近年來，無人機在農(nóng)業(yè)、事故調(diào)查、軍事、建筑、采礦、測繪和測繪測量等多個領(lǐng)域的應(yīng)用需求急劇增長。無人機導(dǎo)航方案的可靠性對無人機應(yīng)用的安全性起著至關(guān)重要的作用。因此，小型化、輕量化和低成本的無人機導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)成為了研究的熱點問題。

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GPS全名叫Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)，最早起源于美國的軍事項目，美國的這種系統(tǒng)叫GPS，我們中國也有全球定位系統(tǒng)，叫北斗；俄羅斯也有，叫格洛納斯；歐盟也有，叫伽利略。這4套全球定位系統(tǒng)的定位原理基本都是一樣的。有了這套系統(tǒng)，我們就可以用它進行導(dǎo)航，引導(dǎo)我們到某地。在軍事上可就厲害了，可用于精準打擊，可以讓導(dǎo)彈到全球各地去搗蛋。其實，GPS除了可以定位，還可以授時，也就是告訴你準確的時間，準確的定位與時間有密不可分的聯(lián)系。

比如我們這里有一個帶有GPS的無人機，假設(shè)我們不知道這個無人機的空間坐標(biāo)XYZ，也不知道它的時間坐標(biāo)T。但是我們可以從衛(wèi)星這里接收一些信息，也就是衛(wèi)星的星歷，星歷里面有衛(wèi)星自己準確的空間坐標(biāo)X1 Y1 Z1，同時也有一個準確的時間T1，因為衛(wèi)星有原子鐘。衛(wèi)星會把這些信息發(fā)送給GPS接收機。坐標(biāo)和時間其實是有一定的聯(lián)系的，通過坐標(biāo)和時間我們都可以算出GPS接收機與衛(wèi)星之間的距離。也就是下圖藍線的長度，通過坐標(biāo)計算距離就是用勾股定理，無人機到衛(wèi)星距離的平方=Y-Y1的平方加上這條綠線的長度的平方，綠線長度的平方又等于X-X1的平方加上Z-Z1的平方，所以無人機到衛(wèi)星的距離等于右面的式子開平方。我們再用時間來求出無人機到衛(wèi)星的距離，就是信號傳輸?shù)乃俣瘸艘孕盘杺鬏數(shù)臅r間，也就是光速3?108再乘以T-T1。我們通過這兩種方式算出的距離，實際上它們是相等的，所以我們會得到這個方程。

那這個方程里，有4個未知數(shù)XYZ和T，通過這一個方程我們是不能解出這4個未知數(shù)的。所以我們需要4個這樣的方程才可以解出XYZ和T。所以我們再接收3個衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，我們就可以和到另外3個方程，最終我們就可以解出XYZ和T。

所以，GPS接收機至少要通過4顆衛(wèi)星，才能確定自己的空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo)。衛(wèi)星定位最不好解決的問題就是誤差，因為信號在傳輸?shù)臅r候，因為大氣等因素的影響，速度哪怕慢一丁點，影響都比較大，因為光速特別快，所以GPS的誤差一般是在幾米到幾十米，想要減少誤差，我們就要用差分GPS這項技術(shù)，它可以大大提高GPS的定位精度。它是在無人機相對較近的已知坐標(biāo)點上布放一個GPS基準站，它也可以接收到為無人機提供位置信息的4顆衛(wèi)星的信號，根據(jù)這些信號算出坐標(biāo)值，然后與已知的坐標(biāo)比較，得出坐標(biāo)的偏差量，然后將偏差量或者實時測得的載波相位，通過數(shù)傳鏈路或移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給無人機，無人機根據(jù)接收到的信息進行修正。還可以為無人機在專業(yè)的精準定位服務(wù)商購買定位服務(wù)，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)接收誤差更正信息來更修正位置。

圖1? 實驗硬件裝置

GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）作為室外應(yīng)用較為廣泛的全球定位系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)展出了多種厘米級精度的定位方式，如RTK（載波相位動態(tài)差分定位）和PPP（精密單點定位）等。但是由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的局限性，可能無法作為未來無人機上導(dǎo)航系統(tǒng)決定性部分，主要原因是：

（1）信號在城市深峽谷中高度衰減，使其幾乎不能用于數(shù)據(jù)包傳送、交通管制和事故調(diào)查等若干無人機應(yīng)用場景；

（2）信號極易受到有意干擾（干擾）和偽造信號的影響（欺騙），這會對軍用和民用無人機的應(yīng)用造成嚴重破壞。

在學(xué)界和業(yè)界使用融合的方法以求在滿足無人機小型化、輕量化和低成本的要求上達到更加魯棒和精準的導(dǎo)航定位結(jié)果。根據(jù)前人的文獻總結(jié)，主要有如下三種基于無人機的導(dǎo)航定位技術(shù)方法：

圖2??運行模式?

（1）RTK與MEMS松耦合方法。有研究人員使用低成本的UBlox GNSS接收機對單頻RTK進行了計量應(yīng)用評估，結(jié)果表明其位置精度可達厘米級。還有人獲得了改進的位置和姿態(tài)確定結(jié)果。這些研究在一定程度上可以滿足高精度地球參考的要求，并通過傳感器集成減輕GNSS挑戰(zhàn)環(huán)境下的弱信號問題。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圍，即自其基地接收站的基線長度。這對單頻RTK而言尤其具有挑戰(zhàn)性，因為當(dāng)基線長度達到15km或更長時，很難解決載波相位模糊的問題。因此，在松耦合、長基線情況下，當(dāng)RTK的精度受限時，定位算法很難給無人機一個魯棒且精確的定位結(jié)果。

（2）PPP與MEMS的松耦合方法。科研人員PPP測試了SUAVS，以獲得厘米級定位精度。然而，他們的研究只在任務(wù)完成后和使用高端雙頻GNSS接收機時進行，并不能滿足無人機小型化和輕量化的需求。《一種適用于小型無人機的實時低成本PPP和MEMS-INS松耦合地理參考系統(tǒng)的開發(fā)與測試》這篇文章中，工作人員設(shè)計了4旋翼無人機，并搭載UBlox M8P單頻GNSS接收機接收GNSS數(shù)據(jù)，使用Pixhawk內(nèi)部的經(jīng)濟型MEMS IMU（MPU9250）的流數(shù)據(jù)，而單頻PPP（SFPPP）的校正數(shù)據(jù)使用3DR無線電傳輸，構(gòu)建了PPP與MEMS的松耦合無人機導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在周跳探測與修復(fù)的設(shè)計中，由于使用單頻低成本接收機，常用的MW和GF的探測方法無法使用，科研人員使用了基于多普勒相位預(yù)測的單頻PPP應(yīng)答周期滑動檢測方法，實驗結(jié)果表明定位精度可達分米級。

圖3? ?RALT（雷達高度計）輔助作用距離

（3）雷達輔助GNSS定位方法。RALT（雷達高度計）輔助GNSS的方法主要旨在提高GPS的精度、完好性和連續(xù)性，以達到飛機著陸的嚴格導(dǎo)航要求。這種在垂直方向上的高精度范圍能夠改善整個3D位置解決方案。前人利用三個子系統(tǒng)的組合，以產(chǎn)生一個高度精確的位置，用于導(dǎo)航目的。第一個子系統(tǒng)是選定的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），可以是雙頻GPS，也可以是與基于衛(wèi)星的增強系統(tǒng)（SBAS）（即WAAS）結(jié)合使用的GPS；第二個子系統(tǒng)即RALT單元，是一個商用單元，它提供飛機離地高度（AGL）的測量值，用于位置計算；最后一個子系統(tǒng)是地形數(shù)據(jù)庫，用于確定飛機在給定高度AGL的情況下高于平均海平面（MSL）的高度。三個子系統(tǒng)中的每一個子系統(tǒng)在整個系統(tǒng)精度中都起著重要作用。為確保系統(tǒng)始終滿足性能要求，必須了解各種位置性能的敏感性。?

下面是雙天線測向RTK無人車測試——替換磁羅盤和VFH避障算法： ? 針對磁羅盤的這個器件的不穩(wěn)定，容易受到硬磁和軟磁干擾，阿木實驗室在Rover這個無人車固件上用諾瓦泰617D雙天線測向板卡，輸出的航向信息，替換了原有的磁羅盤的航向信息。這樣一來不需要對磁羅盤進行繁瑣的校準，其二完全避免了硬磁和軟磁干擾。在一定程度上提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其實，在無人機上也可以替換，無人機在高空，航向信息更好些。 ? ? ? 這套無人車系統(tǒng)包含：1、千尋的RTK厘米級定位；2、室外激光雷達避障(基于VFH避障策略VFH的全稱是Vector Field Histogram，即向量區(qū)間柱圖法)；3、雙天線測向替換磁羅盤測向；4、基于EKF的姿態(tài)和位置估計；5、有完整的ROS接口和MAVLINK接口。只需要傳輸期望的速度或者期望的位置，這個無人車底盤就可以執(zhí)行避障等比較復(fù)雜的指令。 ?

編輯：黃飛

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