CN115979263A - 一种低空飞行载体导航方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低空飞行载体导航方法及系统，该方法包括获取MEMS惯导系统输出的第一测量速度以及激光多普勒测速仪输出的第二测量速度；以第一测量速度与第二测量速度之间的差值为观测量构建卡尔曼滤波器；基于卡尔曼滤波器进行滤波，对MEMS惯导系统、激光多普勒测速仪进行反馈校正，得到低空飞行载体的定位结果；其中，在所述激光多普勒测速仪测得所述第二测量速度的过程中，将测量光束调制成脉冲测量光，以实现百米量级至公里量级距离上速度的测量。本发明应用于导航领域，可以使无人机等低空飞行载体进行自主导航，在GNSS拒止的环境中，也可以获取高精度的导航信息。

Description

一种低空飞行载体导航方法及系统

技术领域

本发明涉及导航技术领域，具体是一种低空飞行载体导航方法及系统。

背景技术

当前如无人机一类的低空飞行载体在开阔场景下，通过全球定位系统（globalnavigation satellite system, GNSS）可以方便的获取位置和速度信息，但是在高楼林立的城市场景下，由于信号被高楼等物体的遮挡和反射，常常出现导航信息拒止的情况，这样会极大危害低空飞行载体的飞行安全；无人机已经广泛出现在城市的各种应用场景下，在消防救援、治安巡逻、城市测绘等中发挥了重要作用，一种高精度的可靠自主导航方法对于无人机安全的完成相关任务有着重要意义。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种低空飞行载体导航方法及系统，可以使无人机等低空飞行载体进行自主导航，在GNSS拒止的环境中，也可以获取高精度的导航信息。

为实现上述目的，本发明提供一种低空飞行载体导航方法，将MEMS惯导系统与激光多普勒测速仪搭载在低空飞行载体上，所述导航方法包括如下步骤：

获取MEMS惯导系统输出的第一测量速度以及激光多普勒测速仪输出的第二测量速度；

以所述第一测量速度与所述第二测量速度之间的差值为观测量，以所述MEMS惯导系统的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移、加速度计零偏以及所述激光多普勒测速仪的比例因子误差、安装误差为状态量，构建卡尔曼滤波器；

基于所述卡尔曼滤波器进行滤波，并利用滤波得到的各状态量的最优估计值对所述MEMS惯导系统、所述激光多普勒测速仪进行补偿校正，提高所述低空飞行载体的定位结果精度；

其中，在所述激光多普勒测速仪测得所述第二测量速度的过程中，将测量光束调制成脉冲测量光，以实现百米量级至公里量级距离上速度的测量。

在其中一个实施例，所述第二测量速度的测量过程为：

对连续激光进行分光处理，得到功率不同的参考光束与测量光束；

将所述测量光束调制成脉冲测量光，并对所述脉冲测量光进行功率放大处理；

输出功率放大后的所述脉冲测量光，并接收所述脉冲测量光遇到地面等硬质目标后的散射光；

将所述参考光束与所述散射光的干涉信号转化为电信号，对所述电信号进行采样并转化为数字信号，再从所述数字信号中提取多普勒频率信息；

基于所述多普勒频率信息得到所述第二测量速度。

在其中一个实施例，所述脉冲测量光的重复频率为10~100Hz、脉冲宽度为10~20μs。

在其中一个实施例，所述连续激光的线宽小于15kHz、波长为1550nm或532nm。

在其中一个实施例，所述参考光束的功率为1~2mW。

在其中一个实施例，放大后的所述脉冲测量光的能量为1~2mJ、峰值功率为50~100W。

在其中一个实施例，所述MEMS惯导系统与所述激光多普勒测速仪通过云台固定相连，且所述MEMS惯导系统的中心与所述激光多普勒测速仪的中心位于同一垂线上。

为实现上述目的，本发明还提供一种低空飞行载体导航系统，包括搭载在低空飞行载体上的：

MEMS惯导系统；

激光多普勒测速仪，所述激光多普勒测速仪与所述MEMS惯导系统通过云台固定相连，且所述MEMS惯导系统的中心与所述激光多普勒测速仪的中心位于同一垂线上；

导航校正单元，用于采用上述的方法对所述低空飞行载体进行导航定位。

在其中一个实施例，所述激光多普勒测速仪包括：

单频种子激光器，用于输出线宽小于15kHz、波长为1550nm或532nm的连续激光；

分光器，位于所述单频种子激光器的输出光路上，用于将所述连续激光分为功率不同的参考光束与测量光束，其中，所述参考光束的功率为1~2mW；

声光调制器，位于所述测量光束的光路上，用于将所述测量光束调制成脉冲测量光，其中，所述脉冲测量光的重复频率在10~100Hz之间、脉冲宽度在10~20μs之间；

功率放大器，位于所述脉冲测量光的光路上，用于放大所述脉冲测量光的功率，其中，经过所述功率放大器后，所述脉冲测量光单脉冲的能量为1~2mJ、峰值功率为50~100W；

光学天线，位于所述功率放大器的输出光路上，用于输出所述脉冲测量光，并接收所述脉冲测量光的散射光；

光电探测器，位于所述参考光束、所述散射光的光路上，用于将所述参考光束与所述散射光的干涉光信号转化为电信号；

信号处理系统，与所述光电探测器电连接，用于对所述电信号进行采样并转化为数字信号后从所述数字信号中提取与速度相关的多普勒频率信息，再基于所述多普勒频率信息得到第二测量速度。

激光多普勒测速仪还包括光环形器，所述光环形器上具有第一端口、第二端口与第三端口；

所述第一端口与所述功率放大器的输出端通过光纤相连，所述第二端口与所述光学天线通过光纤相连，所述第三端口与所述光电探测器通过光纤相连。

在其中一个实施例，所述光学天线为收发一体式天线或收发分离式天线。收发一体式的光学天线可用聚焦式的镜头或准直式的镜头；收发分离式的光学天线当中的发射天线可用聚焦式的镜头或准直式的镜头，接收天线通常使用准直式的镜头。

在其中一个实施例，所述光电探测器为单个雪崩二极管或平衡探测器等高灵敏度探测器。

本发明中激光多普勒测速仪的工作过程为：

单频种子激光器发出的连续激光被分光器分为功率不同的两束激光；其中一束直接照射至光电探测器光敏面上，作为参考光束，另一束经过声光调制器的调制成重复频率在10~100Hz之间，脉冲宽度在10~20μs之间的脉冲，变成脉冲光后，经过功率放大器的功率放大，再经过光学天线后输出，作为测量光束；脉冲测量光在传播过程中被遇到的硬质目标（如地面）散射，散射光后向传播进入光学天线，经由环形器进而传输至光电探测器光敏面，与参考光束发生干涉；光电探测器将干涉的光信号转化为电信号，信号处理系统对该电信号进行采样，转化为数字信号，然后经过数据处理从中提取与速度相关的多普勒频率信息。

在常规的脉冲式测量系统中都存在一个最大不模糊距离的约束，其代表了分辨出返回的信号是来自第一个发射脉冲还是另外一个发射脉冲的能力，该距离由系统的脉冲重复频率决定，而对于本发明中的激光多普勒测速仪来说，不需要区别信号来自哪个脉冲的散射，其只要从返回的光信号中提取速度信息即可，所以本本发明中的脉冲式激光多普勒测速仪不用考虑最大不模糊距离的限制。

本发明中的信号处理系统可采取探测到回波信号即可进行采集和提取多普勒频率信息，不需要对采集的回波信号在时域上进行距离门划分等操作；另外本发明中的激光多普勒测速仪利用的是硬目标散射信号进行速度测量，信噪比高，故不需要对脉冲进行叠加来提高信号的信噪比；同时本发明采用μs量级的长脉冲进行探测，降低了对信号处理系统中采集卡的采集频率要求，还可以保证在一个脉冲内采集到足够多的数据点用于后续数据处理，提高速度反演的精度。以上三点大大简化的数据处理的过程，有利于降低系统的硬件要求和复杂度。

本发明具有如下有益技术效果：

1.本发明采用卡尔曼滤波的方式，利用MEMS惯导系统和脉冲式激光多普勒测速仪的输出速度差值作为观测量，通过滤波器跟踪内部状态变化过程，对MEMS惯导系统的姿态信息、位置信息以及MEMS惯导和脉冲式激光多普勒测速仪的相关安装关系进行滤波估计，进而对MEMS惯导系统的姿态和定位误差的校正，以实现提高无人机等低空飞行载体的自主导航定位精度的目标；

2.本发明采用脉冲激光作为激光多普勒测速仪的测量光，配合光学天线对测量光束的变换，可以在百米量级至公里量级的距离上对速度进行测量，极大拓展激光多普勒测速仪的工作范围，使激光多普勒测速仪应用在无人机等的低空飞行载体上成为可能，进而利用激光多普勒测速仪提供的高精度速度信息，来提高低空飞行载体的导航定位精度。

附图说明

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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中低空飞行载体导航方法的原理图；

图2为本发明实施例中低空飞行载体导航系统的示意图；

图3为本发明实施例中激光多普勒测速仪的原理图。

附图标号：单频种子激光器1、光纤分光耦合器2、声光调制器3、光纤放大器4、环形器5、收发一体准直式光学天线6、平衡探测器7、信号处理系统8、低空飞行载体9、MEMS惯导系统10、激光多普勒测速仪11、云台12。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

本实施例公开了一种低空飞行载体导航方法，通过将MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)惯导系统与激光多普勒测速仪(LaserDopplerVelocimetry，LDV)搭载在无人机等低空飞行载体上，使MEMS惯导系统与激光多普勒测速仪组成一个MEMS/LDV组合导航系统，其中，激光多普勒测速仪在组合导航系统中起到提供高精度外测速度的作用。由于MEMS惯导系统的测量速度为系统在惯性空间中的速度，而LDV测量的是载体的对地速度，需要将LDV测量的载体对地速度转换成为MEMS惯导系统的对地速度，才可以实现外测速度的基准作用。因此在具体应用过程中，当MEMS惯导系统与激光多普勒测速仪在低空飞行载体上安装完毕后，必须对LDV的标度因数、LDV与MEMS惯导系统间的安装误差角以及LDV与MEMS惯导系统的安装杆臂进行标定。

如果LDV标度因数和安装误差角标定不准确，则会直接导致输出外测速度存在误差，造成行进间对准误差增大；杆臂补偿不完全会导致杆臂效应，在低空飞行载体转弯或大机动时LDV和MEMS惯导系统经历不同速度。因此，准确标定LDV和MEMS惯导系统的相关安装误差是高精度导航的基础。本实施例中，为了简化相关误差，在低空飞行载体上将MEMS惯导系统与激光多普勒测速仪通过云台固定相连，且使MEMS惯导系统的中心与LDV的中心位于同一垂线上，这样设置不仅避免了杆臂的影响，同时保证了LDV和MEMS惯导系统的安装关系在短时间内变化很小，避免了每次使用需要重复标定的问题。

在具体实施过程中，考虑到在MEMS惯导系统在启动初期时误差还没有发散，测量精度较高，因此利用MEMS惯导系统启动初期的位置信息对LDV进行在线标定。标定完成后，再利用LDV提供的准确速度信息快速完成MEMS/LDV组合导航系统的初始对准。

在MEMS/LDV组合导航系统初始对准完成后，基于误差模块反馈，利用卡尔曼滤波算法对MEMS系统和LDV的输出进行实时误差监测，具体来说就是，将MEMS惯导系统和LDV之间的速度差值视为Kalman滤波器的观测值，用来计算MEMS惯导系统的姿态角误差、速度误差、位置误差以及LDV的比例因子误差、安装误差。通过直接改变输出，将MEMS/LDV组合导航系统误差的估计值用于MEMS惯导系统数据和LDV的校正，从而使测量残差保持在稳定的最小值。最后，将经组合导航滤波算法补偿后的MEMS惯导系统的输出进行积分，完成导航解算，从而得到低空飞行载体的位置、速度和姿态信息，以实现无人机等低空飞行载体的高精度自主导航。参考图1，本实施例中的低空飞行载体导航方法具体包括如下步骤：

首先，获取MEMS惯导系统输出的第一测量速度以及激光多普勒测速仪输出的第二测量速度；

其次，以第一测量速度与第二测量速度之间的差值为观测量，以MEMS惯导系统的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移、加速度计零偏以及激光多普勒测速仪的比例因子误差、安装误差为状态量，构建卡尔曼滤波器；

基于卡尔曼滤波器进行滤波，并利用滤波得到的各状态量的最优估计值对MEMS惯导系统、激光多普勒测速仪进行补偿校正，得到低空飞行载体的定位结果；

其中，在所述激光多普勒测速仪测得所述第二测量速度的过程中，将测量光束调制成脉冲测量光，以实现百米量级至公里量级距离上速度的测量。

在具体实施过程中，选择东北天坐标系作为导航坐标系，在导航坐标系下MEMS惯导系统的误差模型为：

；

；

；

；

其中，、、、分别为MEMS惯导系统的姿态误差、速度误差、纬度误差和经度误差，、、、分别为MEMS惯导系统的姿态、速度、纬度和经度；为MEMS惯导系统测量得到的在载体坐标系(系，即上式中的上、下标)至导航坐标系(系，即上式中的上、下标)的姿态变换矩阵，下标表示惯性坐标系，表示在系中观测的系绕系转动的角速度，表示在系中观测的系绕系转动的角速度误差；和分别表示惯导的北向速度和东向速度，和分别表示惯导的北向速度误差和东向速度误差，和分别是地球的卯酉圈半径和子午圈半径；表示载体坐标系中的比力，表示加速度计零偏，表示高度。

在上述MEMS惯导系统误差模型的基础上，选取MEMS惯导系统的姿态误差(即失准角、、)、速度误差(、)、位置误差(、)、陀螺漂移(、、)和加速度计零偏(、)以及LDV的比例因子误差()和安装误差()构成１４维卡尔曼滤波器的状态量 X，为：

；

卡尔曼滤波器的观测量为MEMS惯导系统输出的第一测量速度以及激光多普勒测速仪输出的第二测量速度间的差，即能得到定速修正状态方程和观测方程如下：

；

；

其中，为系统矩阵，为输入矩阵，为系统噪声向量，为观测矩阵，为观测噪声向量。

系统矩阵为：

；

其中，、、、、分别为元素都为0的矩阵，、、、、、、、、分别为中间矩阵，具体地：

；

；

；

；

；

；

；

；

；

上述中间矩阵中，表示系围绕系旋转的角速度，表示地向的比力，表示北向的比力，、、、表示姿态变换矩阵，数字下标表示矩阵的大小，、、表示中间参数，分为：

；

；

；

在上述卡尔曼滤波器的基础上即能得到各状态的最优估计值并进行补偿，最后输出MEMS惯导系统补偿后的导航定位结果，即为低空飞行载体的高精度自主导航结果。至于基于各状态的最优估计值对MEMS惯导系统的导航定位结果进行补偿则为所属领域的常规技术手段，本实施例中不再对其进行赘述。

本实施例中，第二测量速度的测量过程具体为：

对连续激光进行分光处理，得到功率不同的参考光束与测量光束，其中，连续激光的线宽小于15kHz、波长为1550nm或532nm，参考光束的功率为1~2mW；

将测量光束调制成脉冲测量光，并对脉冲测量光进行功率放大处理，其中，脉冲测量光的重复频率为10~100Hz、脉冲宽度为10~20μs，放大后的脉冲测量光的能量为1~2mJ、峰值功率为50~100W；

输出放大后的脉冲测量光，并接收脉冲测量光遇到地面等硬质目标后的散射光；

将参考光束与散射光的干涉信号转化为电信号，对电信号进行采样并转化为数字信号，再从数字信号中提取多普勒频率信息；

基于多普勒频率信息得到第二测量速度。

通过采用脉冲激光作为激光多普勒测速仪的测量光，配合光学天线对测量光束的变换，可以在百米量级至公里量级的距离上对速度进行测量，极大拓展激光多普勒测速仪的工作范围，使激光多普勒测速仪应用在无人机等的低空飞行载体上成为可能，进而利用激光多普勒测速仪提供的高精度速度信息，来提高低空飞行载体的导航定位精度。

实施例2

基于实施例1中的低空飞行载体导航方法，本实施例公开了一种低空飞行载体导航系统。参考图2，该低空飞行载体导航系统包括搭载在低空飞行载体9上的MEMS惯导系统10、激光多普勒测速仪11与导航校正单元，MEMS惯导系统与激光多普勒测速仪通过云台12固定相连，且MEMS惯导系统10的中心与激光多普勒测速仪11的中心位于同一垂线上。导航校正单元则采用实施例1中的低空飞行载体导航方法对低空飞行载体9进行导航定位。其具体实施过程与实施例1相同，因此本实施例中不再对其进行赘述。

参考图3，本实施例中的激光多普勒测速仪具体为全光纤结构的极低重频长脉冲式激光多普勒测速仪，包括单频种子激光器1、光纤分光耦合器2、声光调制器3、光纤放大器4、环形器5、收发一体准直式光学天线6、平衡探测器7与信号处理系统8。单频种子激光器1发出的连续激光通过光纤分光耦合器2后，被分成两束功率不同的激光；一束经耦合器达到平衡探测器7表面，作为系统的参考光束，另一束首先经声光调制器3的调制后，最后经过环形器5、光学天线6输出，作为测量光束；测量光束在空气中传播遇到地面等硬质目标散射，后向散射光沿原路径反向传播进入光学天线6，经由单向传输的环形器5到达平衡探测器，与前述参考光束发生干涉；干涉光信号由平衡探测器7转换为电信号，经过信号处理系统8即可提取出速度信息。

在图2所示的实施例中，单频种子激光器1的激光线宽较窄，通常，以保证输出的测量光束具有较长的相干长度，激光波长为1550nm；经光纤分光耦合器分束得到的参考光束功率为1mW；经声光调制器调制，分光耦合器分束得到的另一束光被调制成为重频100Hz、脉宽10μs的脉冲光；经声光调制器调制得到的脉冲光，通过光纤放大器4的放大，单脉冲能量增大至1mJ，此时脉冲的峰值功率为100W；光学天线体制为收发一体准直式。本实施例中，信号处理系统中的采集卡速率为100MHz，在单脉冲持续时间内的回波电信号中，可以采集1000个数据点，频谱分辨率。如图2所示，假设脉冲光光束与地面的夹角为60°，利用载体速度分辨率与激光载波的多普勒频移分辨率之间的关系，即能解算得到的速度分辨率，即得到实施例1中的第二测量速度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低空飞行载体导航方法，其特征在于，将MEMS惯导系统与激光多普勒测速仪搭载在低空飞行载体上，所述导航方法包括如下步骤：

获取MEMS惯导系统输出的第一测量速度以及激光多普勒测速仪输出的第二测量速度；

以所述第一测量速度与所述第二测量速度之间的差值为观测量，以所述MEMS惯导系统的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移、加速度计零偏以及所述激光多普勒测速仪的比例因子误差、安装误差为状态量，构建卡尔曼滤波器；

基于所述卡尔曼滤波器进行滤波，并利用滤波得到的各状态量的最优估计值对所述MEMS惯导系统、所述激光多普勒测速仪进行补偿校正，提高所述低空飞行载体的定位结果精度；

其中，在所述激光多普勒测速仪测得所述第二测量速度的过程中，将测量光束调制成脉冲测量光，以实现百米量级至公里量级距离上速度的测量。

2.根据权利要求1所述的低空飞行载体导航方法，其特征在于，所述第二测量速度的测量过程为：

对连续激光进行分光处理，得到功率不同的参考光束与测量光束；

将所述测量光束调制成脉冲测量光，并对所述脉冲测量光进行功率放大处理；

输出放大后的所述脉冲测量光，并接收所述脉冲测量光遇到硬质目标后的散射光；

将所述参考光束与所述散射光的干涉信号转化为电信号，对所述电信号进行采样并转化为数字信号，再从所述数字信号中提取多普勒频率信息；

基于所述多普勒频率信息得到所述第二测量速度。

3.根据权利要求2所述的低空飞行载体导航方法，其特征在于，所述脉冲测量光的重复频率为10~100Hz、脉冲宽度为10~20μs。

4.根据权利要求2所述的低空飞行载体导航方法，其特征在于，所述连续激光的线宽小于15kHz、波长为1550nm或532nm。

5.根据权利要求2所述的低空飞行载体导航方法，其特征在于，所述参考光束的功率为1~2mW。

6.根据权利要求2所述的低空飞行载体导航方法，其特征在于，放大后的所述脉冲测量光的能量为1~2mJ、峰值功率为50~100W。

7.根据权利要求1至6任一项所述的低空飞行载体导航方法，其特征在于，所述MEMS惯导系统与所述激光多普勒测速仪通过云台固定相连，且所述MEMS惯导系统的中心与所述激光多普勒测速仪的中心位于同一垂线上。

8.一种低空飞行载体导航系统，其特征在于，包括搭载在低空飞行载体上的：

MEMS惯导系统；

激光多普勒测速仪，所述激光多普勒测速仪与所述MEMS惯导系统通过云台固定相连，且所述MEMS惯导系统的中心与所述激光多普勒测速仪的中心位于同一垂线上；

导航校正单元，用于采用权利要求1至7任一项所述的方法对所述低空飞行载体进行导航定位。

9.根据权利要求8所述的低空飞行载体导航系统，其特征在于，所述激光多普勒测速仪包括：

单频种子激光器，用于输出连续激光；

分光器，位于所述单频种子激光器的输出光路上，用于将所述连续激光分为功率不同的参考光束与测量光束；

声光调制器，位于所述测量光束的光路上，用于将所述测量光束调制成脉冲测量光；

功率放大器，位于所述脉冲测量光的光路上，用于放大所述脉冲测量光的功率；

光学天线，位于所述功率放大器的输出光路上，用于输出所述脉冲测量光，并接收所述脉冲测量光的散射光；

光电探测器，位于所述参考光束、所述散射光的光路上，用于将所述参考光束与所述散射光的干涉光信号转化为电信号；

信号处理系统，与所述光电探测器电连接，用于对所述电信号进行采样并转化为数字信号后从所述数字信号中提取与速度相关的多普勒频率信息，再基于所述多普勒频率信息得到第二测量速度。

10.根据权利要求9所述的低空飞行载体导航系统，其特征在于，所述激光多普勒测速仪还包括光环形器，所述光环形器上具有第一端口、第二端口与第三端口；

所述第一端口与所述功率放大器的输出端通过光纤相连，所述第二端口与所述光学天线通过光纤相连，所述第三端口与所述光电探测器通过光纤相连。

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