李文鵬

（中國人民解放軍92419部隊，興城 125106）

全球定位系統(tǒng)在無人機自主回收上的應(yīng)用

李文鵬

（中國人民解放軍92419部隊，興城 125106）

著陸是無人機回收的重要環(huán)節(jié)，也是關(guān)鍵技術(shù)。本文簡要介紹無人機的發(fā)展背景及發(fā)展趨勢，并以無人機為研究對象，根據(jù)不同類型的GPS誤差，研究差分模式、原理；建立坐標系，推導(dǎo)不同坐標系的轉(zhuǎn)換公式，建立自主回收模型。研究表明，本文結(jié)論對無人機自主回收技術(shù)的研究具有一定的參考價值。

全球定位系統(tǒng) 無人機 自主回收

引言

無人機（UAV）指的是無人駕駛的未安裝戰(zhàn)斗部的飛行器。無人機最早出現(xiàn)于20世紀20年代，之后廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域。無人機最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域當做靶標使用，如美國的“石雞”靶機。直至美蘇等發(fā)達國家研制了偵察用的無人機，如美國的“RQ-8A火力偵察兵”無人機，尤其在海灣戰(zhàn)爭中無人機的成功應(yīng)用，使人們意識到無人機的重要性[1-2]。無人戰(zhàn)斗機（UCAV）的投入使用，將人們對戰(zhàn)爭的認識產(chǎn)生了顛覆性改變[3]。無人機的廣泛使用，最大的優(yōu)點是減少人員的傷亡，同時也降低了設(shè)計要求，在未來的戰(zhàn)場上必將成為關(guān)鍵武器之一[1]。

無人機的飛行離不開導(dǎo)航系統(tǒng)，如今多數(shù)無人機仍然使用的是全球定位系統(tǒng)，簡稱GPS（Global Position System）。無人機具有手持發(fā)射、零長發(fā)射、滑跑起飛、母機發(fā)射、垂直起飛等起飛方式，具有傘降回收、空中回收、滑跑著陸、繩網(wǎng)攔截回收、氣墊著陸等回收方式。雖然多數(shù)時候，起飛和回收并不屬于無人機的任務(wù)過程，但這兩個環(huán)節(jié)往往是事故高發(fā)環(huán)節(jié)。因此，提高回收性能，可以降低墜機的概率。

1 差分模式

本文研究對象是滑跑著陸方式的無人機。全球定位系統(tǒng)可以為無人機提供位置和速度信息，其價格實惠，易于安裝，應(yīng)用較為廣泛。但是，由于全球定位系統(tǒng)誤差較大，往往達到百米以上，使自主回收的精度無法保證。如果對其算法進行修正完善，提供準確的方位角、攻角、距離等信息，將實現(xiàn)其精度較大程度的提高。具體表現(xiàn)為，有一個地理位置明確的點，假設(shè)這一點坐標為(X0,Y0,Z0)，由它測量衛(wèi)星，得到它的位置坐標為(X,Y,Z)，得到觀察值的修正數(shù)據(jù)，再傳送給無人機測控系統(tǒng)。無人機根據(jù)修正量，經(jīng)過差分計算，得到準確的定位信息。

衛(wèi)星和接收機存在一定的誤差，電路延遲、噪音等都是影響因素。在鎖定位置時，會出現(xiàn)一些錯誤信號，這些失真信息會帶來誤差。全球定位系統(tǒng)會鎖定所有來自衛(wèi)星的信號載波。如果信號保持穩(wěn)定連續(xù)，使載波平滑穩(wěn)定，將會在一定程度上減小誤差。由于在信號傳遞過程中，存在時間上的延遲，同樣也會對無人機的位置、速度等信息帶來誤差。如果采用偽隨機碼根據(jù)延遲的多少來計算真實位置，則能顯著提高精度。噪音引起的誤差及處理方式如表1所示。

表1 噪音引起的誤差及處理方式

2 坐標系轉(zhuǎn)換

在滑跑著陸方式中，無人機的位移可以看成縱向和橫向兩項。研究飛行器，就要重點研究其質(zhì)量、質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動慣量等[4]。為簡化飛行狀態(tài)，假設(shè)無人機質(zhì)量和重力加速度一定，且無人機為剛體，質(zhì)量和結(jié)構(gòu)都沿中軸面XOZ面對稱。地面坐標系是慣性坐標，不考慮地面的彎曲和由于無人機自身工作帶來的影響。地球是個橢球形，設(shè)當?shù)刈鴺讼禐閛xyz，把它平移l=(lx,ly,lz)到地面上，新的坐標為(x1,y1,z1)，它所在的坐標系為o1x1y1z1。將o1x1y1z1沿o1y1旋轉(zhuǎn)θ角，得到新坐標系o2x2y2z2，所以參考點坐標為(x2,y2,z2)。將o2x2y2z2沿o2x2平移地心距t，得到新坐標系o3x3y3z3，所以參考點坐標為(x3,y3,z3)。

將o3x3y3z3沿o3y3旋轉(zhuǎn)α角，得到新坐標系o4x4y4z4，所以參考點坐標為(x4,y4,z4)：

將o4x4y4z4沿o4z4旋轉(zhuǎn)γ角，得到參考點坐標為(x5,y5,z5)：

理想基站的位置是確定的，它和用戶同時接收微波。它們收到的數(shù)據(jù)存在誤差，將這些數(shù)據(jù)排除噪音帶來的影響后跟精確值對比，得到修正值，進而可以計算出相對準確的無人機位置。

3 自主回收模型

無人機上的GPS接收機收到GPS信號后，飛控計算出其運動信息，并通過測控系統(tǒng)發(fā)送至地面站。地面站將無人機發(fā)送的GPS信息與修正值融合，綜合位置差分、偽距差分以及載波差分，計算出無人機的精確位置。工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

4 結(jié)論

本文簡要介紹無人機的發(fā)展背景及發(fā)展趨勢，并以無人機為研究對象，根據(jù)不同類型的GPS誤差，分析對應(yīng)的差分模式，建立和推導(dǎo)不同坐標系的轉(zhuǎn)換公式。最后，建立自主回收模型，將無人機測控系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到當?shù)刈鴺讼迪?，將轉(zhuǎn)換后的無人機位置設(shè)定為無人機自主回收的反饋值，姿態(tài)控制設(shè)定為反饋回路。研究表明，本文結(jié)論對無人機自主回收技術(shù)的研究具有一定的參考價值。

[1]（英）威廉·普勒.透視中國國產(chǎn)軍用無人機研究現(xiàn)狀[J].世界安全，2004，（6）：1-3.

[2]魏瑞軒，李學(xué)仁.無人機系統(tǒng)及作戰(zhàn)使用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[3]周樹春.基于GPS的無人機自動著陸控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[4]陳俊章.飛機設(shè)計手冊（第八冊）重量平衡與控制[M].北京：航空工業(yè)出版社，1999.

Application of GPS in the Autonomous Recovery of UAV

LI Wenpeng
(Unit 92419 of PLA, XingCheng 125106)

Landing is an important part of the UAV recovery, and it is also the key technology. This paper briefly introduces the development background and development trend of UAV and UAV as the research object, according to the different types of GPS error, on the differential mode and principle; a coordinate system, the conversion formula is derived in different coordinate system, the establishment of an independent recovery model, this research conclusion of UAV autonomous recovery the technology has a certain reference value.

GPS, UAV, autonomous recovery