CN102620736A - 一种无人机的导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机的导航方法。该方法是在无人机上增设具有航线数据推算功能的航线检测模块；该模块能够根据机载设备的飞行姿态、航速和高度参数推算出不依赖卫星导航的实时导航数据；飞行中机上现有的卫星导航装置与惯性导航设备结合生成组合导航数据，航线检测模块不断的比较实时导航数据与组合导航数据，并根据比较数据判断卫星导航的可信度，卫星导航正常时，无人机优先使用组合导航数据进行飞行，并暂时将实时导航数据挂起；当卫星导航不正常时，无人机自动启用实时导航数据进行飞行。本发明可确保无人机在失去卫星导航的情况下仍能按预定航线完成飞行任务，并防止无人机飞越禁飞空域或在禁落地域降落，以克服现有技术的不足。

Description

一种无人机的导航方法

技术领域

本发明涉及一种无人机的导航方法，属于无人机的航线控制技术领域。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控遥测设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上安装有导航飞行控制系统、程序控制装置以及动力和电源等设备。地面遥控遥测站人员通过数据链等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和进行实时数据传输。与载人飞机相比,它具有适应多种飞行环境要求的特点，特别是可以承担人力所不及的长航时飞行或高风险飞行，飞行航线和姿态控制精度高，可广泛用于航空遥感、气象研究、农业飞播和病虫害防治中；在战争中更具有特殊的优势，可广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰和武器打击等。

目前，无人机的飞行导航普遍使用机载卫星导航装置与机载惯性导航设备结合生成组合导航数据，具有导航精度高，适合长时间飞行等优点，但上述导航方法对卫星导航的依赖性较大。当卫星导航信息出现发生异变或战时出现人为干扰或人为造成卫星导航欺骗信息时，无人机控制系统由于失去卫星导航信息，只能通过机载惯性导航设备进行纯惯性导航模式，或切入天文导航信息与惯性导航设备的组合导航模式。天文导航通常要求在没有浓云的7000米以上飞行使用，地形匹配通常要求在低空近地能见度好的条件下飞行使用，多普勒导航适用条件较宽，但这些导航设备较重，耗电，导航精度较差，致使无人机在失去卫星导航或接受错误的卫星导航信息而严重偏离预定航线。另外，为保障地面建筑和人员安全及其它安全需要，应限制无人机不能飞临某些空域（禁飞空域）或在无人机降落或迫降过程中力求控制无人机不在某些地点（禁落地域）意外着陆或坠落。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种不依赖卫星导航的无人机的导航方法。以确保无人机在失去卫星导航的情况下仍能按预定航线完成飞行任务，并防止无人机飞越禁飞空域或在禁落地域降落。以克服现有技术的不足。

本发明的技术方案： 

一种无人机的导航方法，该方法是在无人机上增设具有航线数据推算功能的航线检测模块；航线检测模块可以嵌入无人机现有计算机资源中使用，也可以设计为独立的硬件模块并与现有机载设备系统集成使用；该模块能够根据机载设备中储存的预定航线推算出不依赖卫星导航的实时导航数据；无人机飞行中，机上现有的卫星导航装置与机上现有的惯性导航设备结合生成组合导航数据，航线检测模块不断的比较实时导航数据与组合导航数据；并根据比较数据判断卫星导航的可信度，卫星导航正常时，无人机优先使用组合导航数据进行飞行，并暂时将实时导航数据挂起；当卫星导航不正常时，无人机自动启用实时导航数据进行飞行。

前述方法中，所述航线数据推算功能是根据现有机载设备中储存的预定航线和飞机实时的飞行姿态、航速和高度推算出不依赖卫星导航的实时导航数据。

前述方法中，所述航线检测模块能解算出预定航线可能经过的禁飞空域；将实时导航数据中的坐标与机载设备中储存的禁飞空域的空间位置坐标进行比较，并自动对实时导航数据进行修正，绕开禁飞空域，绕过禁飞空域后重新按预定航线飞行。

前述方法中，所述航线检测模块能解算出预定航线可能经过空域下方附近地面的禁落地域；当无人机降落或发生故障迫降时，无人机持续的将实时导航数据中的坐标与机载设备中储存的禁落地域的地理坐标进行比较；并不断对实时导航数据进行修正，估算着陆点控制无人机下滑航向，以避开禁落地域，以保障地面建筑或人员安全。

前述方法中，所述航线检测模块同时具备航线数据推算、绕开禁飞空域和避开禁落地域的功能；或具备航线数据推算、绕开禁飞空域和避开禁落地域三种功能中的任意一种或任意两种功能。

与现有技术相比，本发明通过在无人机上增设具有航线数据推算功能的航线检测模块，以解决现有无人机在失去卫星导航时只能通过机载惯性导航设备进行纯惯性导航模式，或切入天文导航信息与惯性导航设备的组合导航模式。天文导航通常要求在没有浓云的7000米以上飞行使用，地形匹配通常要求在低空近地能见度好的条件下飞行使用，多普勒导航适用条件较宽，但这些导航设备较重，耗电，导航精度较差，致使无人机在失去卫星导航或接受错误的卫星导航信息而严重偏离预定航线。本发明的航线推算方法比较简便易行，不占用无人机更多资源。另外，航线检测模块还具有绕开禁飞空域和避开禁落地域的功能；可限制无人机不能飞临某些空域或在无人机降落或迫降过程中控制无人机不在某些地点意外着陆或坠落。

具体实施方式

一种无人机的导航方法，该方法是在无人机上增设具有航线数据推算功能的航线检测模块；航线检测模块可以嵌入无人机现有计算机资源中使用，也可以设计为独立的硬件模块并与现有机载设备系统集成使用；该模块能够根据机载设备中飞行姿态、航速和高度参数推算出不依赖卫星导航的实时导航数据；无人机飞行中，机上现有的卫星导航装置与机上现有的惯性导航设备结合生成组合导航数据，航线检测模块不断的比较实时导航数据与组合导航数据；并根据比较数据判断卫星导航的可信度，卫星导航正常时，无人机优先使用组合导航数据进行飞行，并暂时将实时导航数据挂起；当卫星导航不正常时，无人机自动启用实时导航数据进行飞行。所述航线数据推算功能是根据现有机载设备的飞机实时的飞行姿态、航速和高度推算出不依赖卫星导航的实时导航数据。所述航线检测模块能解算出预定航线可能经过的禁飞空域；将实时导航数据中的坐标与机载设备中储存的禁飞空域的空间位置坐标进行比较，并自动对实时导航数据进行修正，绕开禁飞空域，绕过禁飞空域后重新按预定航线飞行。所述航线检测模块能解算出预定航线可能经过空域下方附近地面的禁落地域；当无人机降落或发生故障迫降时，无人机持续的将实时导航数据中的坐标与机载设备中储存的禁落地域的地理坐标进行比较；并不断对实时导航数据进行修正，估算着陆点控制无人机下滑航向，以避开禁落地域，以保障地面建筑或人员安全。所述航线检测模块同时具备航线数据推算、绕开禁飞空域和避开禁落地域的功能；或具备航线数据推算、绕开禁飞空域和避开禁落地域的功能中的一种或任意两种功能。

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。

实施例1。在无人机上增设具有航线数据推算功能的航线检测模块；该模块能够根据机载设备中储存的预定航线推算出不依赖卫星导航的实时导航数据；无人机在正常飞行时，仍使用现有的组合导航数据，所述组合导航数据由机上现有的卫星导航装置与机上现有的惯性导航设备结合生成。在飞行过程中，航线检测模块不间断的将依赖卫星导航信息的组合导航数据与不依赖卫星导航信息的实时导航数据进行比较，当比较数据的差值（判据值）小于1公里时，则认为卫星导航正常，继续使用现有的组合导航数据。当卫星导航长时间出现故障时，依赖卫星导航信息的组合导航数据在失去卫星导航信息的情况下会产生漂移。航线检测模块生成的比较数据的差值大于1公里，则认为卫星导航信息出现故障或卫星导航信息可能被干扰或出现虚假导航信息，无人机暂时将组合导航数据挂起；无人机自动启用实时导航数据进行飞行。同时航线检测模块仍不间断的将依赖卫星导航信息的组合导航数据与不依赖卫星导航信息的实时导航数据进行比较，当比较数据的差值回归至1公里以内，并持续10分钟后，可认为卫星导航信息恢复正常，无人机重新使用现有的组合导航数据。

实施例2。在无人机上增设具有绕开禁飞空域功能的航线检测模块；该模块能够解算出预定航线可能经过的禁飞空域；将实时导航数据中的坐标与机载设备中储存的禁飞空域的空间位置坐标进行比较，并自动对实时导航数据进行修正，绕开禁飞空域，绕过禁飞空域后重新按预定航线飞行。如某无人机在距离地面控制站200公里的山区进行2500米低空飞行时，出现了卫星导航信息中断故障。无人机按照预先设置的程序，在故障发生点附近小半径盘旋等待卫星导航信息的恢复。数分钟后，无人机仍然没有接收到卫星导航信息，转为自动返航。返航线路为故障地点到地面控制站所在的机场之间连线，返航控制逻辑是，先爬升到3500米，避开山区最高山峰3000米，平飞到机场上空附近下降着陆。距返航起点3公里处一座高山3000米拦在航线中，无人机需要在距离山峰1公里前爬升到3500米，而无人机速度160km/h，爬升率10m/s，在这段距离内不能完成爬升高度。于是，无人机上的航线检测模块的绕开禁飞空域功能自动检测到机载地图数据中存在该山峰，可从其等高线以半径3.5公里绕行该禁飞空域，根据算法，爬升阶段的绕行采用爬升绕行航线，于是，无人机绕过山峰后达到3500米高度，并且重新切入回到预定的返航航线上。接下来，前方将经过一座县城，根据无人机上的航线检测模块的绕开禁飞空域功能，航线检测模块给出等高度绕行航线，于是，无人机再次绕行县城外廓半径5公里，并重新切入回到预定的直线航线上，继续返航。此时距离机场120公里，离开了山区，地面控制站视距链路与无人机建立了通信。

实施例3。在无人机上增设具有避开禁落地域功能的航线检测模块；该模块能够解算出预定航线可能经过空域下方附近地面的禁落地域；当无人机降落或发生故障迫降时，无人机持续的将实时导航数据中的坐标与机载设备中储存的禁落地域的地理坐标进行比较；并不断对实时导航数据进行修正，估算着陆点控制无人机下滑航向，以避开禁落地域，以保障地面建筑或人员安全。如一架中型无人机发生故障，从2000米高度以160km/h速度按15度角下滑。航线检测模块检测到非任务航线的持续下滑情况，自动解算下滑落地点。该无人机推算降落点是利用气压高度信息作为直角三角形的高边，将地面当作平面，再用无人机下滑航向与高边的夹角解算斜距和下落点，结合无人机测量的方位角，估算可能的落地点。利用机载地图数据查到，估算的落地点是城镇区域，于是，根据该城镇区域海拔高度高于无人机气压高度平面25米，对气压高度给出的高边减小25米，重新修正落地点，仍然处在城镇内。于是，自动给出控制指令，无人机副翼偏舵，机体侧滑偏离原下滑航线，再次检测落点偏离判别值2公里，大于安全距离。无人机回舵继续下滑落地。统计该无人机累积下滑航程和距离超过7000米，下滑时间约160秒。

本发明的补充说明

本发明所述的航线检测模块可以嵌入无人机现有计算机资源中使用，也可以设计为独立的硬件模块使用。所述航线检测模块同时具备航线数据推算、绕开禁飞空域和避开禁落地域的功能；或具备航线数据推算、绕开禁飞空域和避开禁落地域的功能中的任意一种或任意两种功能。下面分别对以上三种功能进行补充说明：

（一）航线检测模块的航线推算功能及其使用

所述航线检测模块的航线推算功能是一种航线数据推算功能，利用无人机上的导航设备，包括航姿设备、航速设备和高度设备实时更新的信息参数，供航线检测模块实时推算航线数据。再用无人机现有的导航与飞行控制系统对预定航线进行比较和修正实时航线的功能，无人机可按照航线推算方法正确飞行。本发明的重点是将航线推算数据作为一种参照，将卫星导航与惯性导航组合数据与之进行比较，检测组合数据是否存在显著偏离预置航线的不正常情况。用判据值来表达偏离程度，组合数据大于判别值就表明无人机发生了显著偏离。

上述的航姿设备包括无人机上已有的惯性导航设备（简称惯导），是主要导航设备，其提供的三轴线速率，加速率和角速率等参数可以解算航线的航向，速度，偏航和位置等数据。在使用上，利用惯导与卫星导航信息组合解算出的组合导航数据，可以改进纯卫星导航信息的短时间跳变或失锁等异变状况，此外，无人机上也应用垂直陀螺作为飞行姿态传感器，可以给出俯仰，横滚和偏航等数据。

前述的航速设备，在无人机上主要是大气数据计算机设备提供的空速数据，该设备也提供气压高度数据等。此外，无人机上的卫星导航信息中也提供地速数据。在平时卫星导航信息正常的飞行中，可以记录积累不同高度上空速与地速差值与发动机推力的关系数据。

前述的高度设备，在无人机上能够提供飞行高度的设备包括导航卫星信息、大气数据计算机、惯导的高度变化值，此外，无人机上也使用无线电高度计或激光测高计用于低空飞行测高。

所述的航线检测模块根据无人机现有机载设备获得位置，高度和速度等实时数据，用航线检测模块内预置的航线推算算法，可以解算飞行航线数据。航线推算算法的精度可以支持无人机仅仅使用航线推算飞到预定地点附近，再由地面无线电引导着陆，或由地面的雷达或光学导引设备引导着陆。

为提高算法精度，在卫星导航信息正常时，可用来对航线推算作进行修正以提高其精度。判断卫星导航信息是否完好，在无人机的导航系统中有一套设备级的判别方法，一般情况是用这套方法确定是否使用卫星导航信息与惯导组合的导航数据飞行。本发明提供的无人机的导航方法指出，为避免卫星导航信息出现系统性出错或干扰，应该对导航系统输出的导航数据再进行系统级的安全检测，推荐的检测依据是用航线推算作比较。航线推算方法可以不依赖卫星导航数据，可以在无人机飞行全过程实时产生，在导航传感器设备方面，可以在导航主系统的惯导设备与备份的或应急的导航设备之间由用户选择具体设备来承担航线推算，取决于对设备的精度，可靠性等考虑。

将卫星导航信息与机载惯性导航设备组合的导航数据与航线推算数据进行比较，检测两者的符合性，当检测差值符合设定的判别值，无人机将优先使用航线推算数据与预定航线比较进行飞行导航，暂时将卫星导航信息与机载惯性导航设备组合的导航数据挂起，继续工作并继续检测，当检测差值偏离设定的判别值后，无人机重新使用卫星导航信息与机载惯性导航设备组合的导航数据进行飞行导航。这里的判别值是预置的，该判别值可以是距离值，检测差值对判别值的符合性检查，包含偏离或符合的情况，如果符合，则认为卫星导航信息存在问题。

对于没有使用卫星导航与惯导组合导航的无人机机载导航系统，该方法仍可使用，只要将判别值适当放大一些，避免导航数据变动范围较大引起频繁的状态切换。

（二）航线检测模块的绕开禁飞空域功能及其使用

所述航线检测模块的绕开禁飞空域功能是记录或解算一组设定的禁飞空域的空间坐标，简称禁飞空域，本发明所称的禁飞空域包含两类空域，一类是以民航航线为“轴线”的绕该轴一定规定距离为半径的空域，比如，以民航航线横向20公里间距为半径，一类是自地面延伸到空中一定范围的空域，比如以主要城镇外廓外接圆延伸向上将城镇上空柱形的空域包含在内。民航航线和其他特殊禁飞空域由政府部门或有关企业发布，在此基础上整理简化为便于使用的禁飞空域数据库。该禁飞空域可能处在无人机飞行航线经过的航线上，可能发生在预定航线时没有识别或遗漏，误将航线穿过禁飞空域的情况，另一种情况是无人机自动生成的航线难以在飞行前准确预计，比如应急返航航线的起点随确定，终点是起飞机场或就近的备降机场，其间的航线是自动生成的。由于禁飞空域的空间坐标大多数是固定的，少数是临时发布的，因此，禁飞空域数据库是在预置飞行航线前已知的，可以将禁飞空域空间坐标数据预存在无人机上，供航线检测模块作安全检测使用。

禁飞空域空间坐标的数学表达可以多种。实际使用时一种简单做法是，将一处禁飞空域表达为自地面向空中垂直延伸的柱面，该柱面或是一定半径的圆柱面，或是多边形柱面等。将简化的数学表示作为预置的禁飞空域空间坐标，供安全检测使用。数学表达简单则绕行航线算法也简单。

飞行中，将实时飞行航线上当前坐标与禁飞空域空间坐标比较，检测两者的符合性，当检测差值符合设定的判别值时，则无人机的导航与飞行控制系统可以控制无人机按照航线检测模块的绕行航线算法给出的绕行航线，切入绕行航线飞行，绕过禁飞空域边界，到达原飞行航线穿过禁飞空域的另一端再行切入原定飞行航线继续任务飞行。其中，符合性设置的判别值，可以是对应无人机盘旋性能的安全间隔距离，绕行航线通常设置为等高度航线，绕行结束重新切入原航线的位置坐标也会与禁飞空域空间坐标保持安全距离。

预置飞行航线通常是无人机起飞前装订，特殊情况是无人机自动生成，比如应急返航航线。无人机在绕行禁飞空域飞行时，原航线的解算输出暂时挂起，当无人机绕过了禁飞空域重新切入预定航线后，无人机可以继续按照原航线导航数据进行飞行。

（三）航线检测模块的避开禁落地域功能及其使用

所述航线检测模块的避开禁落地域功能是记录或解算一组设定的禁止无人机着陆的地面区域的地理坐标，简称禁落地域。禁落地域通常是已知的，是地图上标明的城市或其他建筑占据的区域，其平面坐标范围已知如在有关的数字地图上可以获得，它的一种数学表达方式可以是只选择城镇区域或重点建筑区域做出表达。而对线状区域，点状区域可不作表达，好处是加快无人机设备的解算速度，保证重点区域安全。具体的平面区域轮廓可能是复杂的，使用时可以简化为简单的多边形边缘区域，特别是简化为多边形的外接圆数学表达。对禁落地域高级别的数据库应该再叠加一层地理高度信息和特征矢量信息，特别是该特征矢量信息，当安全检测到该区域坐标值时，自动给出到达该区域最近并与相邻禁落地域间隔较大的边界的向量，帮助无人机尽快识别出脱离该区域的最近途径。

飞行中发生故障的无人机被动降低高度到达安全极限时，或发生无人机不利姿态持续一段时间时，如果无人机还处在能够自动控制飞行状态下，将实时估算的着陆点与禁落地域的地理坐标进行比较，航线检测模块检测两者的符合性，当检测差值符合设定的判别值，无人机将自动控制下滑航向离开禁落地域的坐标点，目的是避免禁落地域的坐标成为预计的着陆点。无人机持续使用航线检测模块检测禁落地域的地理坐标，避免将其成为降落点，不断绕开禁落地域，力求保证地面城市人员安全。由于具体的无人机推算降落点可能是利用气压高度信息和三角形关系，将地面当作平面，估算可能的落地点。这样解算会有误差，引入禁落地域地理高度信息后可以做出一定程度的优化解算。

如果无人机上安装有前视摄像机系统，还可以通过景象匹配识别地面应该避开的景物，如建筑物。或者，识别可降落区域的景象，如田地及其大片田地轮廓规整的一片当中的几何中点，无人机可以锁定该地面景物，转入目标锁定飞行状态直至到达地面落地。这样的自动识别，有助于减少飞行准备工作量，提高对地面物体的保护能力。但是，这种方法依赖天气能见度，解算数据量更大，而允许的时间短促。另外，如果处于这种状态时的无人机还能够有正常的遥测遥控信息，地面控制站人员或许可以辅助控制合理的落地点，同样，处于不利姿态下落的无人机其通信能力也会受到干扰，不能保证地面控制站连续接收其信息，尤其是超视距飞行的情况。

以上共同的技术细节是，机载计算机的使用关系解算速度。一种办法是，充分利用无人机上现有的计算机资源，分工解算。比如导航计算机，飞行控制计算机，任务管理计算机等计算资源。根本办法是设计实现平行计算，用多处理器加快速度，实现实时解算和安全检测。过渡办法是，优先作航线推算及检测，对航路资料不详或飞行模式中采用自动航线规划的飞行，则开通禁飞空域绕行解算及安全检测。而禁落地域解算则设定无人机严重偏离预定航线且不利姿态情况下优先自动开通，地面可以手动暂时关闭。

航线检测模块对无人机机载导航分系统的输出结果进行符合性检查，其中，用传统简易成熟的航线推算导航手段进行检查，有助于符合预置的飞行航线。同时，绕行禁飞空域和禁落地域，增加了无人机飞行航线符合安全要求，争取意外坠落时能够利用可控能力避免地面的人员财产损失。因此，安全检测可以提高使用无人机的安全性，增加无人机的使用价值。

现阶段由于受到无人机装载能力，供电能力，价值等限制，不是所有的无人机都具有增加航线检测模块条件，但是，随着微机电技术发展，机载设备及其系统成本降低，无人机的安全性会更有保障。

Claims (5)

1. 一种无人机的导航方法，其特征在于，该方法是在无人机上增设具有航线数据推算功能的航线检测模块；航线检测模块可以嵌入无人机现有计算机资源中使用，也可以设计为独立的硬件模块并与现有机载设备系统集成使用；该模块能够根据机载设备提供的飞行姿态、航速和高度参数推算出不依赖卫星导航的实时导航数据；无人机飞行中，机上现有的卫星导航装置与机上现有的惯性导航设备结合生成组合导航数据，航线检测模块不断的比较实时导航数据与组合导航数据；并根据比较数据判断卫星导航的可信度，卫星导航正常时，无人机优先使用组合导航数据进行飞行，并暂时将实时导航数据挂起；当卫星导航不正常时，无人机自动启用实时导航数据进行飞行。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述航线数据推算功能是根据现有机载设备的飞机实时的飞行姿态、航速和高度推算出不依赖卫星导航的实时导航数据。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：所述航线检测模块能解算出预定航线可能经过的禁飞空域；将实时导航数据中的坐标与机载设备中储存的禁飞空域的空间位置坐标进行比较，并自动对实时导航数据进行修正，绕开禁飞空域，绕过禁飞空域后重新按预定航线飞行。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述航线检测模块能解算出预定航线可能经过空域下方附近地面的禁落地域；当无人机降落或发生故障迫降时，无人机持续的将实时导航数据中的坐标与机载设备中储存的禁落地域的地理坐标进行比较；并不断对实时导航数据进行修正估算着陆点，控制无人机下滑航向避开禁落地域，以保障地面建筑或人员安全。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述航线检测模块同时具备航线数据推算、绕开禁飞空域和避开禁落地域的功能；或具备航线数据推算、绕开禁飞空域和避开禁落地域三种功能中的任意一种或任意两种功能。