2. 导航基础
无人机要在复杂地形上空稳定飞行并完成地形匹配辅助导航，首先必须回答三个基础问题：我在哪里、我朝哪个方向、我运动得多快。惯性导航、卫星导航、视觉导航分别从不同物理量出发回答这些问题，而组合导航则把它们的优势拼接起来，形成连续、可靠、可用的位置与姿态解。理解这四类导航的原理、坐标系、姿态表示和误差传播，是后续地形匹配算法设计与工程实现的共同语言。
一、四类导航的基本原理
惯性导航（INS）依靠陀螺仪和加速度计测量角速度与比力，通过积分递推得到姿态、速度和位置。它不依赖外部信号，短时输出平滑、更新率高，但误差会随时间累积，纯惯导的位置漂移通常随时间的平方增长。
卫星导航（GNSS）通过接收多颗卫星的测距信号，解算接收机在ECEF坐标系中的位置与钟差。其绝对精度长期稳定，但更新率较低，且在城市峡谷、密林、峡谷等地形遮挡下容易失锁或多路径严重。
视觉导航利用相机获取图像，通过特征匹配、光流或视觉里程计估计相对运动。它信息丰富、成本低，可提供姿态与相对位移，但受光照、纹理、动态遮挡影响大，尺度估计在单目情况下需要外部约束。
组合导航以惯导为递推骨架，用GNSS、视觉、气压、磁力计等观测量进行滤波校正，典型形式为松组合、紧组合和深组合。组合后既能保持惯导的高更新率与连续性，又能抑制长期漂移。
二、坐标系与姿态表示
导航解算必须明确“在哪个坐标系里描述”。工程中常用的坐标系包括：
- ECI（地心惯性系）：适合描述惯性器件的积分，不随地球自转。
- ECEF（地心地固系）：随地球旋转，GNSS原始定位结果通常在此系下。
- NED / ENU（当地导航系）：以载体所在点为原点，北-东-地或东-北-天，便于飞控与航迹描述。
- 机体系（Body）：与无人机固连，前-右-下，是IMU测量量的表达系。
姿态表示主要有三种：欧拉角直观但存在万向节死锁；方向余弦矩阵无奇异但参数冗余；四元数紧凑、无奇异，是飞控与组合导航中最常用的姿态表示。姿态误差通常以旋转矢量或四元数误差形式进入滤波器状态。
三、误差传播与组合校正
惯性导航的误差传播可用误差状态方程描述。以位置、速度、姿态、陀螺零偏和加速度计零偏为状态，连续时间模型可简写为：
δp_dot = δv
δv_dot = -[f×] δθ + C_b^n δb_a + w_v
δθ_dot = -C_b^n δb_g + w_θ
δb_g_dot = w_bg
δb_a_dot = w_ba
其中 [f×] 为比力反对称矩阵，C_b^n 为机体系到导航系的旋转矩阵。该方程说明：姿态误差会耦合进速度误差，零偏会持续激励姿态与速度漂移。组合导航的本质，就是用GNSS或视觉观测对上述误差状态进行可观测性约束与估计。
组合导航的三种典型结构：
- 松组合：GNSS输出位置/速度与INS输出做差，结构简单，但GNSS失锁时只能靠INS递推。
- 紧组合：直接用伪距、伪距率作为观测，卫星数不足时仍可工作，抗遮挡能力更强。
- 深组合：INS信息辅助GNSS跟踪环路，在高动态、弱信号下提升跟踪连续性。
四、典型场景与工程案例
假设一架固定翼无人机沿山谷执行地形匹配飞行。起飞后GNSS正常，INS与GNSS松组合，位置精度约1～2米。进入峡谷后卫星可见数从12颗降到4颗，GNSS水平精度退化到10米以上，此时滤波器依靠INS递推，同时视觉里程计提供相对位移约束，抑制位置漂移。飞出峡谷后GNSS恢复，滤波器重新收敛，零偏估计被修正。
| 导航方式 | 核心观测量 | 优势 | 主要误差/局限 | 典型更新率 |
|---|---|---|---|---|
| 惯性导航 INS | 角速度、比力 | 连续、自主、高更新率 | 零偏导致漂移累积 | 100～1000 Hz |
| 卫星导航 GNSS | 伪距、伪距率 | 长期绝对精度稳定 | 遮挡、多路径、易失锁 | 1～20 Hz |
| 视觉导航 | 图像特征、光流 | 信息丰富、成本低 | 光照纹理敏感、尺度问题 | 10～60 Hz |
| 组合导航 | 多源观测融合 | 连续、低漂移、鲁棒 | 模型与时间同步要求高 | 取决于滤波器 |
工程提示：组合导航中，时间同步误差1毫秒，在20 m/s飞行速度下会引入约2厘米的位置误差；若时间戳错位10毫秒，误差可达20厘米。因此IMU、GNSS、相机的时间戳必须统一到同一时基，并进行杆臂补偿。
常见误区：把组合导航理解为“简单平均”或“谁准用谁”。实际上滤波器依赖误差模型与可观测性：若INS零偏不可观测，GNSS消失后位置仍会快速漂移；若视觉尺度未标定，融合结果会被系统性拉偏。组合导航的收益来自模型正确、观测可靠、时间对齐，而不是传感器数量的堆叠。
五、小结与复盘要点
惯性导航提供高频递推骨架，卫星导航提供长期绝对基准，视觉导航提供相对运动与姿态补充，组合导航通过滤波实现优势互补。坐标系定义了“在哪里描述”，姿态表示决定了“如何旋转”，误差传播方程则解释了“为什么漂移、如何被校正”。在后续地形匹配辅助导航中，地形匹配本质上是一个额外的观测量，它同样需要接入这套状态估计框架，才能与INS、GNSS、视觉形成一致、可用的导航解。