曹雪娟[] 张楠2
天津航天中为数据系统科技有限公司 天津 300458 2．天津水运工程勘察设计院 天津 300456
摘要：无人机通常使用GPS定位，GPS信号存在干扰丢失的问题，惯性导航技术能够解决GPS定位缺陷，提高定位性能。本文介绍INS系统的组成，分析其技术优势，讨论与GPS集成的方法，并从应用价值和市场潜力方面，分析INS在无人机领域的应用前景。
关键词：无人机；惯性导航；INS；组合导航；GPS时间同步；卡尔曼滤波
中图分类号：P229 献标识码：A
无人机在生产生活中随处可见，是一种日趋重要的数据采集平台。目前民用无人机的主要导航方式为GPS导航，由于各种原因，GPS存在失效的情况【1】，GPS丢失可造成坐标参数的丢失，使得飞行成果作废，严重的可能造成无人机丢失和损坏。因此，十分需要采用新的技术方法，加强无人机定位的可靠性。
惯性导航系统（Inertial Navigation System,简称INS）【2】，最初设计应用于军事领域，能够为高速运动的物体提供导航信息，近年来在民用领域获得广泛应用。INS具有独立性强，抗干扰能力优秀，更新率高等优势，非常适合应用于无人机领域，为无人机提供高水准的导航定位。
1 惯性导航系统组成
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图1 典型INS系统组成
INS系统核心部件是力学传感器，包括加速度计和角速度计（陀螺仪），统称为惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）【3】,如图1所示。每一个系统分别包含3个以上的加速度计和陀螺仪传感器，分别测量每一个坐标轴上的加速度和角速度这两个原始参数。
2 INS对比GPS
2.1 独立性
GPS系统十分庞大，由GPS在轨卫星、地面服务站和移动端组成，每一个部分都无法单独工作，并且相互影响。INS能够自主实现导航工作，具有不受外部环境限制的优势，能够全天候、全时段的在空气、地表甚至水体中工作。
2.2 更新率高
GPS由多个卫星进行距离交会，同时接收“基准站”改正数据间接得到位置，数据输出率低于10Hz，通常在5Hz以内，INS数据由力学传感器直接测得，具有连续观测的特点，更新速率能够达到50Hz以上，符合高机动载体的定位要求。
2.3抗干扰性强
GPS基于电磁波测距，电磁波具有反射、遮蔽、衰减等特性，运行架构上需要接收GPS基准站信号，这些特性决定了GPS抗干扰能力弱，在复杂地形条件下易发生信号丢失的现象。INS所有测量均由系统内部独立完成，不依赖任务外部元素，不具有辐射性也不受电磁干扰。
3 INS与GPS集成
INS与GPS呈现良好的互补性，因此INS/GPS组合系统是一种极佳的导航解决方案。
INS/GPS组合导航系统总体设计如图2所示，构架上以INS为主GPS为辅，系统运行时，需要提取GPS、加速度计、陀螺仪等数据，用来进行数据融合处理，并定时对INS进行修正【4】，同步后的数据汇总至INS内部的计算器，计算器使用卡尔曼滤波器融合解算INS、GPS数据，计算得到改正参数，改正参数反馈回计算器，对定位数据进行改正得到最佳位置和速度估值。
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图2 INS/GPS系统总体设计示意图
4 应用前景分析
4.1 应用价值高
惯性导航搭载于无人机，具有极高的应用价值，主要体现在以下四个方面：
扩展飞行作业区域。搭载INS的无人机，能够在多地形复杂场景下正常工作，诸如河谷、高楼建筑群、跨越桥梁、室内作业、电磁干扰区域等。
提高飞控技术。飞控技术包括传感技术、导航定位技术等【5】，集成INS后，无人机不受飞行姿态限制，能够进行大角度甚至倒立飞行，去完成一些特殊部位的观测任务。
提高飞行作业效率。INS搭载于无人机，解决了无人机高速失锁和导航信息更新率低的问题，使无人机能够保持更高的巡航速度，这在影像拼接和目标地物地理信息化方面具有重要意义。
促进无人机自动化发展。INS技术能够帮助无人机进行自主导航，实现诸如航路规划、按照规划航路自动飞行作业等功能。促进无人机向智能化、自动控制化方向发展。
4.2 市场潜力巨大
据相关机构预测，到2020年,全球工业无人机（旋翼机）的市场规模可达到51亿美元左右【6】，其中中国企业将拥有一半以上的市场占有率。近年来，随着中国人工智能技术的日益完善，无人机行业逐渐步入快速发展期。随着全球无人机市场地快速扩大，将催生对惯性导航设备的巨大需求。
5结论
对比GPS系统缺点分析了INS系统优势，提出了INS与GPS组合导航系统，讨论了组合导航系统的总体设计，并进行应用前景分析。分析结果表明INS在无人机领域的应用前景十分广阔，具有极高应用价值和巨大的市场潜力。总而言之，可以预测，惯性导航技术将在无人机领域获得广泛应用，终将成为各类型无人机的标准配置。
参考文献：
[1]柳明.GPS失效下的无人机组合导航系统[J].济南大学学报（自然科学版），2015，29(2)：129-132.
[2]王巍.惯性技术研究现状及发展趋势[J].自动化学报，2013， 6，723-729.
[3]王崎.全球定位系统（GPS）的原理与应用 [J].卫星与网络，2014，4，26-30.
[4] 游文虎，姜复兴.INS／GPS组合导航系统的数据同步技术研究[J].中国惯性技术学报，2003，4，20-22，35.
[5]甄云卉，路平.无人机相关技术与发展趋势[J].兵工自动化，2009，1，14-16.
[6]张生强.智能化在无人机上的应用前景[J].中国安防，2017，5：72-74.
作者简介：曹雪娟（女；1986-），山东青岛人，硕士，工程师。