基于北斗导航的无人机航路设计.doc

1、本科生毕业论文(设计)基于北斗导航的无人机航路院系名称姓名学号专业指导教师 年4月20日23摘要摘要 北斗卫星导航系统，是我国自主研发的卫星导航定位系统。其在无人机(UAV ，Unmnanned Aerial Vehiele)上的导航及航路的研究与应用，提高了无人机导航系统的安全度、精确度、可靠度、自主性以及机动能力等。并对北斗卫星导航系统进一步完善在无人机（UAV）的应用提出了建议。【关键词】卫星导航定位；北斗；无人机；航路；作用AbstractBeidou satellite navigation system, is the independent research and develo

2、pment of satellite navigation and positioning system in our country. In unmanned aerial vehicle (UAV) navigation and route of the research and application, improve the safety of the unmanned aerial vehicle (UAV) navigation system. The accuracy, reliability, autonomy and mobility, etc. And the beidou

3、 satellite navigation system to further improve in the application of the unmanned aerial vehicle (UAV) are proposed.Key Words: seatlliet navigation position ,BeiDou ,UAV , typical application framework , function目录2 北斗导航系统应用12.1 北斗导航系统简介12.1.1 北斗导航系统发展12.1.2 北斗系统的构成12.1.3 北斗导航系统定位原理22.1.4测码伪距测量32.1

4、.5载波相位测量53 基于北斗导航的无人机定位基本原理及其定位模73.1 无人机73.1.1 无人机系统73.1.2 地形障碍和禁飞区模型83.1.3 雷达威胁93.1.4天气威胁103.2 无人机性能约束113.2.1 最小航迹段长度113.2.2 最大航迹长度113.2.3 最低飞行高度123.2.4 最大拐弯角和最大俯仰角124 基于北斗导航的无人机航路测量144.1 基本原理144.1.1测量原理144.1.2测量分析144.2 航路规划的基本方法164.2.1 PRM 算法基本思想164.2.2 飞行路线图构造174.2.3 将起始点和结束点连入地图194.2.4 在飞行路线图中搜索

5、一条可行航迹205总结与展望21参考文献22致 谢231 引言无人机（UAV）于1917年诞生于美国，而其在诞生后的很长一段时间都主要作为靶机使用，在其他方面的发展和使用都很有限。而无人机近些年来的快速发展得益于美国在越南战争、海湾战争和以色列在中东战争中的使用。另外无人机在民用方面的应用也非常广泛。无人机的快速发展离不开另一项技术的支持，那就是卫星定位导航技术。它具有全天候、全球性、连续性、可靠性的精确三位定位功能，而且还能实时的对运动的载体进行测速和姿态的测定以及进行精密授时。而无人机在卫星导航下执行任务的时候必须预先设定好航路，无人机航路的规划是其执行任务成败2 北斗导航系统应用2.1

6、北斗导航系统简介北斗导航系统（BDS）是我国自主研发、独立筹建的全球卫星导航定位系统，目前正在组网中。其建设的目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠、高精确度安全的可覆盖全球的卫星导航定位系统，加速卫星导航产业发展，促进完善卫星导航产业的推广，使北斗卫星导航定位系统成为卫星导航产业的主导推动在国民经济社会各行业的应用，保障国家安全。 2.1.1 北斗导航系统发展北斗计划最早是由陈允芳院士在1983年提出的，到目前北斗系统的发展经历了“北斗一代”和“北斗二代”。 中国第二代卫星导航系统在2007年开始建设，人们称之为“北斗二代”。“北斗二代”卫星导航系统是用户自主完成非询问应答式连续

7、高进度定时、空间定位及运动速度矢量确定的无线电定位系统（RNSS）,不同于“北斗一代”的有源导航，可为用户带来极大的安全。该卫星提供两种服务方式，及开放服务和授权服务。开放服务是在服务区内免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10m,授时精度50ns，测速精度0.2m/s。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务。 2.1.2 北斗系统的构成北斗卫星导航系统由空间部分、地面部分、用户部分三部分组成。空间段由5颗静止轨道(GEO)卫星和30颗非静止轨道卫星组成，其中30颗非静止轨道卫星可细分为27颗中地球轨道(MEO)卫星和3颗斜同步（IGSO）卫星。北斗卫星导航系统如图2-1

8、所示 图2-1北斗卫星导航系示意图地面段由主控站、监测站和注入站组成。主控站主要负责管理协调整个地面控制系统的工作，处理每个监测站的监测数据，生成导航定位信息和导航电文。注入站是地面天线和通讯辅助系统，负责在星地间传送主控站的指令数据和卫星的遥测数据。用户段就是用户终端，北斗卫星导航系统的用户终端有多种类型，有用于航空、航天、航海及普通人们使用的机载和车载的终端，也有用于测定方位的测量终端等。2.1.3 北斗导航系统定位原理 导航是指运动的载体从起始位置正确引导到目的地的方法和技术，所用到的基本参数称为导航参数，包括载体的实时位置、速度和姿态等信息。 卫星导航的原理是基于运行在指定轨道上的导航

9、卫星，在卫星钟的控制下，连续不断发射无线电导航信号，用户接收机接收的卫星导航信号至少是4颗卫星所发出的导航信号，恢复出导航测距码，与载体所在地的时钟推动的测距码比较，完成用户对每颗卫星的伪距测量；并从导航信号中解调出卫星星历，从而得到卫星位置，用户接收机根据已知的卫星位置和测得的至少四个伪距，建立定位方程，由接收机自行解算用户的位置。如图2-2图2-2 BDS导航定位基本原理图假设t时刻在地面待测点上安置BDS接收机,可以测定BDS信号到达接收机的时间t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式: 上述四个方程式中待测点坐标X、Y、Z和Vt0为未知参数,四个方程式中各个参

10、数意义如下:i,(i=l、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。c为BDS信号的传播速度(即光速)。X、Y、Z为待测点坐标的空间直角坐标。Xi、Yi、Zi(i=l、2、3、4)分别为卫星l、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标,可由卫星导航电文求得。Vti (i=l、2、3、4)分别为卫星l、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差,由卫星星历提供。Vt0为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标X、Y、Z和接收机的钟差Vt0。根据测距的原理,其定位原理与方法主要有伪距法定位,载波相位法测量定位以及差分BDS定位等。对于待定点来说,根据其运动状态可以

11、将BDS定位分为静态定位和动态定位。2.1.4测码伪距测量伪距定位法是由BDS接收机在某一时刻测出得到四颗以上BDS卫星的伪距以及己知的卫星位置,采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达BDS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟,实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定的差值,因此一般称量测出的距离为伪距。因其具有定位速度快,且无多值性问题等优点,仍然是卫星定位系统进行导航的最基本的方法。定义各个参数意义如表2-1所示:表2-1 参数意义参数含义c光速，常量，c=2.99

12、792458108m/stj卫星Sj发射信号历元的BDS标准时ti观测站Ti接收到卫星发射信号历元的BDS标准时tj卫星Sj发射信号历元的星钟钟面时刻ti观测站Ti收到卫星发射信号历元的站钟钟面时刻tij忽略大气折射影响，tj时刻卫星Sj的发射信号于站钟ti时刻到达观测站Ti的传播时间tj卫星Sj的星钟相对于BDS标准时的时间误差ti观测站Ti的站钟相对于BDS标准时的时间误差tij观测站Ti的站钟相对于卫星Sj的星钟之间的种差 根据表2-1的定义，则有 （2.1） （2.2）式中： ；为站钟相对于星钟的种差。设由卫星SJ到观测站TI的几何距离为RJI相应的伪距为,在忽略大气层折射影响的条件下,由上式可得: （2.3）式中: , 为光速当卫星的星钟与接收机的站钟严格同步时,则有,则按(2.4)式所确定的伪距,即为卫星到观测站之间的几何距离。由于卫星绕着椭圆轨道不停地运转,卫星与观测站之间的距离是在不断地变化的时间的函数,而卫星信号的发射历元与该信号的被接收历元又不在同一时刻,为了统一计算的时间标准,可将(2.4)式近似地写成为已知站钟观测时刻的函数 (2.4)式中: 为于观测历元 (站钟时刻),由卫星到观测站的测码伪距;为于观测历元由卫星到观