无人机导航技术及其特点解析

limao164 2023-07-07 发布于四川

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无人机导航是指借助计算机中心控制站实现一系列的飞行任务，为了保证无人机的可控性和可靠性，必须要确保无人机导航精度，这样才能够沿着预设航线飞行，实现相关任务。无人机导航不仅要确定起始点、目标位置，同时还要掌握无人机飞行中的实时位置、飞行速度、航向等信息。我国无人机技术已经发展了几十年，特别是在信息技术支持下，进一步推动了无人机技术的发展进程，其导航技术也随之更新。

无人机导航技术及其特点

1.单一导航技术

惯性导航技术。以牛顿力学为基础，无人机内部安装加速度计量载体，实现X、Y、Z轴向运动加速度，通过系统计算得出载体位置、瞬时速度、姿态。惯性装置主要包括速度计、陀螺仪[1]。该项技术对外界信息依赖性低，可以实现自主导航，具备较好的隐蔽性。但是定位误差较大，并且误差会逐渐累积。

GPS导航。GPS导航可以对目标进行卫星定位，从而实现导航功能。该导航技术可以实现全天候、连续、全球性精密导航，配合无线信息技术可以保证信息传递实时性。但抗电磁干扰能力弱，容易受到飞行器的影响。

地形辅助导航。该项技术是指无人机飞行中利用系统存储的路线特征数据，配合无人机飞行测量数据不断修正参数的一项技术。在实际应用中不会出现累积误差、隐蔽性较好、抗干扰能力强。但系统计算量较大，难以实现实时信息传输，受到地形影响较大，地形起伏越大适应性越强，因此海面、平原使用性能不佳，同时还会受到天气因素影响，如多云、大雾天等。

多普勒导航。作为一种自助式导航，其中涵盖了陀螺仪表、多普勒雷达、导航计算，主要借助了多普勒效应。具有反应快、抗干扰能力强、精度高、适应性强等优势。但使用中必须要发射电波，隐蔽性不足，导航精度受飞行姿态影响较大[2]。

地磁导航。将地磁作为矢量场，在近地空间某个点量与其余电量均有差异，并且与经纬度有对应关系，因此地磁的独特性决定了地磁矢量的定位功能。该项技术无须发射电波，隐蔽性强，不受外界因素干扰，适应性强，定位精度高。但是需要大量存储数据实现地磁匹配，实时性不佳。

2.组合导航

由于单一导航各有优劣势，为了实现优势互补，组合导航已经成为主流形式。

惯性—GPS导航。惯性系统可以借助传感器校准信息，实现空中对准，保持无人机飞行稳定。惯性系统还可以提高GPS跟踪定位精度，提高接收机抗干扰性、动态性，实现GPS完整性检测，减少同步误差。该组合导航系统是很多无人机采用的主流形式，如美国全球鹰等均采用了该导航。

惯性—多普勒导航。该方案解决多普勒导航受地形因素影响较大的弊端，同时弥补了惯性导航累积误差问题，提高了无人机的隐蔽性。

惯性—地磁导航。惯性导航累积误差劣势可以被地磁匹配技术弥补，惯性导航的短期高精度特点可以减少地磁匹配受干扰问题，从而让导航系统更具隐蔽性、自主性、适用性，这也是当今无人机导航领域的研究热点话题。

惯性—地形匹配导航。地形匹配具有高精度特点，可以弥补惯性导航累积误差问题，提升导航定位精度。由于地形匹配系统具有高精度、自主性等优势，与多图像传感系统连接，可以实时捕获陆地信息。再加上当今无线通信技术不断发展，大量信息传递延迟也大大降低。

GPS—航迹推算导航。在GPS失效基础上，可以借助大气数据和计算出空速、北航向、风速风向，最终得出地速和航迹角。在GPS信号较好的情况下，航迹推算数据可以为GPS定位信息校正，提高了导航系统的精度，保证无人机飞行安全和勘测质量，减少对测控站、雷达的依赖性。

无人机导航技术的发展趋势

数据融合，提高导航性能

卡尔曼滤波器作为导航系统的重要部件，作为一种数据传递接口，可以实现数据处理。当今我国已经提出了数据融合技术方案，如借助自适应滤波技术时，接收观测数据信息，对模型参数、噪声、状态增益矩阵实时分析和修正，确保滤波精度，得出采集数据的最优值。此外，人工智能技术的不断发展，包括神经网络、小波变换等，可以进一步加强组合导航信息融合能力，借助大数据实时分析无人机飞行状态以及偏移值，智能化系统可以自动调节无人机飞行状态，甚至可以实现无人值守飞行。

新型惯性导航系统

通过组合导航类型可知，大部分组合导航都要使用惯性导航技术，行业也对惯性导航的优化和发展十分重视，如今已经研发出了激光惯性导航、光纤惯性导航等。随着信息技术以及集成技术不断发展，硅微脱落的硅加速度计应用更加普遍，可以让无人机导航体积变小、重量变低、能耗减少，让无人机飞行更加灵活。未来高精度工艺、集成工艺的发展与突破，更高精度的惯性导航会随之出现，也会提升组合导航的性能。

综上所述，无人机导航技术作为无人机的重要设施，导航性能决定了无人机性能以及任务完成度，这就需要全面加强无人机导航技术的研究，开发出性能更强的单一导航以及组合导航，积极利用信息技术、智能技术，减少人为因素的干扰，在保证无人机导航精度同时，实现无人机智能化飞行。