CN104199075A - 一种应用于无人机组合导航系统的导航模式切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于无人机组合导航系统的导航模式切换方法,具体实施步骤包括:一)、将导航模式分成三种;二)、划分子模式;三)、确定子模式优先级;四)、设置初始导航模式及导航模式切换状态;五)、若组合导航系统工作未结束,判断是否到导航模式切换周期,周期到后进入步骤六;六)、判断导航模式切换状态是否为“导航模式自动切换”状态,是则进行步骤七;否则进行步骤八;七)、进行导航模式自动切换;八)、进行导航模式手动切换;九)、输出切换后的导航模式及切换状态;十)、重复步骤五至结束。优点:适用于具有多模式的组合导航装置,切换逻辑明确合理,并引入操纵人员的适当权限,增强系统可靠性、灵活性和实用性。
Description
技术领域
本发明属于无人机导航领域,具体是指一种应用于无人机组合导航系统的导航模式切换方法。
背景技术
导航是将航行载体从起始点引导至目的地的技术或是方法。无人机由于无人驾驶的特殊性,机载导航系统是无人机自主飞行完成多项使命的根本保证。
组合导航系统是指把两种或者两种以上不同的导航设备以适当的方式组合在一起,利用其在性能上的互补特性获得比单独使用任一导航设备时更高的导航性能,以满足新时代高性能航行体和高精度武器系统的自主性、可靠性以及在全球范围内的高精度要求。基于卫星定位和惯性导航的组合导航系统已成为当前重要的导航系统实现方案。该组合导航系统可充分发挥各自优势并取长补短,利用卫星信号的长期稳定性与适中精度来弥补惯性导航部件的误差随时间传播而增大的缺点,利用惯性导航部件的短期高精度来弥补卫星接收机在受干扰时误差增大或遮挡时丢失信号等的缺点。
早期的卫星定位系统主要有美国的GPS(Global Positioning System)系统,俄罗斯的GLONASS(GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)系统。由于GPS、GLONASS系统采用相同的定位坐标系,通常可进行混合定位即GNSS(GLOBALNAVIGATION SATELLITE SYSTEM)定位模式,因此早期的组合导航系统导航模式较少,即INS(Inertial Navigation System)模式、INS/GNSS模式、GNSS模式三种。由于GPS、GLONASS定位系统的掌握权均非我国所属,其定位效果容易受各界因素影响。
我国在上世纪九十年代开始进行卫星导航系统建设论证和建设,由此诞生了具有我国独立自主产权的北斗卫星导航系统。随着该项建设的迅速发展,北斗二代卫星定位系统已逐渐投入正式使用,卫星定位系统的工作模式中可引入BD2(Beidou-2)定位模式。同时,差分技术作为提高卫星系统定位精度的有效手段,对无人机而言,通常被应用于对导航精度要求较高的关键阶段如起降段。目前,差分GPS技术相对较为成熟而被广泛应用。因此,卫星定位系统的工作模式中亦可引入DGPS(Differential Global Positioning System)定位模式。
总之,随着卫星定位技术的发展,具有多导航模式已成为组合导航系统的重要标志。目前最为目前先进的组合导航系统具有INS/DGPS、INS/GNSS、INS/BD2、INS、DGPS、GNSS、BD2等导航模式。因此,在进行组合导航解算时如何有效可靠的进行导航模式的切换是设计导航系统中的重要问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的无法针对具有多导航模式,尤其是具有INS/BD2以及BD2导航模式的组合导航系统中的导航模式进行有效切换的问题,提供一种应用于无人机组合导航系统的导航模式切换方法,可用于具备多种导航模式的无人机组合导航系统。
本发明提供的应用于无人机组合导航系统的导航模式切换方法,具体实施步骤如下:
步骤一:将组合导航系统中的导航模式划分成三种;
依据无人机组合导航系统中采用的卫星源及其不同的状态,将所有的导航模式划分为INS/卫星组合导航模式、INS导航模式和卫星导航模式三种。
步骤二:将导航模式进一步划分子模式;
将INS/卫星组合导航模式划分为INS/DGPS、INS/GNSS和INS/BD2三种子模式,将卫星导航模式划分为DGPS、GNSS和BD2三种子模式;INS导航模式不再划分。
步骤三:确定导航模式中子模式的优先级;
确定INS/卫星组合导航模式的子模式优先级为INS/DGPS模式高于INS/GNSS模式高于INS/BD2模式,确定卫星导航模式的子模式优先级为DGPS模式高于GNSS模式高于BD2模式。
步骤四:设置组合导航系统初始的导航模式以及切换状态;
导航模式默认为INS/卫星组合导航模式,同时导航模式的切换状态默认为“导航模式自动切换”状态。
步骤五:判断组合导航系统工作是否结束,如果是,结束本方法;如果未结束,判断是否到导航模式切换周期,若周期已到,进入步骤六,否则继续重复步骤五;
步骤六:判断导航模式切换状态是否为“导航模式自动切换”状态,如果是,则进行步骤七;如果否,则进行步骤八;
进入切换判断周期后,判断导航模式切换状态若为“导航模式自动切换”状态,则进行步骤七的导航模式自动切换,如果不是“导航模式自动切换”状态,进行步骤八;
步骤七:无人机组合导航系统进行导航模式自动切换;
导航模式自动切换具体为:
第一步、判断卫星信号是否无效;卫星信号包括GNSS信号和BD2信号;
当卫星信号无效时无人机组合导航系统自动切换为INS导航模式后进入第二步,当卫星信号恢复时,自动切换为INS/卫星组合导航模式,按INS/卫星组合导航模式的子模式优先级顺序进行切换;然后进入第二步;
第二步、判断惯性元器件信号是否无效;
当惯性元器件信号无效时自动切换为卫星导航模式;按卫星导航模式的子模式优先级顺序进行切换。
在导航模式切换状态为“导航模式自动切换”状态时,无人机组合导航系统继续判断是否接收到外部“导航模式选择”控制指令,如果没有接收到,进入步骤九;接收到后导航模式切换状态切换为“导航模式手动切换”状态,进入步骤九;
步骤八:无人机组合导航系统进行导航模式手动切换;
导航模式手动切换按外部“导航模式选择”控制指令所带的参数进行导航模式手动切换,参数分别为“INS/GNSS”“INS/BD2”“INS”。具体为:
若收到指令参数为“INS/GNSS”,此时若收到有效的DGPS差分信息,则切换至INS/DGPS子模式,如果DGPS差分信息无效,继续判断GNSS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为INS/GNSS子模式,若GNSS信号无效,切换至INS导航模式;
若收到指令参数为“INS/BD2”,则判断BD2信号是否有效,如果有效,则切换当前导航模式至INS/BD2子模式,若BD2信号无效,切换至INS导航模式;
若收到指令参数为“INS”,则切换当前导航模式至INS导航模式;
导航模式为INS导航模式时,继续判断惯性元器件信号是否有效,如果有效,将导航模式继续切换至INS导航模式;否则切换至卫星导航模式,并继续按子模式优先级顺序进行切换;
在导航模式切换状态为“导航模式手动切换”状态时,无人机组合导航系统继续判断是否接收到外部“取消导航模式选择”控制指令,如果没有接收到,进入步骤九;若接收到则导航模式切换状态切换为“导航模式自动切换”状态,进入步骤九。
步骤九:输出切换后的导航模式以及导航模式切换状态。
步骤十:继续转步骤五执行。
本发明的优点在于:
(1)本发明一种应用于无人机组合导航系统的导航模式切换方法,可适用于具有多模式的组合导航装置,切换逻辑明确合理,实用性强;
(2)本发明一种应用于无人机组合导航系统的导航模式切换方法,引入操纵人员的适当权限,可增强系统可靠性、灵活性。
附图说明
图1是本发明的导航模式切换方法的主流程图;
图2是本发明中无人机组合导航系统进行导航模式自动切换的流程图;
图3是本发明中INS/卫星组合导航模式的子模式优先级顺序切换流程图;
图4是本发明中卫星导航模式的子模式优先级顺序切换流程图;
图5是本发明中无人机组合导航系统进行导航模式手动切换的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
一种应用于无人机组合导航系统的导航模式切换方法,如图1所示,具体步骤如下:
步骤一:将组合导航系统中的导航模式划分成三种;
依据无人机组合导航系统中采用的卫星源及其不同的状态,将所有组合导航系统中的导航模式确定和划分为INS/卫星组合导航模式、INS导航模式和卫星导航模式三种。
目前最为先进的组合导航系统均具有INS/DGPS、INS/GNSS、INS/BD2、INS、DGPS、GNSS、BD2等导航模式。为了便于进行导航模式切换,将INS/DGPS、INS/GNSS、INS/BD2均归类为INS/卫星组合导航模式,将DGPS、GNSS、BD2均归类为卫星导航模式。
其中INS/卫星组合导航模式属于组合导航系统的主模式,具有最高的导航精度和可靠性,INS/卫星组合导航模式优先级最高;INS导航模式为在卫星信息失效时的纯惯性导航模式,具有较高的短时导航精度,但其导航精度随着时间增大而变差,INS导航模式优先级适中;卫星导航模式为惯性元器件失效时采用的导航模式,仅能提供位置、速度信息,无法提供姿态和角速度信息,并且容易受外界因素影响,因此卫星导航模式优先级最低。
步骤二:将导航模式进一步划分子模式;
将INS/卫星组合导航模式分为INS/DGPS、INS/GNSS、INS/BD2三种子模式,将卫星导航分为DGPS、GNSS和BD2三种子模式;INS导航模式不再划分。
步骤三:确定导航模式中子模式的优先级;
将INS/卫星组合导航模式的子模式优先级定为INS/DGPS高于INS/GNSS高于INS/BD2,将卫星导航模式的子模式优先级定为DGPS高于GNSS高于BD2。
由于差分技术可有效消除卫星导航系统中的误差,进而提高导航精度,因此与DGPS相关的导航模式优先级最高。对于飞机导航精度要求较高的阶段为飞行的起降阶段,于是差分卫星地面站一般被安置于飞机跑道周边已知精确位置的专门地点。差分信息由差分卫星地面站中的卫星定位接收机解算,由地面站数传电台向空间发送,由机载数传电台接收并传送至组合导航系统中,此时卫星定位为DGPS模式,若与惯性部件信息进行组合,则导航模式为INS/DGPS模式。由于差分数传电台作用距离有限,而当飞机距离机场较远时系统无法进行差分,则卫星定位模式为GNSS模式,若与惯性部件信息进行组合,则导航模式为INS/GNSS模式。目前BD2技术处于成熟过渡时期,差分定位技术未达到实用阶段,因此,考虑当BD2定位与惯性部件信息组合后处于INS/BD2导航模式,暂定BD2相关优先级较低。
步骤四:设置组合导航系统初始的导航模式以及切换状态;
无人机组合导航系统初始的导航模式切换状态默认为“导航模式自动切换”状态。导航模式默认为INS/卫星组合导航。
在进行多导航模式切换管理时,默认组合导航系统进行自动的导航模式切换,以提高系统的自主性。同时优先选择精度和可靠性最高的INS/卫星组合导航模式。
步骤五:判断组合导航系统工作是否结束,如果是,结束本方法;否则继续判断是否到导航模式切换周期,若周期已到,进入步骤六,否则继续重复步骤五;
步骤六:判断导航模式切换状态是否为“导航模式自动切换”状态,如果是,则进行步骤七;如果否,则进行步骤八;
进入切换判断周期后,判断导航模式切换状态,若为“导航模式自动切换”状态,则进行步骤七的导航模式自动切换,如果不是“导航模式自动切换”状态,进行步骤八;
步骤七:无人机组合导航系统进行导航模式自动切换;
如附图2所示,导航模式自动切换过程为:
第一步、判断卫星信号是否无效;卫星信号包括GNSS信号和BD2信号;如果卫星信号包括GNSS信号和BD2信号无效,无人机组合导航系统自动切换为INS导航模式。
如果卫星信号包括GNSS信号和BD2信号恢复时,自动切换为INS/卫星组合导航模式;按INS/卫星组合导航模式的子模式优先级顺序进行切换;然后进入第二步;
如附图3所示,当导航模式为INS/卫星组合导航模式时,首先判断DGPS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为INS/DGPS子模式,然后结束;如果无效,继续判断GNSS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为INS/GNSS子模式,然后结束;如果无效,继续判断BD2信号是否有效,如果有效,导航模式切换为INS/BD2子模式,然后结束;如果无效,直接结束。
第二步、判断惯性元器件信号是否无效;如果无效自动切换为卫星导航模式,按卫星导航模式的子模式优先级顺序进行切换;否则结束;
如附图4所示,当导航模式为卫星导航模式时,首先判断DGPS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为DGPS子模式,然后结束;如果无效,继续判断GNSS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为GNSS子模式,然后结束;如果无效,继续判断BD2信号是否有效,如果有效,导航模式切换为BD2子模式,然后结束;如果无效,直接结束。
导航模式自动切换时按导航模式的优先级进行,切换为相应导航模式后,按子模式优先级顺序进行导航子模式的确定,即组合条件均满足的情况下,切换至优先级较高的导航模式或者导航子模式。
在导航模式切换状态为“导航模式自动切换”状态时,无人机组合导航系统继续判断是否接收到外部“导航模式选择”控制指令,如果没有接收到,进入步骤九;如果接收到导航模式切换状态切换为“导航模式手动切换”状态,进入步骤九;
步骤八:无人机组合导航系统进行导航模式手动切换;
当地面操纵人员发现某些特殊情况,需要指定当前组合所用的卫星源时,可通过指令及其参数进行操作。当导航模式切换状态为“导航模式手动切换”状态时,则指令所带参数分别为“INS/GNSS”“INS/BD2”“INS”。具体为:
如图5所示,若收到指令参数为“INS/GNSS”,判断是否收到有效的DGPS差分信息,如果DGPS差分信息有效,则导航模式切换至INS/DGPS子模式,如果DGPS差分信息无效,继续判断GNSS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为INS/GNSS子模式,若GNSS信号无效,导航模式切换至INS导航模式;
若收到指令参数为“INS/BD2”,则判断BD2信号是否有效,如果有效,则切换当前导航模式至INS/BD2子模式,若BD2信号无效,导航模式切换至INS导航模式;
若收到指令参数为“INS”,则导航模式切换至INS导航模式;
当导航模式为INS导航模式时,继续判断惯性元器件信号是否有效,如果有效,将导航模式继续切换至INS导航模式。若惯性元器件信号无效,切换至卫星导航模式,并继续按卫星导航模式的子模式优先级顺序进行切换;
具体为:首先判断DGPS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为DGPS子模式,然后结束;如果无效,继续判断GNSS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为GNSS子模式,然后结束;如果无效,继续判断BD2信号是否有效,如果有效,导航模式切换为BD2子模式,然后结束。
在导航模式切换状态为“导航模式手动切换”状态时,无人机组合导航系统继续判断是否接收到外部“取消导航模式选择”控制指令,如果没有接收到,进入步骤九;若接收到则导航模式切换状态切换为“导航模式自动切换”状态,恢复步骤七中的“导航模式自动切换”状态,进入步骤九。
步骤九:输出切换后的导航模式以及导航模式切换状态。
步骤十:继续转步骤五执行。
由上述步骤可看出,本发明提供的导航模式切换方法逻辑清晰,易于实现,适用于具有多模式的组合导航系统设计,并使得组合导航系统在使用过程中在充分自主切换的基础上,引入操纵人员权限,进一步增强了组合导航系统实用性。
Claims (3)
1.一种应用于无人机组合导航系统的导航模式切换方法,其特征在于:
包括以下步骤:
步骤一:将组合导航系统中的导航模式划分成三种;
依据无人机组合导航系统中采用的卫星源及其不同的状态,将所有的导航模式划分为INS/卫星组合导航模式、INS导航模式和卫星导航模式三种;
步骤二:将导航模式进一步划分子模式;
将INS/卫星组合导航模式划分为INS/DGPS、INS/GNSS和INS/BD2三种子模式,将卫星导航模式划分为DGPS、GNSS和BD2三种子模式;
步骤三:设定导航模式中子模式的优先级;
设定INS/卫星组合导航模式的子模式优先级为:INS/DGPS模式高于INS/GNSS模式高于INS/BD2模式;设定卫星导航模式的子模式优先级为:DGPS模式高于GNSS模式高于BD2模式;
步骤四:设置组合导航系统初始的导航模式以及切换状态;
导航模式默认为INS/卫星组合导航模式,同时导航模式的切换状态默认为“导航模式自动切换”状态;
步骤五:判断组合导航系统工作是否结束,如果是,结束本方法;否则,继续判断是否到导航模式切换周期,若周期已到,进入步骤六,否则继续重复步骤五;
步骤六:判断导航模式切换状态是否为“导航模式自动切换”状态,如果是,则进行步骤七;如果否,则进行步骤八;
步骤七:无人机组合导航系统进行导航模式自动切换;
导航模式自动切换具体为:
第一步、判断卫星信号是否无效;卫星信号包括GNSS信号和BD2信号;
当卫星信号无效时无人机组合导航系统自动切换为INS导航模式后进入第二步,当卫星信号恢复时,自动切换为INS/卫星组合导航模式,按INS/卫星组合导航模式的子模式优先级顺序进行切换,然后进入第二步执行;
第二步、判断惯性元器件信号是否无效;
当惯性元器件信号无效时自动切换为卫星导航模式;按卫星导航模式的子模式优先级顺序进行切换;
在导航模式切换状态为“导航模式自动切换”状态时,无人机组合导航系统继续判断是否接收到外部“导航模式选择”控制指令,如果没有接收到,进入步骤九;如果接收到,导航模式切换状态切换为“导航模式手动切换”状态,进入步骤九;
步骤八:无人机组合导航系统进行导航模式手动切换;
导航模式手动切换按外部“导航模式选择”控制指令所带的参数进行导航模式手动切换,参数分别为“INS/GNSS”“INS/BD2”“INS”;具体为:
若收到指令参数为“INS/GNSS”,判断此时是否收到有效的DGPS差分信息,若是则切换至INS/DGPS子模式,否则继续判断GNSS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为INS/GNSS子模式,若GNSS信号无效,切换至INS导航模式;
若收到指令参数为“INS/BD2”,判断BD2信号是否有效,若是,切换当前导航模式至INS/BD2子模式,否则,切换当前导航模式至INS导航模式;
若收到指令参数为“INS”,则切换当前导航模式至INS导航模式;
导航模式为INS导航模式时,判断惯性元器件是否有效,如果有效,导航模式继续保持INS导航模式;若惯性元器件信号无效,切换至卫星导航模式,并继续按子模式优先级顺序进行切换;
在导航模式切换状态为“导航模式手动切换”状态时,无人机组合导航系统继续判断是否接收到外部“取消导航模式选择”控制指令,如果没有接收到,进入步骤九;若接收到则导航模式切换状态切换为“导航模式自动切换”状态,进入步骤九;
步骤九:输出切换后的导航模式以及导航模式切换状态;
步骤十:继续转步骤五执行。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无人机组合导航系统的导航模式切换方法,其特征在于:步骤七中所述的按INS/卫星组合导航模式的子模式优先级顺序进行切换,具体步骤为:
首先判断DGPS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为INS/DGPS子模式,然后结束;如果无效,继续判断GNSS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为INS/GNSS子模式,然后结束;如果无效,继续判断BD2信号是否有效,如果有效,导航模式切换为INS/BD2子模式,然后结束;如果无效,直接结束。
3.根据权利要求1所述的一种应用于无人机组合导航系统的导航模式切换方法,其特征在于:步骤七中所述的按卫星导航模式的子模式优先级顺序进行切换,具体步骤为:
首先判断DGPS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为DGPS子模式,然后结束;如果无效,继续判断GNSS信号是否有效,如果有效,导航模式切换为GNSS子模式,然后结束;如果无效,继续判断BD2信号是否有效,如果有效,导航模式切换为BD2子模式,然后结束;如果无效,直接结束。
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