CN117705116A - 一种无人机激光导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机激光导航系统及方法，其中，无人机激光导航系统包括高空飞行器和无人机及无人机群；所述高空飞行器用于获取目标信息，并根据所述目标信息向所述无人机及无人机群发射编码激光导航信号，其中，所述编码激光导航信号包括给所述无人机及无人机群的功能指令；所述无人机及无人机群用于接收所述编码激光导航信号，并根据所述编码激光导航信号执行所述高空飞行器下达的功能指令。本发明能够通过高空飞行器对无人机及无人机群进行导航，使无人机及无人机群在卫星信号的拒止区域也能完成执行任务。

Description

一种无人机激光导航系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机激光导航系统及方法。

背景技术

目前，无人机导航主要依靠惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)，其测量单元为惯性传感器(Inertial Measurement Unit，IMU)，以及全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)如美国GPS，中国北斗等导航方式。然而，GNSS卫星信号落地功率仅-130dbm，频段公开，极易被干扰，并不可靠。当GNSS信号被干扰时，利用IMU进行航位推算的结果会随着时间的推移，误差累计严重，将导致无人机无法完成预定任务，甚至难以返航。因此在高山峡谷、作战敌方干扰区等卫星信号的拒止区域如何对无人机导航并完成无人机的执行任务，是一个迫切的挑战。

因此，发明人提供了一种无人机激光导航系统及方法。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种无人机激光导航系统及方法，要解决的技术问题是：在卫星信号的拒止区域难以对无人机导航并完成无人机的执行任务。

(2)技术方案

第一方面，本发明实施例提供了一种无人机激光导航系统，包括高空飞行器和无人机及无人机群；所述高空飞行器用于获取目标信息，并根据所述目标信息向所述无人机及无人机群发射编码激光导航信号，其中，所述编码激光导航信号包括给所述无人机及无人机群的功能指令；所述无人机及无人机群用于接收所述编码激光导航信号，并根据所述编码激光导航信号执行所述高空飞行器下达的功能指令。

在其中一个实施例中，所述高空飞行器包括激光吊舱，所述激光吊舱包括可见光/红外跟踪瞄准系统和束散角可变的激光发射系统；所述可见光/红外跟踪瞄准系统用于获取所述目标信息；所述激光发射系统用于向所述无人机及无人机群发射所述编码激光导航信号。

在其中一个实施例中，所述无人机及无人机群包括激光信号接收器，所述激光信号接收器用于接收所述编码激光导航信号。

在其中一个实施例中，所述激光信号接收器为热敏能量计或光电池，表层镀有所述高空飞行器对应波长的窄带增透膜。

在其中一个实施例中，所述目标信息包括目标相对所述无人机及无人机群的距离、方位以及俯仰。

在其中一个实施例中，所述高空飞行器还包括机载雷达，所述机载雷达用于获取所述目标信息_。

第二方面，本发明实施例提供了一种无人机激光导航方法，应用于如上所述的无人机激光导航系统，包括：

高空飞行器获取目标信息，并根据所述目标信息向无人机及无人机群发射编码激光导航信号，其中，所述编码激光导航信号包括给所述无人机及无人机群的功能指令；

无人机及无人机群接收所述编码激光导航信号，并根据所述编码激光导航信号执行所述高空飞行器下达的功能指令；

所述高空飞行器持续向所述无人机及无人机群发射编码激光导航信号并引导所述无人机及无人机群。

在其中一个实施例中，所述无人机激光导航方法，还包括：

所述高空飞行器向目标投射指示激光；

所述无人机及无人机群接受并执行所述高空飞行器下达的指令，也可依靠无人机自身携带的相机进行视觉导航辅助。

在其中一个实施例中，所述无人机激光导航方法，还包括：

通过多个所述高空飞行器形成主从自动协同导航系统；

所述主从自动协同导航系统中主机向从机发射编码激光导航信号，从机根据所述编码激光导航信号进行视觉跟踪实现导航。

(3)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

1)本发明提供的无人机激光导航系统，工作范围可达数十千米，采用单向信息传递，即便被截获，也难以对无人机及无人机群实施诱骗干扰。

2)本发明提供的无人机激光导航系统，采用编码激光方案，无人机及无人机群通过判断接受到的激光能量在时域内的相对强弱信息，实现解码，不受大气传输损耗、接受激光能量的绝对值大小的影响。

3)本发明提供的无人机激光导航系统，对于打击行进间的高重大价值目标具有显著的优势：当高重大价值目标在GNSS的拒止区域内行进，超出无人机及无人机群视距范围时，无人机及无人机群自带相机和传统导航方式无法实现目标方位获取，本发明提供的无人机激光导航系统可以通过高空飞行器指挥，实现远距离可信引导，当高重大价值目标处于运动状态，且在无人机及无人机群视野之外时，本发明提供的无人机激光导航系统具备优越性。

4)传统的高空指挥，多采用激光照射器方式实现引导，即投射一道激光在高重大价值目标上，并随着目标的移动而移动。此种激光照射指示方式，受无人机及无人机群速度限制，长时间照射会引起目标的警觉，提前暴露无人机及无人机群位置，并采用对应的防御方案，导致无人机及无人机群进攻失效。本发明提供的无人机激光导航系统由于编码激光的半径可调，只覆盖无人机及无人机群包络圆，高重大价值目标难以提前发觉。

5)传统的光电干扰系统，多为地面激光干扰机，以干扰无人机的腹部和侧部的光电传感器为主。本发明提供的无人机激光导航系统的无人机及无人机群的激光传感器安装在机背上，机腹没有相应的设备，难以被光电干扰系统破坏。

可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明提供的无人机激光导航系统的示意图；

图2为本发明提供的高空飞行器的示意图；

图3为本发明提供的无人机的示意图；

图4为本发明提供的无人机激光导航方法的流程示意图；

图5为本发明提供的无人机激光导航方法的第一种应用示意图；

图6为本发明提供的无人机激光导航方法的第二种应用示意图；

图7为本发明提供的无人机激光导航方法的第三种应用示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、设备、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

应当理解，当在本发明说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本发明说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本发明的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。

目前，无人机导航主要依靠惯性导航系统(INS，其测量单元为IMU)和全球导航卫星系统(GNSS，主要为美国GPS，中国北斗)等导航方式。然而，GNSS卫星信号落地功率仅-130dbm，频段公开，极易被干扰，并不可靠。当GNSS信号被干扰时，利用IMU进行航位推算的结果会随着时间的推移，误差累计严重，将导致无人机无法完成预定任务，甚至难以返航。因此在高山峡谷、作战敌方干扰区等卫星信号的拒止区域如何对无人机导航并完成无人机的执行任务，是一个迫切的挑战。美国于2014年开始发展多项不依赖于GPS的导航技术，包括视觉导航、地形匹配、超声/激光测距、激光雷达、磁力计等方式。

如下表所示，为现阶段无人机导航的主要方式：

激光视觉惯性测距和测绘(VLOAM)即利用上述传感器和导航方式的组合，其存在成本高、无人机载荷能力局限、无人机载控制器的计算能力不足、航拍图像的定位精度等多项挑战问题。

针对现阶段在卫星信号的拒止区域难以对无人机导航并完成无人机的执行任务的问题，本发明实施例提供了一种无人机激光导航系统，该系统包括高空飞行器和无人机及无人机群；所述高空飞行器用于获取目标信息，并根据所述目标信息向所述无人机及无人机群发射编码激光导航信号，其中，所述编码激光导航信号包括给所述无人机及无人机群的功能指令；所述无人机及无人机群用于接收所述编码激光导航信号，并根据所述编码激光导航信号执行所述高空飞行器下达的功能指令。该系统能够通过高空飞行器对无人机及无人机群进行导航，使无人机及无人机群在卫星信号的拒止区域也能完成执行任务。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例提供的无人机激光导航系统，包括高空飞行器和无人机及无人机群；所述高空飞行器用于获取目标信息，并根据所述目标信息向所述无人机及无人机群发射编码激光导航信号，其中，所述编码激光导航信号包括给所述无人机及无人机群的功能指令；所述无人机及无人机群用于接收所述编码激光导航信号，并根据所述编码激光导航信号执行所述高空飞行器下达的功能指令。

在一个实施例中，如图2所示，所述高空飞行器包括激光吊舱，所述激光吊舱包括可见光/红外跟踪瞄准系统和束散角可变的激光发射系统；所述可见光/红外跟踪瞄准系统用于获取所述目标信息；所述激光发射系统用于向所述无人机及无人机群发射所述编码激光导航信号。

在一个实施例中，如图3所示，所述无人机及无人机群包括激光信号接收器，所述激光信号接收器用于接收所述编码激光导航信号。

在一个实施例中，所述激光信号接收器为热敏能量计或光电池，表层镀有所述高空飞行器对应波长的窄带增透膜。

在一个实施例中，所述目标信息包括目标相对所述无人机及无人机群的距离、方位以及俯仰。

在一个实施例中，如图2所示，所述高空飞行器还包括机载雷达，所述机载雷达用于获取所述目标信息。

在应用中，上述无人机激光导航系统可应用于编组式攻击性小型无人机群即“蜂群”无人机，通过具备卫星通信和主动发现能力的高空飞行器即指挥机发射编码激光导航信号，解决卫星信号拒止区域、以及超视距——作战半径区间，无人机及无人机群的导航问题，尤其是拟攻击行进目标时的无人机导航和路径规划问题。

无人机激光导航系统包括高空飞行器和无人机及无人机群，高空飞行器用作发射系统，可以选用飞艇或中高空长航时察打一体无人机，具备机载雷达、可见光/红外跟踪瞄准系统以及束散角可变的激光发射系统。高空飞行器既可以位于卫星信号的拒止区域外，通过卫星将目标信号中继给无人机及无人机群，也可以位于卫星信号的拒止区域内，通过自带搜索跟踪系统如可见光/红外跟踪瞄准系统，主动发现拟攻击目标，并计算得知目标与无人机及无人机群的相对位置，之后高空飞行器对无人机及无人机群广播发射经调制的编码激光导航信号，其中，编码激光导航信号包括给无人机及无人机群的功能指令，如加速，减速，调头，返航，攻击等多种指令。

现阶段编码激光的重复频率可以达到数十到百Hz量级，激光波长可选择近红外波段如1.06μm，1.55μm，编码为16字节，包含目标信息，如目标相对于无人机及无人机群的距离、方位、俯仰等参数。上述目标信息由高空飞行器计算得出，通过编码激光导航信号以广播方式报送给无人机及无人机群。各无人机通过自身的激光信号接收器及转换器接收到信号，根据编码激光导航信号执行高空飞行器下达的功能指令。下表是一种可选的编码激光方案：

在高空飞行器指挥无人机及无人机群的过程中，其激光吊舱只需要对无人机及无人机群实现角速度匹配即可，一个可选的方案如下：

现阶段的激光吊舱，动对动跟踪精度可以做到小于10μrad(1.1×10-3deg)，完全有能力实现对无人机及无人机群的稳定跟踪。下表是高空飞行器的一种可选的激光功率计算：

无人机及无人机群作为接受系统，各单体无人机背部具备简易的激光信号接收器及转换器，该激光信号接收器可以是热敏能量计，也可以是光电池，表层镀有高空飞行器对应波长的窄带增透膜，通过上表估算的激光功率来看，可以产生激光信号响应。无人机及无人机群通过分析接受到的编码激光导航信号，结合自身传感器实现导航。无人机群可以为2架，也可以为数十架，受高空飞行器的统一指令行动。

由上可知，高空飞行器向无人机及无人机群发送编码激光导航信号的周期约为1s，考虑到无人机及无人机群的飞行速度在10～20m/s量级，当无人机及无人机群接近目标时，上述激光导航时延带来的误差不可忽略。此时需要各无人机通过自身携带的相机进行视觉导航辅助，或者由高空飞行器向目标投射指示激光，从而实现<1m级的导航精度。

本发明实施例提供的无人机激光导航系统，工作范围可达数十千米，采用单向信息传递，即便被截获，也难以对无人机及无人机群实施诱骗干扰。本发明实施例提供的无人机激光导航系统采用编码激光方案，无人机及无人机群通过判断接受到的激光能量在时域内的相对强弱信息，实现解码，不受大气传输损耗、接受激光能量的绝对值大小的影响。本发明实施例提供的无人机激光导航系统对于打击行进间的高重大价值目标具有显著的优势：当高重大价值目标在GNSS的拒止区域内行进，超出无人机及无人机群视距范围时，无人机及无人机群自带相机和传统导航方式无法实现目标方位获取，本发明实施例提供的无人机激光导航系统可以通过高空飞行器指挥，实现远距离可信引导，当高重大价值目标处于运动状态，且在无人机及无人机群视野之外时，本发明实施例提供的无人机激光导航系统具备优越性。

传统的高空指挥，多采用激光照射器方式实现引导，即投射一道激光在高重大价值目标上，并随着目标的移动而移动。此种激光照射指示方式，受无人机及无人机群速度限制，长时间照射会引起目标的警觉，提前暴露无人机及无人机群位置，并采用对应的防御方案，导致无人机及无人机群进攻失效。本发明实施例提供的无人机激光导航系统由于编码激光的半径可调，只覆盖无人机及无人机群包络圆，高重大价值目标难以提前发觉。传统的光电干扰系统，多为地面激光干扰机，以干扰无人机的腹部和侧部的光电传感器为主，本发明实施例提供的无人机激光导航系统的无人机及无人机群的激光传感器安装在机背上，机腹没有相应的设备，难以被光电干扰系统破坏。本发明实施例对无人机的需求体积小、成本低廉，可全天时、全天候工作，操作员可以同时控制多台无人机，不依赖于GPS等信号，可降低被截获概率，并有助于对抗强电磁干扰、电磁压制等电子干扰。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

如图4所示，本实施例还提供了一种无人机激光导航方法，应用于上文实施例所述的无人机激光导航系统，包括：

S100、高空飞行器获取目标信息，并根据所述目标信息向无人机及无人机群发射编码激光导航信号。其中，所述编码激光导航信号包括给所述无人机及无人机群的功能指令。

S200、无人机及无人机群接收所述编码激光导航信号，并根据所述编码激光导航信号执行所述高空飞行器下达的功能指令。

S300、所述高空飞行器持续向所述无人机及无人机群发射编码激光导航信号并引导所述无人机及无人机群。

在一个实施例中，所述无人机激光导航方法，还包括：所述高空飞行器向目标投射指示激光；所述无人机及无人机群接受并执行所述高空飞行器下达的指令，也可依靠无人机自身携带的相机进行视觉导航辅助。

在一个实施例中，所述无人机激光导航方法，还包括：通过多个所述高空飞行器形成主从自动协同导航系统；所述主从自动协同导航系统中主机向从机发射编码激光导航信号，从机根据所述编码激光导航信号进行视觉跟踪实现导航。

在应用中，如图5所示，为本发明提供的无人机激光导航方法的一种应用示意图。其中，高空飞行器通过自身主动发现或与卫星通信，接受命令并锁定地面高价值目标。高空飞行器通过调整激光束散角，使得光斑能够覆盖无人机及无人机群，并发射一束经调制的编码激光导航信号。无人机及无人机群接收到信号后向地面目标飞行，高空飞行器通过可见光/红外跟踪瞄准系统，持续照射并引导无人机及无人机群。无人机及无人机群进入作战半径后，通过自身携带的相机进行视觉导航辅助，或者高空飞行器向目标投射出指向激光，使得无人机群中各单体无人机同时向地面目标发起攻击。

如图6所示，为本发明提供的无人机激光导航方法的另一种应用示意图。其中，高空飞行器通过机载雷达发现目标正在低空突防，分析出目标的前进路径。高空飞行器通过调整激光束散角，使得光斑能够覆盖无人机及无人机群，并发射一束经调制的编码激光导航信号。无人机及无人机群接收到信号后向目标飞行并调整拦截方向，高空飞行器通过可见光/红外跟踪瞄准系统，持续照射并引导无人机及无人机群。无人机及无人机群进入作战距离后，各单体无人机通过自身携带的相机进行视觉导航，向目标发起攻击。

如图7所示，为本发明提供的无人机激光导航方法的另一种应用示意图。其中，主机即激光导航机A通过与卫星通信，接受指令，并发射经调制的编码激光导航信号给两个从机即友机C和友机D，两个从机接收到信号后与主机形成主从自动协同导航系统。主机通过可见光/红外跟踪瞄准系统，分时照射并持续引导两个从机，两个从机根据编码激光导航信号执行主机下达的指令，也可进行视觉跟踪主机，实现导航。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的设备及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无人机激光导航系统，其特征在于，包括高空飞行器和无人机及无人机群；所述高空飞行器用于获取目标信息，并根据所述目标信息向所述无人机及无人机群发射编码激光导航信号，其中，所述编码激光导航信号包括给所述无人机及无人机群的功能指令；所述无人机及无人机群用于接收所述编码激光导航信号，并根据所述编码激光导航信号执行所述高空飞行器下达的功能指令。

2.如权利要求1所述的无人机激光导航系统，其特征在于，所述高空飞行器包括激光吊舱，所述激光吊舱包括可见光/红外跟踪瞄准系统和束散角可变的激光发射系统；所述可见光/红外跟踪瞄准系统用于获取所述目标信息；所述激光发射系统用于向所述无人机及无人机群发射所述编码激光导航信号。

3.如权利要求1所述的无人机激光导航系统，其特征在于，所述无人机及无人机群包括激光信号接收器，所述激光信号接收器用于接收所述编码激光导航信号。

4.如权利要求3所述的无人机激光导航系统，其特征在于，所述激光信号接收器为热敏能量计或光电池，表层镀有所述高空飞行器对应波长的窄带增透膜。

5.如权利要求1所述的无人机激光导航系统，其特征在于，所述目标信息包括目标相对所述无人机及无人机群的距离、方位以及俯仰。

6.如权利要求1所述的无人机激光导航系统，其特征在于，所述高空飞行器还包括机载雷达，所述机载雷达用于获取所述目标信息_。

7.一种无人机激光导航方法，其特征在于，应用于如权利要求1至6任一项所述的无人机激光导航系统，包括：

高空飞行器获取目标信息，并根据所述目标信息向无人机及无人机群发射编码激光导航信号，其中，所述编码激光导航信号包括给所述无人机及无人机群的功能指令；

无人机及无人机群接收所述编码激光导航信号，并根据所述编码激光导航信号执行所述高空飞行器下达的功能指令；

所述高空飞行器持续向所述无人机及无人机群发射编码激光导航信号并引导所述无人机及无人机群。

8.如权利要求7所述的无人机激光导航方法，其特征在于，还包括：

所述高空飞行器向目标投射指示激光；

所述无人机及无人机群接受并执行所述高空飞行器下达的指令，也可依靠无人机自身携带的相机进行视觉导航辅助。

9.如权利要求7所述的无人机激光导航方法，其特征在于，还包括：

通过多个所述高空飞行器形成主从自动协同导航系统；

所述主从自动协同导航系统中主机向从机发射编码激光导航信号，从机根据所述编码激光导航信号进行视觉跟踪实现导航。