献标志码： A
T ［ y ， z ， δvx ， δvy ， δL， δλ， εx ， εy ， εz ， x ， y］， x ， δh， δhb ，
（ 2） x 为数学平台俯仰误差角； y 为数学平台横其中，滚误差角； z 为数学平台航向误差角； δv x 为东向速度误差； δv y 为北向速度误差； δL 为无人机纬度误差； δλ 为无人机经度误差； δh 为无人机高度误差；其余为陀螺仪和加速度计的常值误差，陀螺仪和加速度计的噪声建模为零均值白噪声。根据 SINS 系统的力学编排方程和姿态误差方程，可以获得组合导航系统的状态方程。系统状态方程由速度误差、位置误差和平台失准角误差方程 11 ］。构成，具体推导过程可参见文献［状态方程为（ t ） = F（ t ） X（ t ） + G （ t ） W（ t ）， X （ 3）
Abstract ： The navigation of power patrol unmanned aerial vehicles （ UAV） under GPS failure is considered． As the navigation accuracy of single inertial navigation system is not high and the height channel is divergent， an integrated navigation system based on monocular vision system composed by a CCD highdefinition camera which must be equipped in power patrol UAV and barometric altimeter aided SINS systems is constructed． Navigation parameters of the navigation system are corrected by predetermined anchor point’ s information． An overall system design scheme is given and a combined nabigation system model， including element error model， is established． A numerical simulation between the integrated navigation and SINS navigation is done． Simulation experiment results show that the proposed UAV integrated navigation system can improve the navigation accuracy due to the introduction of a variety of external reference information． Key words： UAV； vision navigation； barometric altimeter； inertial navigation system
UAV integrated navigation system under GPS failure
LIU Ming （ Key Laboratory of Aviation Information Technology in Universities of Shandong， Flying College， Binzhou University， Binzhou 256603 ， China）