导航、制导与控制是无人机的基本概念。
1. 基本概念
导航(Navigation)就是确定飞行器的位置、航向和速度等信息,解决飞行器的精确定位问题,即“我在哪儿”;
制导(Guidance)就是给出飞行器的飞行指令,解决飞行方向问题,即“我要去哪儿”;
控制(Guidance)就是根据飞行指令控制飞行器按照期望的姿态和轨迹飞行,解决飞行器的稳定和操纵问题,即“我如何去那儿”。
2. 导航的分类
1. 惯性导航
惯性导航依靠加速度计测量载体在3个轴向的加速度,经积分运算得出载体的瞬时速度和位置。有平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统两类
- 平台式惯导系统将惯性测量装置安装在惯性平台的台体上,这样使得惯性平台能够隔离载体的角振动
优点:精度高、计算量小、容易补偿
缺点:结构复杂、尺寸大、价格昂贵 - 捷联式惯导系统没有实体平台,把加速度计(测量三轴加速度)、陀螺仪(敏感轴与机体固联,位置陀螺仪利用定轴性测量姿态角,速率陀螺仪利用进动性测量瞬时角速度)直接安装在无人机机体上,导航计算机把二者的输出从机体坐标系变换到惯性坐标系,并进行重力加速度的补偿,来计算出机体相对于惯性坐标系的运动参数
优点:导航计算机代替了陀螺稳定平台的功能,结构简单、体积小、重量轻、成本低、可靠性高、维护方便
2. 卫星导航
目前世界上能够使用的导航技术有:美国GPS系统,俄罗斯GOLLAS系统,中国北斗导航系统,欧洲伽利略导航系统
以GPS系统为例,其分为3部分:空间卫星部分、地面监控部分、用户接收机部分。空间卫星有24颗,分布在6个轨道面内,保证地球任何位置和时间至少同时观测到4颗卫星。用户终端接收卫星发射的无线电信号(编码方式有民用的CA码,精度约20m;军用的P码,精度约2m),获得必要的定位信息和观测量,以完成定位工作。GPS接收机通过对信号码的量测,可得到卫星接收机的伪距。
优点:全球性、全天候、实时性、高精度
缺点:不适用于机动性高的场合、易受干扰
3. 天文导航
利用对指定星体的观测和星体在天空中的固有运动规律提供的信息来确定飞行器在空间运动参数
受气象条件影响较大,常与其他导航方式配合使用
4. 多普勒导航
多普勒效应:当声源离观测者而去时,声波的波长增加,音调变得低沉,当声源接近观测者时,声波的波长减小,音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关,这一比值越大,改变就越显著
根据多普勒雷达提供的地速和偏流角数据,以及磁罗盘或陀螺仪表提供的航向数据,计算出飞机飞过的路程
5. 组合导航
GPS/惯导、惯导/多普勒……
3. 制导的分类
1. 自主制导
飞行器在飞行中,仅根据预先装定的目标信息和自身设备获得的导航信息,自主计算出制导信号
分类:程序制导、卫星制导、惯性制导、地图匹配制导、天文制导等
2. 遥控制导
由地面指导站(制导雷达)通过遥控链路向飞行器发出制导信息/飞行指令来控制飞机飞行
分类:遥控指令制导、驾束制导
3. 寻的制导
利用装载在飞行器上的导引头(寻的器)接收目标辐射或反射的某种特征能量,确定目标和飞行器的相对位置
4. 复合制导
综合以上两种或三种方式,分阶段或分部分进行制导