1.2 飞机导航方法概述

知识储备：

1. 导航（navigation)就是引导航行的简称，指将载体从一个位置引导到另一个位置的过程。

2. 能够向航行体的操纵者或控制系统提供航行体的位置、速度、航向、姿态等即时运动状态的系统称为导航系统。

3. 导航系统的分类：根据获得导航参数的手段，可以大致分为自主式和非自主式两大类。

自主式导航：不依靠外界信息，在不与外界发生联系的条件下独立完成导航或制导任务。

非自主式导航：必须有地面设备或依靠其它装置才能完成导航和制导任务。

特点：

自主式导航：安全隐蔽性好，适用于军用飞机。

非自主式导航：要依照外部目标和接收外部信息来确定飞机位置，适用于民航飞机。如无线电导航、天文导航和卫星导航。

1.2.1 无线电导航

利用无线电波在均匀介质和自由空间直线传播及恒速两大特性，进行引导航行的一种方法。

可以分为两种定位方式：一种是通过设置在飞机和地面上的收发设备，测量飞机相对地面台的距离、距离差或相位差定位。另一种是通过机上接收系统，接收地面台站发射的无线电信号，测量飞机相对于已知地面台的方位角来定位。

特点：

优点：精度较高

缺点：工作时必须有地面台配合，电波易受干扰，同时容易暴露自身。在军事上非常致命。

1.2.2 多普勒雷达导航

定义：利用随飞机速度变化，在发射波和反射波之间产生的频率差即多普勒频移的大小，来测量飞机相对地面的速度，进而完成导航任务的一种方法。

借助机上航向系统输出航向角，将地速分解成沿地理北向和东向的速度分量，进而确定两个方向的距离变化及经、纬度大小，也就确定了飞机位置。

特点：

优点：无需地面台，因而是主动式，自主性强。

缺点：工作时必须发射电波，容易受干扰和暴露自己。此外，定位精度与反射面形状有密切关系。

1.2.3 卫星导航

定义：利用无线电波传播的直线性和等速性实施测距定位，以及利用载体与卫星之间的多普勒频移进行的导航方法。

组成：卫星导航由导航卫星、地面站和用户设备三大部分组成。

特点：

优点：导航精度很高，适用于全球导航，用户设备简单，价格低廉；

缺点：需要庞大的地面台支撑，电波易受干扰，被动式导航，受人控制。

1.2.4 天文导航

定义：利用天空中的星体，在一定时刻与地球的地理位置具有相对固定关系这一特点，通过观察星体，以确定载体位置的一种导航方法。

特点：

优点：天文导航系统的定向和定位精度不随工作时间增长而降低，隐蔽性好，自主性强。

缺点：受天气影响很大，低空飞行难以完成定位任务。在航空上受限。

1.2.4 惯性导航

定义：通过测量飞行器的加速度，并自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。

原理：利用惯性元件（加速度计）来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。

组成：惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性测量单元。3个自由度陀螺仪用来测量运载体的3个转动运动；3个加速度计用来测量运载体的3个平移运动的加速度。计算机根据测得的加速度信号计算出运载体的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数。

特点：

优点：隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响；可全天侯全球、全时间地工作于空中地球表面乃至水下；能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低。数据更新率高、短期精度和稳定性好。

缺点：由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；每次使用之前需要较长的初始对准时间；设备的价格较昂贵；不能给出时间信息。

1.3 无人机概述

1.3.1 飞行器

飞行器是指由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的在大气层内或在大气层外飞行的器械飞行物。飞行器可以分为航空器、航天器、火箭、导弹和制导武器等。

1. 航空器

航空器是指在大气层内飞行的飞行器，主要依靠空气的静浮力或与空气相对运动产生的空气动力升空飞行。

（1）热气球：热气球是用热空气作为浮升气体的气球。属于轻于空气的飞行器。

（2）滑翔机：滑翔机是指不依靠动力装置飞行的固定翼航空器，起飞后仅依靠空气作用其升力面上的反作用力自由飞行。不能自行起飞，需要其他动力源获得速度升空。属于重于空气的飞行器。

（3）飞机：飞机是指具有一个或多个发动机的动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定翼产生升力，在大气层内飞行的航空器。按发动机类型可以分为喷气式飞机和螺旋桨式飞机。

（4）直升飞机：直升飞机本质上是不同于飞机的另一种飞行器，其推力、升力和操控的实现均与飞机有很大的差距。均由螺旋桨提供。

（5）旋翼机：旋翼机是一种利用向前飞行时的相对气流吹动旋翼自转以产生升力的旋翼航空器。旋翼即产生升力又能提供飞行的动力

（6）飞艇：飞艇是轻于空气的航空器，与热气球的最大区别在于具有推进和控制飞行状态的装置。

2. 航天器

航天器是指在大气层外飞行的飞行器。典型的例子由人造地球卫星、载人飞船、航天飞机、空间探测器、空间站等。

1.3.2 无人机

无人机（unmanned aerial vehicle, UAV）是利用无线电遥控设备或自备的程序控制装置操控的不载人飞机，是飞行器的一种。

无人机系统：飞机、地面装置、通信链路。

无人机的控制一般分为半自主控制和全自主控制。半自主控制是指飞控系统的控制算法能够保证无人机的姿态稳定，但还是需要通过人员遥控操纵；全自主控制是指飞控系统的控制算法能够完成无人机航路点到航路点的位置控制以及自动起降等。目前民用无人机主要是半自主控制。

无人机与航模的区别：

（1）飞控系统不同：无人机与航模飞机的主要区别在于是否有飞控导航系统，能否实现自主飞行。无人机可以自主驾驶，超视距飞行，通过复杂的中央飞控系统，与地面控制参数进行交互，控制飞机的姿态和运动，是程序控制。航模虽然也是无人驾驶，但是在操控人员的视距范围内由操控人员遥控实现运动和姿态的调整。

（2）自动控制不同：在自动控制方面，无人机能够智能应对各种情况，要求进行任务执行，与地面站进行数据融合和任务确认，并要求进行下一步操作。而大多数航模飞机的自动控制只能实现失控后的自动返航。

（3）组成不同：无人机比航模要复杂。航模由飞行平台、动力系统、视距内遥控系统组成，主要是为了大众的观赏性和娱乐性，科技含量不高。无人机系统由飞行平台、动力系统、飞控系统、链路系统、任务系统、地面站等组成，主要是为了完成特定的任务，追求的是系统完成任务的能力，科技含量高。

（4）用途不同：无人机多执行超视距任务，早期的无人机主要应用于战争，执行军事任务，最大任务半径上万千米。通过飞控系统自主飞行，通过链路系统上传控制指令和下载任务信息。随着无人机在民用方面的发展，如航拍、植保、森林防火、高速公路巡查、探矿等应用领域。航模则侧重于航模运动，在视距内飞行，控制半径小于800米，操作人员目视飞行，通过手中的遥控器操纵飞机，只完成飞行任务，不需要完成其他任务。

（5）安全管理不同：在我国，民用无人机由民航局统一管理，军用无人机由军方统一管理；航模飞机由国家体委下属的航空运动管理中心管理。

1.3.3 无人机的基本组成

无人机一般由动力系统、飞控系统、机身系统、机载设备、图传设备和遥控器组成。

1. 动力系统

以电动无人机为例，动力系统包括电动机、电子调速器、螺旋桨和电池构成。

电动机：无人机上的电动机主要以无刷电机为主。采用外转子电机。主要技术参数：定子线圈直径、定子线圈高度、KV值、功率W。具体含义：2208，KV1000表示电机定子线圈直径为22毫米，线圈高度8毫米，每伏特电压电机提供的空转转速为1000转每分钟。

电子调速器：无人机使用的电调为无刷电调。电调的作用：将无人机飞控系统的控制信号快速转变为电枢电压和电流，驱动电机并控制电机转速。另一个作用是为机载其他电子设备提供稳压电源。主要技术参数：30A表示电调允许通过的瞬时最大电流为30A。

螺旋桨：产生推力的重要部件，分为正桨和反桨两类。正桨俯视逆时针旋转，或者说是顺时针旋转提供前进动力；反桨俯视顺时针旋转或者说是逆时针旋转提供前进动力。正桨符号表示为“CCW”，反桨符号表示为“CW”。重要参数：1045含义为这个桨的直径为10英寸，螺距为4.5英寸。螺距为螺旋桨旋转一周所前进或上升的距离。

电池：电动无人机的能量来源均为锂聚合物电池。参数：组合方式、容量、放电倍率。例如：20000mAh  6S2P  5C的电池组，含义为电池容量为20000mAh，组合方式为6个锂电池单体先串联，再将两组电池进行并联。放电倍率最大为5倍。

2. 飞控系统：组成硬件部分包括陀螺仪、加速度传感器、GPS模块、电路控制板等；软件部分包括控制算法、程序等。

  3. 机身系统包含机架和起落架。轴距表示相对的旋翼轴中心的直径距离。材质主要为铝合金或碳纤维，根据机臂个数分为三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼等。