[发明专利]一种抗GPS失效固定翼无人机定向方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种抗GPS失效固定翼无人机定向方法，该方法以低成本惯性测量单元和三轴正交磁传感器为定向定姿传感器，采用双滤波器信息融合的思路，为固定翼无人机在GPS失效情况提供可信的定向定姿信息。本发明可用于任何包含GPS、惯性测量单元和三轴磁传感器的固定翼无人机导航系统中。

背景技术

GPS是固定翼无人机的重要导航设备，不仅提供固定翼无人机位置和速度信息，而且还与惯性测量单元信息融合提供固定翼无人机航向和姿态信息。但以无线电测距测速为主要技术特征的GPS难以避免受到大气不稳定、信号传输遮挡、多径干扰等诸多随机因素的影响，可靠性和精度常常降低甚至于失效。定位测速信息不准确必然影响GPS+惯性测量单元融合定向定姿的精度，而定向定姿精度和可靠性直接关系无人机飞行控制安全。因此开发抗GPS失效的定向定姿方法成为提高固定翼无人机可靠性的必要途径。

固定翼无人机除了GPS一般还安装惯性测量单元和三轴磁传感器两类导航设备。惯性测量单元中的陀螺获取三维角速度信息，惯性测量单元中的加速度计获取三维加速度信息；三轴磁传感器感测地磁场在三维方向的投影分量。但目前两类导航设备分立工作，在GPS失效情况下惯性测量单元误差因缺乏校正信息而随时间快速积累，无法提供可信的航向姿态；三轴磁传感器也因为缺乏可信的姿态信息而无法给出有效的磁航向。本发明针对惯性测量单元和三轴磁传感器分立工作的问题，提出采用基于固定翼无人机运动特性的双Kalman滤波器信息融合方法，在GPS失效情况下依然能够校正惯性测量单元误差，使其提供可信的姿态，同时支持三轴磁传感器给出有效的磁航向。满足固定翼无人机安全飞行控制的需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种抗GPS失效固定翼无人机定向方法。

本发明的技术解决方案为：一种抗GPS失效固定翼无人机定向方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)基于GPS收星数量、速度精度和位置精度，固定翼无人机飞行期间不断检测GPS是否失效，若GPS未失效，继续正常的导航程序；若GPS失效，进入GPS失效定向定姿工作模式。

(2)GPS失效后立即以GPS有效期间导航数据确定GPS失效定向定姿工作模式初始状态，保证固定翼无人机在GPS失效前后导航数据连续性。

(3)在每个计算周期，首先利用惯性测量单元提供的三维正交角速度和加速度测量数据，经过捷联导航算法，实时更新当前固定翼无人机航向姿态、速度和位置。

(4)根据固定翼无人机当前运动特性判断采取不同的信息融合方法，主要考虑固定翼无人机三轴运动加速度的大小：运动加速度超过设定门限值则认为固定翼无人机运动属于大机动情况，反之则认为固定翼无人机处于静止或者低动态情况。

(5)如果固定翼无人机静止或者低动态机动情况，以三轴磁传感器和三轴加速度计数据为基础，采用优化搜索的方式确定航向姿态最优四元数，以该最优四元数为观测量，构建四维观测量Kalman滤波器模型。

(6)如果固定翼无人机做大机动，以三轴磁传感器为观测量，构建三维观测量Kalman滤波器模型。

(7)用两种Kalman滤波器状态变量估计值校正惯性测量单元的器件误差和导航误差。

(8)上述步骤迭代重复计算。

本发明的原理是：GPS在固定翼无人机中发挥的作用包括直接提供位置、速度信息，间接与惯性测量单元信息融合提供航向姿态信息。当GPS失效后惯性测量单元独立工作，误差随时间快速积累，无法提供可信的航向姿态信息。本发明利用了GPS和惯性测量单元之外的运动传感器——三轴磁传感器，感测地球磁场作为观测量，通过信息融合滤波器为惯性测量单元提供了误差抑制的途径。信息融合滤波器的具体形式随着固定翼无人机的运动特性而变化，固定翼无人机静止或者低动态机动情况下以三轴磁传感器和三轴加速度计数据为基础确定航向姿态最优四元数，采用最优四元数为观测值进行Kalman滤波；固定翼无人机大机动情况下采用三轴磁传感器测量数据为观测值进行Kalman滤波；依据Kalman滤波结果校正惯性测量单元误差，更新导航数据和滤波器参数。实现在GPS失效情况下定向和定姿功能。