近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)、事故調(diào)查、軍事、建筑、采礦、測(cè)繪和測(cè)繪測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求急劇增長(zhǎng)。無(wú)人機(jī)導(dǎo)航方案的可靠性對(duì)無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)問(wèn)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(guó)的軍事項(xiàng)目，美國(guó)的這種系統(tǒng)叫GPS，我們中國(guó)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(jìn)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(zhǔn)打擊，可以讓導(dǎo)彈到全球各地去搗蛋。其實(shí)，GPS除了可以定位，還可以授時(shí)，也就是告訴你準(zhǔn)確的時(shí)間，準(zhǔn)確的定位與時(shí)間有密不可分的聯(lián)系。

比如我們這里有一個(gè)帶有GPS的無(wú)人機(jī)，假設(shè)我們不知道這個(gè)無(wú)人機(jī)的空間坐標(biāo)XYZ，也不知道它的時(shí)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(zhǔn)確的空間坐標(biāo)X1 Y1 Z1，同時(shí)也有一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間T1，因?yàn)樾l(wèi)星有原子鐘。衛(wèi)星會(huì)把這些信息發(fā)送給GPS接收機(jī)。坐標(biāo)和時(shí)間其實(shí)是有一定的聯(lián)系的，通過(guò)坐標(biāo)和時(shí)間我們都可以算出GPS接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離。也就是下圖藍(lán)線的長(zhǎng)度，通過(guò)坐標(biāo)計(jì)算距離就是用勾股定理，無(wú)人機(jī)到衛(wèi)星距離的平方=Y-Y1的平方加上這條綠線的長(zhǎng)度的平方，綠線長(zhǎng)度的平方又等于X-X1的平方加上Z-Z1的平方，所以無(wú)人機(jī)到衛(wèi)星的距離等于右面的式子開(kāi)平方。我們?cè)儆脮r(shí)間來(lái)求出無(wú)人機(jī)到衛(wèi)星的距離，就是信號(hào)傳輸?shù)乃俣瘸艘孕盘?hào)傳輸?shù)臅r(shí)間，也就是光速3?108再乘以T-T1。我們通過(guò)這兩種方式算出的距離，實(shí)際上它們是相等的，所以我們會(huì)得到這個(gè)方程。

那這個(gè)方程里，有4個(gè)未知數(shù)XYZ和T，通過(guò)這一個(gè)方程我們是不能解出這4個(gè)未知數(shù)的。所以我們需要4個(gè)這樣的方程才可以解出XYZ和T。所以我們?cè)俳邮?個(gè)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，我們就可以和到另外3個(gè)方程，最終我們就可以解出XYZ和T。

所以，GPS接收機(jī)至少要通過(guò)4顆衛(wèi)星，才能確定自己的空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)。衛(wèi)星定位最不好解決的問(wèn)題就是誤差，因?yàn)樾盘?hào)在傳輸?shù)臅r(shí)候，因?yàn)榇髿獾纫蛩氐挠绊?，速度哪怕慢一丁點(diǎn)，影響都比較大，因?yàn)楣馑偬貏e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(xiàng)技術(shù)，它可以大大提高GPS的定位精度。它是在無(wú)人機(jī)相對(duì)較近的已知坐標(biāo)點(diǎn)上布放一個(gè)GPS基準(zhǔn)站，它也可以接收到為無(wú)人機(jī)提供位置信息的4顆衛(wèi)星的信號(hào)，根據(jù)這些信號(hào)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(shí)時(shí)測(cè)得的載波相位，通過(guò)數(shù)傳鏈路或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)根據(jù)接收到的信息進(jìn)行修正。還可以為無(wú)人機(jī)在專業(yè)的精準(zhǔn)定位服務(wù)商購(gòu)買(mǎi)定位服務(wù)，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)接收誤差更正信息來(lái)更修正位置。

圖1? 實(shí)驗(yàn)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(jí)精度的定位方式，如RTK（載波相位動(dòng)態(tài)差分定位）和PPP（精密單點(diǎn)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(wú)法作為未來(lái)無(wú)人機(jī)上導(dǎo)航系統(tǒng)決定性部分，主要原因是：

（1）信號(hào)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(wú)人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景；

（2）信號(hào)極易受到有意干擾（干擾）和偽造信號(hào)的影響（欺騙），這會(huì)對(duì)軍用和民用無(wú)人機(jī)的應(yīng)用造成嚴(yán)重破壞。

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

圖2??運(yùn)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(jī)對(duì)單頻RTK進(jìn)行了計(jì)量應(yīng)用評(píng)估，結(jié)果表明其位置精度可達(dá)厘米級(jí)。還有人獲得了改進(jìn)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(guò)傳感器集成減輕GNSS挑戰(zhàn)環(huán)境下的弱信號(hào)問(wèn)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(zhǎng)度。這對(duì)單頻RTK而言尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楫?dāng)基線長(zhǎng)度達(dá)到15km或更長(zhǎng)時(shí)，很難解決載波相位模糊的問(wèn)題。因此，在松耦合、長(zhǎng)基線情況下，當(dāng)RTK的精度受限時(shí)，定位算法很難給無(wú)人機(jī)一個(gè)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(cè)試了SUAVS，以獲得厘米級(jí)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(jī)時(shí)進(jìn)行，并不能滿足無(wú)人機(jī)小型化和輕量化的需求。《一種適用于小型無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)低成本PPP和MEMS-INS松耦合地理參考系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與測(cè)試》這篇文章中，工作人員設(shè)計(jì)了4旋翼無(wú)人機(jī)，并搭載UBlox M8P單頻GNSS接收機(jī)接收GNSS數(shù)據(jù)，使用Pixhawk內(nèi)部的經(jīng)濟(jì)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(wú)線電傳輸，構(gòu)建了PPP與MEMS的松耦合無(wú)人機(jī)導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在周跳探測(cè)與修復(fù)的設(shè)計(jì)中，由于使用單頻低成本接收機(jī)，常用的MW和GF的探測(cè)方法無(wú)法使用，科研人員使用了基于多普勒相位預(yù)測(cè)的單頻PPP應(yīng)答周期滑動(dòng)檢測(cè)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明定位精度可達(dá)分米級(jí)。

圖3? ?RALT（雷達(dá)高度計(jì)）輔助作用距離

（3）雷達(dá)輔助GNSS定位方法。RALT（雷達(dá)高度計(jì)）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(dá)到飛機(jī)著陸的嚴(yán)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(gè)3D位置解決方案。前人利用三個(gè)子系統(tǒng)的組合，以產(chǎn)生一個(gè)高度精確的位置，用于導(dǎo)航目的。第一個(gè)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(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）（即WAAS）結(jié)合使用的GPS；第二個(gè)子系統(tǒng)即RALT單元，是一個(gè)商用單元，它提供飛機(jī)離地高度（AGL）的測(cè)量值，用于位置計(jì)算；最后一個(gè)子系統(tǒng)是地形數(shù)據(jù)庫(kù)，用于確定飛機(jī)在給定高度AGL的情況下高于平均海平面（MSL）的高度。三個(gè)子系統(tǒng)中的每一個(gè)子系統(tǒng)在整個(gè)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(cè)向RTK無(wú)人車(chē)測(cè)試——替換磁羅盤(pán)和VFH避障算法： ? 針對(duì)磁羅盤(pán)的這個(gè)器件的不穩(wěn)定，容易受到硬磁和軟磁干擾，阿木實(shí)驗(yàn)室在Rover這個(gè)無(wú)人車(chē)固件上用諾瓦泰617D雙天線測(cè)向板卡，輸出的航向信息，替換了原有的磁羅盤(pán)的航向信息。這樣一來(lái)不需要對(duì)磁羅盤(pán)進(jìn)行繁瑣的校準(zhǔn)，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(shí)，在無(wú)人機(jī)上也可以替換，無(wú)人機(jī)在高空，航向信息更好些。 ? ? ? 這套無(wú)人車(chē)系統(tǒng)包含：1、千尋的RTK厘米級(jí)定位；2、室外激光雷達(dá)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(cè)向替換磁羅盤(pán)測(cè)向；4、基于EKF的姿態(tài)和位置估計(jì)；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(gè)無(wú)人車(chē)底盤(pán)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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