CN107783155A - 一种低成本无人机抗诱捕导航系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无人机抗诱捕技术领域，具体公开一种低成本无人机抗诱捕导航系统，卫星定位系统：能够接收多个卫星导航系统(北斗和GPS)多个频点的导航信号，完成导航电文解调，测量值提取等功能，卫星定位系统具备守时功能；惯性导航系统：根据测量精度、量程，封装性，抗冲击性，温漂等指标要求，完成MEMS传感器的选型；搭建惯性系统，实现姿态、位置和速度的捷联解算信息综合处理模块：对导航卫星的电文和测量数据进行处理，实现对虚假干扰信号的检测和消除，实现无人机正常的导航功能。本发明的优点是，把具备抗诱捕功能的导航系统应用在无人机上，对警用，安防，安保，交通监察的无人机形成一个“防火墙”，让非法份子无机可乘。

Description

一种低成本无人机抗诱捕导航系统
技术领域
本发明涉及无人机抗诱捕技术领域，特别是指一种低成本无人机抗诱捕导航系统。
背景技术
近年无人机行业井喷式发展，影响了正常的航空飞行。针对日益繁杂的无人机市场，很多公司推出了无人机诱捕器，通过干扰无人机导航系统或者提供虚假导航信号，而使无人机按照他们的期望的路线飞行或者迫降。但是这些无人机诱捕器如果掌握在了一些非法人的手里，会对执行警务，安保，安防，交通监视任务的无人机形成干扰。正对这种情况，我们研发一款供警务，安防等专业无人机使用的抗干扰抗诱捕的无人机导航系统，使警务，安防无人机不受非法份子的干扰。
随着导航专业的发展，基本的PNT技术已经很普遍应用于各行各业，尤其是现在的UAV行业，没有抗诱捕抗干扰的导航系统，就像电脑的操作系统没有安装防护软件一样，任由他人进入。所以研究一款抗诱捕抗干扰的无人机导航系统非常急迫。也为警务，安防无人机提供了一层安全保障。
首先，具备基本PVT服务功能的导航系统在无人机行业的应用已经比较成熟和普遍。但是具备抗诱捕功能的导航终端还是没有形成工程产品，国内一些高校还在实验室试验阶段。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本无人机抗诱捕导航系统，把具备抗诱捕功能的导航系统应用在无人机上，对警用，安防，安保，交通监察的无人机形成一个“防火墙”，让非法份子无机可乘。
为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：一种低成本无人机抗诱捕导航系统，包括卫星定位系统：能够接收多个卫星导航系统(北斗和GPS) 多个频点的导航信号，完成导航电文解调，测量值提取等功能，卫星定位系统具备守时功能；
惯性导航系统：根据测量精度、量程，封装性，抗冲击性，温漂等指标要求，完成MEMS传感器的选型；搭建惯性系统，实现姿态、位置和速度的捷联解算
信息综合处理模块：对导航卫星的电文和测量数据进行处理，实现对虚假干扰信号的检测和消除，实现无人机正常的导航功能。
其中，所述信息综合处理模块采用组合导航算法，是由惯性导航系统(INS) 导航结果推算出伪距、伪距率，与卫导定位系统观测得到的伪距、伪距率作差得到观测量；通过卡尔曼滤波对INS的误差和卫导接收机的误差进行最优估计，并根据估计出的INS误差结果对INS进行反馈校正，使INS保持高精度的导航；同时利用校正后的INS速度信息对北斗接收机的载波环、码环进行辅助跟踪，消除载波跟踪环和码跟踪环中载体的大部分动态因素，以降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数，从而减小环路的等效带宽，增加卫导接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。
本发明的有益效果在于：利用惯性导航、加速度计及卫导等的信息，做综合信息处理与分析，做出正确的决策，集成抗诱捕与抗欺骗模块，并应用在无人机上，特别对对警用，安防，安保，交通监察的无人机形成一个“防火墙”，让非法份子无机可乘。在国内外都还没有开始这样的应用。此项研究可以填补国内的空白。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为干扰欺骗场景；
图2为组合导航算法的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种低成本无人机抗诱捕导航系统，包括卫星定位系统、惯性导航系统、信息综合处理模块。
惯性导航系统是一种利用安装在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置的一个系统。通过陀螺仪和加速度计的测量数据，可以确定运载体在惯性参考坐标系中的运动，同时也能够计算出运载体在惯性参考坐标系中的位置。
不同于其他类型的导航系统，惯性导航系统是完全自主的，它既不向外部发射信号，也不从外部接收信号。惯性导航系统必须精确地知道在导航起始时运载体的位置，惯性测量值用来估算在启动之后所发生的位置变化。
加速度计是一种用来测量物体运动加速度的仪表，一个惯性导航系统包含三个加速度计，每个加速度计能够敏感一个方向上的加速度，通常三个敏感方向互相垂直。为了参照惯性参考坐标系进行导航，必须对加速度计的指向进行跟踪。用陀螺可以敏感载体相对于惯性参考坐标系的旋转运动，这样就可以测定加速度计在所有时刻的指向。有了这些信息，便可将加速度分解到参考坐标系，然后进行积分。
卫星定位系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。信息综合处理模块采用组合导航算法，是由惯性导航系统(INS)导航结果推算出伪距、伪距率，与卫导定位系统观测得到的伪距、伪距率作差得到观测量。通过卡尔曼滤波对 INS的误差和卫导接收机的误差进行最优估计，并根据估计出的INS误差结果对INS进行反馈校正，使INS保持高精度的导航。同时利用校正后的INS速度信息对北斗接收机的载波环、码环进行辅助跟踪，消除载波跟踪环和码跟踪环中载体的大部分动态因素，以降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数，从而减小环路的等效带宽，增加卫导接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。组合导航原理框图如图所示：
卡尔曼滤波(Kalman filtering)一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。
状态估计是卡尔曼滤波的重要组成部分。一般来说，根据观测数据对随机量进行定量推断就是估计问题，特别是对动态行为的状态估计，它能实现实时运行状态的估计和预测功能。比如对飞行器状态估计。状态估计对于了解和控制一个系统具有重要意义，所应用的方法属于统计学中的估计理论。最常用的是最小二乘估计，线性最小方差估计、最小方差估计、递推最小二乘估计等。其他如风险准则的贝叶斯估计、最大似然估计、随机逼近等方法也都有应用。
受噪声干扰的状态量是个随机量，不可能测得精确值，但可对它进行一系列观测，并依据一组观测值，按某种统计观点对它进行估计。使估计值尽可能准确地接近真实值，这就是最优估计。真实值与估计值之差称为估计误差。若估计值的数学期望与真实值相等，这种估计称为无偏估计。卡尔曼提出的递推最优估计理论，采用状态空间描述法，在算法采用递推形式，卡尔曼滤波能处理多维和非平稳的随机过程。卡尔曼滤波理论的提出，克服了威纳滤波理论的局限性使其在工程上得到了广泛的应用，尤其在控制、制导、导航、通讯等现代工程方面。
卫星定位系统：能够接收多个卫星导航系统(北斗和GPS)多个频点的导航信号，完成导航电文解调，测量值提取等功能，卫星定位系统具备守时功能；
惯性导航系统：根据测量精度、量程，封装性，抗冲击性，温漂等指标要求，完成MEMS传感器的选型；搭建惯性系统，实现姿态、位置和速度的捷联解算；
信息综合处理模块：对导航卫星的电文和测量数据进行处理，实现对虚假干扰信号的检测和消除，实现无人机正常的导航功能。
如图1所示，干扰欺骗的原理其实就是伪装成一颗伪卫星进行播发定位数据。从而欺骗接收机。伪卫星不一定是坏事，在早期有科研院所开始研究在城市定位中通过伪卫星弥补在城市峡谷中由于遮挡造成定位卫星少的问题。这种可以说是良性的伪卫星。如果伪卫星用来发恶性的欺骗数据，则很容易对定位算法产生较大欺骗，给出错误结果。
卫星导航抗诱捕算法采用时间信息比对、相关峰检测和判决技术、卫星导航接收机自主完好性技术、惯性导航和卫星导航融合技术、多系统定位技术等综合抗诱捕方法消除虚假欺骗信号。
在无人机放飞前，可先校准导航守时电路的时间。在飞行过程中，如果收到诱捕信号，将会计算出较大的时间修正量，通过与守时电路的时间比对，可以发现时间上的较大变化；将定位结果与惯性导航定位结果(惯性导航在短期内能保持较高精度)或其它卫星系统和频点的定位结果进行比对，可发现位置上出现的较大偏差。通过时间和空间信息处理可实现对诱捕信号的检测。采用相关峰检测和判决技术、接收机自主完好性技术实现诱捕信号的消除和真实信号的跟踪。
在抗诱骗期间，可采用惯导数据或其它未受干扰的卫星定位数据保证无人机的正常导航。
电路板利用裸die与陶瓷基板工艺，将整个抗诱捕模块做到高可靠性、小体积、低成本，方便大面积的使用与推广。
抗诱捕无人机导航系统的研发将会代替原有的简单的初级的无人机导航系统。
民用无人机从2010年以来，以大疆创新为代表的中国消费级民用无人机企业，已处于国际前列，在市场份额、研发制造能力、应用广度深度方面均具有一定优势，成为“中国创造”的代名词，而国内行业应用的无人机市场也开始出现爆发性增长。
随着无人机行业的发展，无人机用于警务活动越来越多，利于重要场所的监控，监狱的空中监视，道路交通状况的监视，边防活动的监视等。具有抗诱捕能力的无人机越来越重要，所以抗诱捕无人机导航系统成为无人机不可缺少的部分。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种低成本无人机抗诱捕导航系统，其特征在于，包括
卫星定位系统：能够接收多个卫星导航系统(北斗和GPS)多个频点的导航信号，完成导航电文解调，测量值提取等功能，卫星定位系统具备守时功能；
惯性导航系统：根据测量精度、量程，封装性，抗冲击性，温漂等指标要求，完成MEMS传感器的选型；搭建惯性系统，实现姿态、位置和速度的捷联解算
信息综合处理模块：对导航卫星的电文和测量数据进行处理，实现对虚假干扰信号的检测和消除，实现无人机正常的导航功能。
2.根据权利要求1所述的一种低成本无人机抗诱捕导航系统，其特征在于：所述信息综合处理模块采用组合导航算法，是由惯性导航系统(INS)导航结果推算出伪距、伪距率，与卫导定位系统观测得到的伪距、伪距率作差得到观测量；通过卡尔曼滤波对INS的误差和卫导接收机的误差进行最优估计，并根据估计出的INS误差结果对INS进行反馈校正，使INS保持高精度的导航；同时利用校正后的INS速度信息对北斗接收机的载波环、码环进行辅助跟踪，消除载波跟踪环和码跟踪环中载体的大部分动态因素，以降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数，从而减小环路的等效带宽，增加卫导接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。
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