无人机导航技术和算法

近年来，无人机在农业、事故调查、军事、建筑、采矿、测绘和测绘测量等多个领域的应用需求急剧增长。无人机导航方案的可靠性对无人机应用的安全性起着至关重要的作用。因此小型化、轻量化和低成本的无人机导航定位技术已经成为了研究的热点问题。

 图1  实验硬件装置

GNSS（全球导航卫星系统）作为室外应用较为广泛的全球定位系统，已经发展出了多种厘米级精度的定位方式，如RTK（载波相位动态差分定位）和PPP（精密单点定位）等。但是由于全球导航卫星系统的局限性，可能无法作为未来无人机上导航系统决定性部分，主要原因是：（1）信号在城市深峡谷中高度衰减，使其几乎不能用于数据包传送、交通管制和事故调查等若干无人机应用场景；（2）信号极易受到有意干扰（干扰）和伪造信号的影响（欺骗），这会对军用和民用无人机的应用造成严重破坏。

在学界和业界使用融合的方法以求在满足无人机小型化、轻量化和低成本的要求上达到更加鲁棒和精准的导航定位结果。根据前人的文献总结，主要有如下三种基于无人机的导航定位技术方法：

图2  运行模式 

（1）RTK与MEMS松耦合方法。有研究人员使用低成本的UBlox GNSS接收机对单频RTK进行了计量应用评估，结果表明其位置精度可达厘米级。还有人获得了改进的位置和姿态确定结果。这些研究在一定程度上可以满足高精度地球参考的要求，并通过传感器集成减轻GNSS挑战环境下的弱信号问题。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围，即自其基地接收站的基线长度。这对单频RTK而言尤其具有挑战性，因为当基线长度达到15km或更长时，很难解决载波相位模糊的问题。因此，在松耦合、长基线情况下，当RTK的精度受限时，定位算法很难给无人机一个鲁棒且精确的定位结果。

（2）PPP与MEMS的松耦合方法。科研人员PPP测试了SUAVS，以获得厘米级定位精度。然而，他们的研究只在任务完成后和使用高端双频GNSS接收机时进行，并不能满足无人机小型化和轻量化的需求。《一种适用于小型无人机的实时低成本PPP和MEMS-INS松耦合地理参考系统的开发与测试》这篇文章中，工作人员设计了4 旋翼无人机，并搭载UBlox M8P单频GNSS接收机接收GNSS数据，使用Pixhawk内部的经济型MEMS IMU（Invensensense MPU9250）的流数据，而单频PPP（SFPPP）的校正数据使用3DR无线电传输，构建了PPP与MEMS的松耦合无人机导航定位系统。在周跳探测与修复的设计中，由于使用单频低成本接收机，常用的MW和GF的探测方法无法使用，科研人员使用了基于多普勒相位预测的单频PPP应答周期滑动检测方法，实验结果表明定位精度可达分米级。

图3   RALT（雷达高度计）辅助作用距离

（3）雷达辅助GNSS定位方法。RALT（雷达高度计）辅助GNSS的方法主要旨在提高GPS的精度、完好性和连续性，以达到飞机着陆的严格导航要求。这种在垂直方向上的高精度范围能够改善整个3D位置解决方案。前人利用三个子系统的组合，以产生一个高度精确的位置，用于导航目的。第一个子系统是选定的全球导航卫星系统（GNSS），可以是双频GPS，也可以是与基于卫星的增强系统（SBAS）（即WAAS）结合使用的GPS；第二个子系统即RALT单元，是一个商用单元，它提供飞机离地高度（AGL）的测量值，用于位置计算；最后一个子系统是地形数据库，用于确定飞机在给定高度AGL的情况下高于平均海平面（MSL）的高度。三个子系统中的每一个子系统在整个系统精度中都起着重要作用。为确保系统始终满足性能要求，必须了解各种位置性能的敏感性。 

1.Meidong Kuang, Ling Wang, Jian Xie, Yuexian Wang, Northwestern Polytechnical University, China. The Simplified Localization Method of Near-field Interference Source Based on the Cyclostationarity. ION GNSS+ 2019.

充满激情的新时代，

充满挑战的新疆域，

与踔厉奋发的引领者，

卓尔不群的企业家，

一起开拓，

一起体验，

一起感悟，

共同打造更真品质，

共同实现更高价值，

共同见证商业航天更大的跨越！

——《卫星与网络》，观察，记录，传播，引领。