无人机导航技术的种类
无人机导航是按照要求的精度，沿着预定的航线在指定的时间内正确地引导无人机至目的地。要使无人机成功完成预定的航行任务，除起始点和目标的位置外，还必须知道无人机的实时位置、航行速度、航向等导航参数。目前，在无人机上采用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、多普勒导航、地形辅助导航及地磁导航等。这些导航技术都有各自的优缺点，因此，在无人机导航中，要根据无人机担负的不同任务来选择合适的导航技术。
1.单一导航
（1）惯性导航。惯性导航（Inertial Navigation System，INS）分为平台式和捷联式两大类。平台式惯性导航以牛顿力学定律为基础，通过构建一个与机体固连的惯性平台，从而根据加速度计测量的惯性加速度，计算在某惯性参考系下的速度和位置，根据陀螺仪测得的角速度，计算机体相对于惯性平台的姿态角，从而只要加速度计和陀螺仪满足一定的精度要求，就可以在不需要外部信息的情况下获得机体相对于惯性参考系的速度、位置和姿态角。惯性导航完全依靠机载设备自主完成导航任务，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，不受气象条件限制，是一种自备式的导航方法，具有完全自主、抗干扰能力强、隐蔽性好、全天候工作、输出导航信息多、数据更新率高等优点（图1-14）。
虽然平台式惯性导航的精度很高，但是由于系统复杂且体积巨大，不便于装备在小型飞行器上，随着计算机技术和导航器件技术的发展，捷联式惯性导航越来越多地被使用。与平台式惯性导航所用的物理平台不同，捷联式惯性导行的陀螺仪和加速度计都与机体固连，因此采用的是虚拟的数学惯性平台，即惯性器件测量所得数据都会经过坐标变换的数学运算转换到惯性坐标系下，由于去掉了物理平台，捷联式惯性导航系统的体积大幅缩减。特别是近20年来快速发展的MEMS（微机电系统）器件，已经可以将捷联式惯性导航系统的体积缩小到几立方厘米（图1-15）。
图1-14 平台式惯性导航系统
图1-15 捷联式惯性导航传感器
（2）卫星导航。卫星导航是通过不断对目标物体进行定位从而实现导航功能的。其工作原理是通过接收多颗卫星发射出来的星历信息，从中得出时间差并乘以光速计算出距离，从而解算出飞行器在WGS-84坐标系下的经纬度和高度信息（图1-16）。目前，全球范围内有影响的卫星定位系统有中国的BDS（BeiDou Navigation Satellite System，中国北斗卫星导航系统）、美国的GPS（Global Positioning System，全球定位系统）、欧洲的GALILEO（Galileo Satellite Navigation System，伽利略卫星导航系统）和俄罗斯的GLONASS（Global Navigation Satellite System， 全球卫星导航系统）。其中，GPS是世界上第一个建立并用于导航定位的全球导航系统，GLONASS是全球建成的第二个卫星导航系统，二者目前正处于现代化的更新进程中；GALILEO是世界上第一个专门为民用设计的全球性卫星导航定位系统；BDS已经具备了全球区域的导航定位、授时服务功能，处于全球化快速发展阶段。走向服务全球、造福人类的新时代卫星导航能为无人机提供实时、精确的位置信息并进行导航定位，兼容北斗的多模卫星导航系统，能够显著提高无人机导航的可靠性。利用北斗短报文通信功能还能增强无人机处理突发事件的能力，如无人机出现意外而紧急迫降或者坠机时，给搜寻带来了困难，如果前期利用北斗系统设置一些专业指令，就使得无人机在出现故障的时候，即使在没有移动通信信号的区域，也可以通过北斗短报文通信功能进行搜寻。
（3）多普勒导航。多普勒导航是飞行器常用的一种自主式导航，多普勒导航系统由磁罗盘或陀螺仪表、多普勒雷达和导航计算机组成。工作原理是多普勒效应，无人机上的多普勒导航雷达不断向地面发射电磁波，因飞机与电磁波照射的地面之间存在相对运动，雷达接收到地面回波的频率与发射电磁波的频率相差一个多普勒频率，从而可以计算出无人机相对于地面的飞行速度（地速），以及偏流角（地速与无人机纵轴之间的夹角）（图1-17）。由于气流的作用，偏流角反映了地速、风速和空速之间的关系。磁罗盘或陀螺仪可以测出无人机的航向角，即无人机纵轴方向与正北方向之间的夹角。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，导航计算机就可以计算出无人机飞过的路线。
（4）地形辅助导航。地形辅助导航是指飞行器在飞行过程中，利用预先储存的飞行路线中某些地区的特征数据，与实际飞行过程中测量到的相关数据进行不断比较实施导航修正的一种方法。地形辅助导航可分为地形匹配、影像匹配和桑地亚惯性地形辅助导航。
1）地形匹配。地形匹配也称为地形高度相关。其原理是地球陆地表面上任何地点的地理坐标，都可以根据其周围地域的等高线或地貌单值确定。地形匹配是通过获取沿途航线上的地形地貌情报，并据此做出专门的数字地图，并存入计算机，当飞机飞越某块已数字化的地形时，机载无线电高度表测出相对高度，气压/惯性综合测出绝对高度，二者相减即得地形标高。飞行一段时间后，即可得到实际航迹的一串地形标高。将测得的数据与预先储存的数字地图进行相关分析，确定飞机航迹对应的网格位置。因为事先确定了网格各点对应的经纬值，这样便可以用数字地图校正惯性导航（图1-18）。
图1-16 卫星导航
图1-17 航行速度三角形
图1-18 地形匹配导航
2）影像匹配。影像匹配与地形匹配的区别是，预先输入计算机的信息不是高度参数，而是通过摄像等手段获取的预定飞行路径的影像信息，将这些影像信息数字化后存储在机载的相关计算设备中，这些信息具有很好的可观测性。
飞行中，通过机载的摄像设备获取飞行路径中的影像。然后利用机载数字影像匹配相关器将其所测与预存的影像进行相关比较以确定飞机的位置。
3）桑地亚惯性地形辅助导航。桑地亚惯性地形辅助导航（Sandia Inertial Terrain Aided Navigation，SITAN）是美国国家实验室在20世纪70年代提出的一种组合导航系统。该系统主要包括雷达高度表、惯性导航系统、数字地形高程数据库、地形数据随机线性化处理器和扩展卡尔曼滤波器。
该系统利用扩展卡尔曼滤波器将惯性传感器数据和雷达高度表测量数据结合起来，以便最佳地估算飞行器的位置、速度和姿态。
与地形匹配导航系统的不同点在于SITAN的重点是减少中等误差，而不是减小很大的误差，这就使该系统不需要进行全局搜索，并且其容许有很大的速度和航向误差，另外，还允许飞行器在数据采集期间自由机动飞行，并修正定位误差，具有更好的实时性。
（5）地磁导航。地磁场为矢量场，在地球近地空间内任意一点的地磁矢量都不同于其他地点的矢量，且与该地点的经纬度存在一一对应的关系。因此，理论上只要确定该点的地磁场矢量即可实现全球定位。
按照地磁数据处理方式的不同，地磁导航分为地磁匹配与地磁滤波两种方式。目前，地磁匹配在导航应用研究中更为广泛，它是把预先规划好的航迹某段区域某些点的地磁场特征量绘制成参考图（或称基准图）存储在载体计算机中，当载体飞越这些地区时，由地磁匹配测量仪器实时测量出飞越这些点的地磁场特征量，以构成实时图。载体计算机对实时图与参考图进行相关匹配，计算出载体的实时坐标位置，供导航计算机解算导航信息（图1-19）。
地磁匹配类似地形匹配系统，区别在于地磁匹配可有多个特征量。
图1-19 地磁数据
（6）无线电导航。无线电导航是通过测量无线电波从发射台天线到接收机天线的传输时间来定位的一种方法（也有测量无线电信号的相位或相角的）。按照发射机或转发器所在的位置，无线电导航可分为陆基导航系统和星基导航系统，如罗兰-C（Loran-C）、欧米伽（Omege）、塔康（Tacan）、伏尔（Vor）、测距仪（DME）等为陆基导航系统，而子午仪（Transit）、全球定位系统（GPS）、全球卫星导航系统（GLONASS）等为星基导航系统，目前，这些导航系统有100多种（图1-20）。
图1-20 无线电导航
2.组合导航
单一导航有各自的优缺点，并不是完美的，如果无人机导航仅仅依靠单一导航方式，其可靠性就会大大降低。因此为了提高无人机飞行的可靠性，一般采用组合导航。
组合导航是指把两种或两种以上的导航系统以适当的方式组合在一起，利用其性能上的互补特性，可以获得比单独使用任一方法更高的导航性能。除可以将以上介绍的导航技术进行组合外，还可以应用一些其他相关技术来提高导航定位的精度，如大气数据系统、航迹推算技术等。
（1）INS/GPS组合导航系统。该组合的优点表现在：对惯性导航系统可以实现惯性传感器的校准、惯性导航系统的空中对准、惯性导航系统高度通道的稳定等，从而可以有效地提高惯性导航系统的性能和精度；对于GPS系统来说，惯性导航系统的辅助可以提高其跟踪卫星的能力，提高接收机动态特性和抗干扰性。INS/GPS组合导航系统可以实现GPS完整性的检测，从而提高可靠性。另外，INS/GPS组合导航系统可以实现一体化，把GPS接收机放入惯性导航部件，进一步减少系统的体积、质量和成本，便于实现惯性导航和GPS同步，减小非同步误差。INS/GPS组合导航系统是目前多数无人飞行器所采用的主流自主导航技术，美国的全球鹰和捕食者无人机都是采用这种组合导航方式。
（2）惯性导航/多普勒组合导航系统。这种组合方式既解决了多普勒导航受到地形因素的影响，又可以解决惯性导航自身的累积误差，同时在隐蔽性上二者实现了较好的互补。
（3）惯性导航/地磁组合导航系统。这种组合方式利用地磁匹配技术的长期稳定性弥补惯导系统误差随时间累积的缺点，同时可以利用惯性导航系统的短期高精度弥补地磁匹配系统易受干扰的缺点，具备自主性强、隐蔽性好、成本低、可用范围广等优点，是当前导航研究领域的一个热点。
（4）惯性导航/地形匹配组合导航系统。由于地形匹配定位的精度很高，因此可以利用这种精确的位置信息来消除惯性导航系统长时间工作的累积误差，提高惯性导航系统的定位精度。由于地形匹配辅助导航系统具有自主性和高精度的突出优点，将其应用于装载了多种图像传感器的无人机导航系统，构成惯性导航/地形匹配组合导航系统，也将是地形匹配辅助导航技术发展和应用的未来趋势。
（5）GPS/航迹推算组合导航系统。航迹推算的基本原理：在GPS失效情况下，依据大气数据计算机测得的空速、磁罗盘测得的磁北航向以及获取的当地风速风向信息，推算出地速及航迹角。当GPS定位信号中断或质量较差时，由航迹推算系统确定无人机的位置和速度；当GPS定位信号质量较好时，利用GPS高精度的定位信息对航迹推算系统进行校正，从而构成高精度、高可靠性的无人机导航定位系统，在以较高质量保证飞行安全和品质的同时，有效降低了系统的成本，使无人机摆脱了对雷达、测控站等地面系统的依赖。