CN104749600B - 一种基于偏振光的判定式组合导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于偏振光的判定式组合导航方法，属于无人机导航技术领域。该方法使用的设备包括偏振光传感器、惯性元件、GPS模块、气压高度计和飞控计算机。通过偏振光传感器和惯性传感器的数据分别计算自身的经纬度，然后将这两个经纬度信息进行卡尔曼滤波，得到准确经纬度，将其与GPS模块提供的经纬度进行比较，决定是否最终采用GPS模块提供的经纬度信息，形成一种新的判定式组合导航方法。通过该方法可以降低无人机对GPS的依赖性，防止受到人为干扰和电子诱骗，确保无人机能按照预定的航线飞行。
Description
技术领域
本发明提供了一种基于偏振光的判定式组合导航方法，属于无人机导航技术领域。
背景技术
无人机是一种利用无线电设备遥控或自身备份的程序装置控制的不载人飞机。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。随着近年来技术的发展，无人机得到空前的发展，越来越受到各国和军方的关注。无人机目前主要用于军事侦查、骗敌诱饵、对地攻击、通信中继、航空遥感、救灾抗险等，展现了巨大的市场前景。
尽然如此，但使用GPS导航的无人机在飞行过程中极易受到电磁干扰和人为因素的影响。伊朗利用美国无人机GPS“信号微弱、易于操纵”的弱点，切断其与美国基地的通信线路，然后重构它的GPS坐标，引导它降落在伊朗境内。因此无人机导航的方式对无人机飞行至关重要。目前主流的导航方式是以GPS为基础的组合导航方式，各种组合导航方式很大程度上依赖GPS信息。但是在战争情况下，GPS信号很容易受到敌方干扰或电子诱骗。为了降低对GPS的依赖性，本发明加入了偏振光传感器，引入了基于偏振光的导航定位方法。偏振光传感器可以为无人机提供航向角信息，同时结合其他传感器信息可以进行无人机定位。如专利201310037586.4，公开了一种基于偏振光仿生导航的定位系统及其定位方法。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种利用偏振光定位信息为基础来判定GPS信号是否失真的判定式组合导航方法。解决的问题是在GPS信号失真的情况下，能够及时识别出来，并切换组合导航的模式，从而能够在一定时间内保证无人机继续按照预定的航线飞行。
本发明的技术方案：
一种基于偏振光的判定式组合导航方法，该方法中使用的设备包括偏振光传感器、惯性元件、GPS模块、气压高度计和飞控计算机。偏振光传感器和GPS模块分别通过UART串口与飞控计算机连接，惯性元件通过SPI接口与飞控计算机连接，气压高度计通过I2C接口与飞控计算机连接，飞控计算机负责处理各传感器数据，此外在飞控计算机芯片中另固化有天文历模块程序。
惯性元件包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。三轴加速度计用来测量三个方向的加速度信息，三轴陀螺仪用来测量飞机三个旋转方向的角速度信息。
气压高度计用来测量无人机实时高度。
偏振光传感器可以提供无人机的航向角，结合天文历模块提供实时的经纬度信息。
GPS模块为无人机提供实时的经度和纬度信息。
天文历模块为偏振光导航定位提供不同时刻的太阳赤纬以及均时差信息。
飞控计算机不仅要实时的处理各种传感器传来的数据并做出判断，而且还要将处理的结果反馈给无人机的控制机构，以实现对无人机机械机构的控制，同时也将数据发送到地面的接收站以及接受地面控制人员的指令等任务。
一种基于偏振光的判定式组合导航方法，该判定式组合导航方法的具体步骤如下：
(1)偏振光传感器获得无人机的航向角，惯性元件测得无人机的加速度和角速度，将航向角、加速度和角速度的数据输送到子滤波器1中，经过滤波信息融合处理得到无人机经纬度1。
(2)偏振光传感器和天文历模块将偏振方位角、太阳赤纬以及均时差信息输入飞控计算机进行处理，得到无人机经纬度2。
(3)将无人机经纬度1和无人机经纬度2同时输送到子滤波器2中，得到无人机经纬度3。
(4)GPS模块将无人机实时的经纬度信息输送到飞控计算机中，通过无人机经纬度3来判定GPS信号的有效性；根据GPS模块提供的经纬度和无人机经纬度3计算两点之间的距离Distance；误差区域ΔP即为以无人机经纬度3为圆心，以偏振光传感器和天文历模块测得的无人机定位精度为半径的圆区域，半径用r表示；如果距离Distance大于半径r,即GPS模块测得经纬度落入误差区域ΔP外，就认定GPS信号失真，就以无人机经纬度信息3作为无人机下一个航点位置计算的依据；如果距离Distance小于半径r,即GPS模块测得经纬度落入误差区域ΔP内，认定GPS信号的有效，将GPS模块提供的位置信息与无人机经纬度3输送到主滤波器中，最终得到无人机的位置信息。
(5)惯性元件的输出的位置误差随时间不断发散，将无人机的最终位置信息反馈给子滤波器1，抑制惯性元件漂移所造成的位置误差。
本发明的有益效果是：
1、加入了偏振光传感器，一方面偏振光传感器可以为无人机提供高精度的航向角，另一方面结合天文历模块可以提供经纬度信息。
2、偏振光导航是一种完全自主式的导航，不受电磁干扰。
3、该组合导航方法可以有效的判定GPS信号是否失真，在信号失真的情况下，仍然可以在一段时间内保证无人机的正常飞行。
附图说明
图1是本发明使用传感器和飞控计算机之间的关系图。
图2是本发明的程序执行流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体技术方案对本发明的具体实施方式作进一步阐述。
实施例1
如图1所示，本发明的设备包括飞控计算机、偏振光传感器、惯性元件、气压高度计以及GPS模块。这些传感器将测得的原始数据实时的发送到飞控计算机里面，通过一系列的处理得到最初的位置、姿态和航向信息，将最初的位置与GPS模块提供的位置作比较，以判断GPS信号的有效性，最终再根据判断的结果得到位置信息,然后将数据发送到控制机构里面实现对无人机的控制。
实施例2
一种基于偏振光的判定式组合导航方法，该组合导航方法的具体步骤如下：
1、偏振光传感器获得无人机的航向角、惯性元件测得无人机的加速度和角速度，将这些数据输送到子滤波器1中，经过滤波融合处理得到无人机经纬度1，其中纬度Lat1＝38.888205°，经度Lon1＝121.514868°。
2、飞控计算机通过偏振光传感器和天文历模块传来的数据获得无人机经纬度2，其中纬度Lat2＝38.887143°，经度Lon2＝121.514982°，偏振光传感器和天文历模块对无人机定位精度为100m,其定位精度不随时间发生漂移。
3、将无人机经纬度1和无人机经纬度2同时输送到子滤波器2中，得到无人机经纬度3,纬度Lat3＝38.888201°，经度Lon3＝121.514864°。以无人机经纬度3为圆心，以偏振光传感器和天文历模块测得的无人机定位精度为半径作圆。
4、GPS模块将测得的无人机实时位置信息送入到飞控计算机中，通过无人机经纬度信息3来判定GPS信号的有效性。此处GPS模块测得无人机的纬度为经度为Lat＝38.888323°,Lon＝121.513962°。假设无人机飞行的位置始终处在北半球，仅对经度作正负处理,设两点经纬度为(LatA,LonA)和(LatB,LonB),根据地球上任意两点的经纬度计算两点之间的距离：
C＝sin(LatA)*sin(LatB)+cos(LatA)*cos(LatB)*cos(LonA-LonB) (1)
Distance＝R*arccos(C)*π/180 (2)
其中R＝6.371004e6m,将无人机经纬度3和GPS模块测得的经纬度带入公式(1)和公式(2)中，经计算得Distance＝39.7428m。
误差区域ΔP即为以无人机经纬度3为圆心，以偏振光传感器和天文历模块测得的无人机定位精度为半径的圆区域，半径用r表示。如果Distance大于半径r,也即GPS模块测得经纬度落入误差区域ΔP外，就认定GPS信号失真，这时就以无人机经纬度信息3作为无人机下一个航点位置计算的依据；如果Distance小于半径r,也即GPS模块测得经纬度落入误差区域ΔP内，认定GPS信号的有效，将GPS信号与无人机经纬度3送入到主滤波器，得到无人机最终的位置信息。由于此处Distance<r,故认为GPS信号有效。同时将无人机的最终位置数据反馈给子滤波器1。用来校准惯性元件漂移所造成的位置误差。通过判定式组合导航方式，避免了对GPS的严重依赖性，同时偏振光传感器的利用也增强了无人机导航的自主性和抗干扰能力。
Claims (1)
1.一种基于偏振光的判定式组合导航方法，其特征在于，偏振光传感器和GPS模块分别通过UART串口与飞控计算机连接，惯性元件通过SPI接口与飞控计算机连接，气压高度计通过I2C接口与飞控计算机连接，飞控计算机负责处理各传感器数据，在飞控计算机芯片中固化有天文历模块程序；
惯性元件包括三轴加速度计和三轴陀螺仪；三轴加速度计用来测量三个方向的加速度信息，三轴陀螺仪用来测量飞机三个旋转方向的角速度信息；
气压高度计用来测量无人机实时高度；
偏振光传感器提供无人机的航向角，结合天文历模块程序提供实时的经纬度信息；
GPS模块为无人机提供实时的经度和纬度信息；
天文历模块程序为偏振光导航定位提供不同时刻的太阳赤纬以及均时差信息；
该判定式组合导航方法的步骤如下：
(1)偏振光传感器获得无人机的航向角，惯性元件测得无人机的加速度和角速度，将航向角、加速度和角速度的数据输送到子滤波器1中，经过滤波信息融合处理得到无人机经纬度1；
(2)偏振光传感器和天文历模块程序将偏振方位角、太阳赤纬以及均时差信息输入飞控计算机进行处理，得到无人机经纬度2；
(3)将无人机经纬度1和无人机经纬度2同时输送到子滤波器2中，得到无人机经纬度3；
(4)GPS模块将无人机实时的经纬度信息输送到飞控计算机中，通过无人机经纬度3来判定GPS信号的有效性；根据GPS模块提供的经纬度和无人机经纬度3计算两点之间的距离Distance；误差区域ΔP即为以无人机经纬度3为圆心，以偏振光传感器和天文历模块程序测得的无人机定位精度为半径的圆区域，半径用r表示；如果距离Distance大于半径r,即GPS模块测得经纬度落入误差区域ΔP外，就认定GPS信号失真，就以无人机经纬度信息3作为无人机下一个航点位置计算的依据；如果距离Distance小于半径r,即GPS模块测得经纬度落入误差区域ΔP内，认定GPS信号的有效，将GPS模块提供的位置信息与无人机经纬度3输送到主滤波器中，最终得到无人机的位置信息；
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