高空长航时无人机导航系统研究.pdf

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高空长航时无人机导航系统研究周姜滨，袁建平，罗建军，岳晓奎1高空长航时无人机导航系统方案短时间导航精度高、导航信息完备、数据刷新率高、摘要：以高空长航时无人机为研究背景，从我国国情出发，对捷联惯性导航系统(SINS)、全球定位系统(GPS)、“北斗”卫星导航系统(BDSNS)和大气数据系统(ADS)在高空长航时无人机导航系统中应用的可行性进行了分析，在此基础上提出基于自适应联邦滤波的SINS／GPS／BDSNS／ADS组合导航系统方案，建立了组合导航系统的状态方程和量测方程，给出了自适应联邦滤波算法，并设计开发了组合导航仿真系统。通过对GPS被关闭或限制使用等典型情况的计算机仿真，表明该系统具有较高的导航精度和良好的可靠性。关键词：高空长航时元人机，“北斗”卫星导航系统，组合导航，自适应联邦滤波中国分类号：V249．32+9文献标识码：A文章编号：1000一2758(2008)04一0463一05高空长航时无人机(HAI。EUAV)是一种飞行高度在10m以上，续航时间至少12h，能昼夜持续空中侦察监视的无人驾驶飞机。高空长航时无人机具有长时间持续侦察监视并截获和收集目标区域的完整情报、观察地面目标分辨率高、成本低、安全性好、灵活性强等特点。高空长航时无人机特殊的任务使命和运行环境要求其导航系统必须能够长时间地保持较高的精度并且在可能出现的电子对抗等恶劣环境中保持较高的可靠性。本文从我国国情出发。对捷联惯性导航系统(SINS)、全球定位系统(GPS)、“北斗”卫星导航系统(BDSNS)和大气数据系统(ADS)在高空长航时无人机导航系统中应用的可行性进行了探讨，在此基础上提出了基于自适应联邦滤波的SINS／GPS／BDSNS／ADS组合导航系统方案，建立了组合导航系统的状态方程和量测方程，给出了自适应联邦滤波算法，并设计开发了组合导航仿真系统。捷联惯性导航系统是一种完全自主的导航系统，具有隐蔽性好、不受气象条件和电子环境限制、实时性好等优点，在航空、航天、航海和许多民用领域得到了广泛应用，已成为目前各类载体首选的一种导航设备。其主要缺点是导航误差随时间积累、高精度惯性传感器价格昂贵等。组合导航是目前解决系统导航误差随时问积累、降低成本的一种行之有效的主要手段。鉴于捷联惯性导航系统和全球定位系统具有很好的优缺点互补特性，SINS／GPS组合导航技术已经成为近年来导航领域的研究热点。但是，GPS受美国控制，可能在非常时期被关闭或限制使用，同时GPS的导航精度和可靠性与载体的动力学特性及信号的通视性有关，抗干扰性能差，这给sINs／GPS组合导航系统的可靠使用带来了巨大的安全隐患。因此，GPS只能作为组合导航系统的辅助设备之一，用于提高系统的导航精度，另外还需要其它导航设备以保证系统的可靠性。“北斗”卫星导航系统(BDSNS)是我国自行研制的区域性卫星导航系统，具有完全的自主知识产权，作为一种全天候、高精度的卫星导航系统，其导航精度与GPS相当。跟GPS一样，捷联惯性导航系统和“北斗”卫星导航系统同样具有很好的优缺点互补特性。因此，将捷联惯性导航系统和“北斗”卫星导2008年8月第26卷第4期西北工业大学学报(西北工业大学航天学院，陕西西安收稿日期：2007—06—18作者简介t周姜滨(1982一)，西jv．-r业大学博士生．主要从事组合导航，飞行器动力学与控制的研究．JournalUniversity710072)000ofNorthwesternPolytechnicalAug．2008V01．26No．4
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-，。==I。I×’i。I×3。l。lx‘IlXSINS=FsmsXSINS+‰锄岳、锄肌溉为三维速度误差，烈、魄觎为三维位2组合导航模型慨Ⅳ、貌切为三维速度的一阶马尔可夫误差。]dD6Ⅳ貌切r统噪声，溉a为气压高度的一阶马尔可夫误差，概E、『l(RN+^)cos妒1如E勃Ⅳ如￡，献却孤岛勺屯X栅=F删XADS+W幡x^瞻=[艿％d饥E式中，x^伪为大气数据系统的状态向量，凡璐为大砌粥一珊嘏；航系统进行组合不仅能够提高系统的导航精度，而且还能为系统可靠运行提供保障。大气数据系统(ADS)利用安装在载体外侧的压力传感器、总温传感器和攻角传感器测量载体周围流场的动压、静压、总温和攻角，并将这些信息送到计算机中进行解算，得到载体的气压高度和速度等导航信息，是“北斗”卫星导航系统很好的补充。大气数据系统属于自主导航系统，可靠性高，不受高度、地形等因素的影响，是一种较为理想的辅助导航设备。综上所述，为了满足高空长航时无人机对导航系统提出的精度和可靠性等性能指标要求，需要设计一个SINS／GPS／BDSNS／ADS组合导航系统。目前，在组合导航系统中常用的信息融合算法有集中滤波、分散滤波和联邦滤波等。在综合考虑了高