CN108535750A - 无人机定向导航方法、gnss接收机装置、gnss接收机*** - Google Patents

无人机定向导航方法、gnss接收机装置、gnss接收机*** Download PDF

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周芝丽
陈伟
黄德福
周敏
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Abstract

本发明公开了无人机定向导航方法、GNSS接收机装置、GNSS接收机***，该***包括GNSS接收机装置和第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线；GNSS接收机装置包括GNSS卫星信号解算单元、定向导航解算单元、定位导航解算单元、差分数据解算单元、定位定向导航结果生成单元。本发明采用双GNSS接收天线提供自主差分，抵消公共误差；通过双天线在无人机载体上的加长基线安装方式，提高定向导航精度；定位差分解算提高双天线基线矢量的测量精度；精准的定向导航有助于设计多样优化的自主飞行航线；提高模块的集成度和独立性，易于形成产品，提高可生产性。本发明实现了无人机载体航向的精准导航，解决航线与航线之间飞行区域重叠度不一致的问题。

Description

无人机定向导航方法、GNSS接收机装置、GNSS接收机***
技术领域
本发明涉及无人机定向导航的技术领域，尤其涉及无人机定向导航方法、GNSS接收机装置、GNSS接收机***。
背景技术
随着无人机相关技术的发展成熟，其用途愈加广泛，诸如农业植保、城市管理、地质勘测、气象监测、电力巡检、抢险救灾、航空摄影、视频拍摄等行业。行业应用对无人机导航的精准度要求越来越高，特别是农业植保行业，通过自主航线飞行大大提高作业效率、降低人力成本。
在农业植保行业，自主航线飞行的目的在于通过自动化的方式对作业区域进行农药或化肥喷洒，需要确保无人机按照航线精准位置飞行，同时还需要精准控制喷头经过区域的重叠度。
针对高精度定位需求，发明专利CN201710320707.4公开了一种无人机机载差分定位装置，通过WiFi链路连接地面和飞机，实现差分定位，达到无人机较高精度定位。
发明专利CN201310270146.3公开了一种基于GNSS实时差分技术的无人机精准导航***和方法，通过GNSS数据实时差分解算，得到改正的更高定位精度的无人机位置数据，实现精准的位置导航。
基于高精度定位位置，无人机导航飞行具有了自主性，发明专利CN201610951692.7公开了一种植保无人机的作业***，无人机按照连接当前位置与作业起始位置的飞行航线，进行定位植保作业。
无人机载体除了跟随点位形成的航线进行飞行之外，还需要控制方向，即需要获得航向角信息。
发明专利CN201710320707.4传输差分数据的无线链路为蓝牙或WiFi，该通信方式由于使用了公共的ISM(Industrial Scientific Medical，工业、科学、医用)频段，存在较大的频率干扰风险；另外，WiFi传输数据的特点在于突发续传，而蓝牙适用于传输小容量数据包，对需要稳定连续的差分数据而言，并不十分适用。
发明专利CN201310270146.3将差分解算模块和导航数据生成模块脱离在机载GNSS装置之外，降低了专用模块的集成度，同时也降低了需要稳定传输的差分数据链路的抗干扰能力。
上述公开专利解决了无人机位置的精准导航，对自主航线飞行的方向导航并没有给出明确的解决方案。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供无人机定向导航方法、GNSS接收机装置、GNSS接收机***，旨在解决现有技术不能精确地对自主航线飞行进行方向导航的问题。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种无人机定向导航方法，包括：
卫星解算步骤，接收第一GNSS卫星接收天线发送的卫星信号，解算得到第一GNSS卫星接收天线的位置信息；以及接收第二GNSS卫星接收天线发送的卫星信号，解算得到第二GNSS卫星接收天线的位置信息；
定向解算步骤，根据第一GNSS卫星接收天线的位置信息、第二GNSS卫星接收天线的位置信息，计算第一GNSS卫星接收天线和第二GNSS卫星接收天线构成的基线矢量，得到基线矢量的定向结果；再根据基线矢量与无人机的安装角度，给出无人机的定向导航解算结果；
差分解算步骤，接收差分数据链通信天线发送的差分改正数据，识别、提取卫星星历数据和大气误差数据，得到可读取的差分解算数据；
定位解算步骤，根据第一GNSS卫星接收天线的位置信息、第二GNSS卫星接收天线的位置信息和差分解算数据，将位置信息和差分解算数据进行解算，得到定位导航解算结果；
结果生成步骤，根据定位导航解算结果对定向导航解算结果进行修正，得到最终的定位定向导航解算结果。
一种GNSS接收机装置，包括GNSS卫星信号解算单元、定向导航解算单元、定位导航解算单元、差分数据解算单元、定位定向导航结果生成单元；
GNSS卫星信号解算单元分别与第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线连接；定位定向导航结果生成单元与无人机飞控***连接；
GNSS卫星信号解算单元、定向导航解算单元、定位定向导航结果生成单元顺序连接；GNSS卫星信号解算单元、定位导航解算单元、定位定向导航结果生成单元顺序连接；
差分数据解算单元、定位导航解算单元、定位定向导航结果生成单元顺序连接。
一种无人机定向导航GNSS接收机***，包括：
上述实施例中的GNSS接收机装置；
第一GNSS卫星接收天线；
第二GNSS卫星接收天线。
在上述实施例的基础上，优选的，还包括与差分数据解算单元连接的差分数据链通信天线。
在上述任意实施例的基础上，优选的，无人机为轴距大于1米的旋翼无人机时，第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线安装在旋翼杆臂上。
在上述实施例的基础上，优选的，第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线形成的矢量同无人机前进方向呈水平或垂直的方向。
或者，优选的，无人机为总长不超过50厘米的小型无人机时，采用机身延长方式搭建长距离的延长支架，延长支架总长超过旋桨的转动范围，将第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线安装在支架末端上。
在上述实施例的基础上，优选的，在延长支架的末端撑高，将第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线安装在撑高的支架末端上，令两个天线高于旋桨，用以免受旋桨转动时的遮挡。
或者，优选的，无人机为固定翼无人机时，第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线安装在机身的前后位置。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明公开了无人机定向导航方法、GNSS接收机装置、GNSS接收机***，采用双GNSS接收天线提供自主差分，抵消公共误差；通过双天线在无人机载体上的加长基线安装方式，提高定向导航精度；定位差分解算提高双天线基线矢量的测量精度；精准的定向导航有助于设计多样优化的自主飞行航线。由于在实际产品研制中，研发飞控的工程师和研发卫星定位定向导航的工程师分属不同的技术领域，因此将导航相关的所有单元模块集成到一个成品中，更易于推出产品；本发明将卫星信号接收解算、差分解算和定位定向导航结果生成集成于一体，降低各模块之间互连的复杂度，提高模块的集成度和独立性，易于形成产品，提高可生产性；相较于独立分散的设计方案，各模块之间的互连和通信机制更易于设计，形成稳定的统一体。本发明针对无人机全自主航线飞行对航向导航的需求，给出提高航向基线矢量测量精准度的解决方案，实现无人机载体航向的精准导航，解决航线与航线之间飞行区域重叠度不一致的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了本发明实施例提供的一种双GNSS卫星接收天线的定向原理示意图；
图2示出了本发明实施例提供的一种圆形航线示意图；
图3示出了本发明实施例提供的一种螺旋形航线示意图；
图4示出了本发明实施例提供的一种GNSS接收机装置的结构示意图；
图5示出了本发明实施例提供的一种无人机定向导航GNSS接收机***的结构示意图；
图6示出了本发明实施例提供的直线几字形航线及其重叠区域对比的示意图；
图7示出了本发明实施例提供的旋翼无人机上GNSS卫星接收天线的安装位置示意图；
图8示出了本发明实施例提供的小型无人机上GNSS卫星接收天线的安装位置示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
具体实施例一
本发明实施例提供了一种无人机定向导航方法，包括：
卫星解算步骤，接收第一GNSS卫星接收天线发送的卫星信号，解算得到第一GNSS卫星接收天线的位置信息；以及接收第二GNSS卫星接收天线发送的卫星信号，解算得到第二GNSS卫星接收天线的位置信息；
定向解算步骤，根据第一GNSS卫星接收天线的位置信息、第二GNSS卫星接收天线的位置信息，计算第一GNSS卫星接收天线和第二GNSS卫星接收天线构成的基线矢量，得到基线矢量的定向结果；再根据基线矢量与无人机的安装角度，给出无人机的定向导航解算结果；
差分解算步骤，接收差分数据链通信天线发送的差分改正数据，识别、提取卫星星历数据和大气误差数据，得到可读取的差分解算数据；
定位解算步骤，根据第一GNSS卫星接收天线的位置信息和差分解算数据，将位置信息和差分解算数据进行解算，得到定位导航解算结果；
结果生成步骤，根据定位导航解算结果对定向导航解算结果进行修正，得到最终的定位定向导航解算结果。
本发明实施例采用具有时间连续性的卫星导航测量方法，实现实时持续的定向导航。通过双GNSS接收天线自主差分解算，抵消公共误差，在无须基准站的情况下也能实现较高精度的定向导航。
如图1所示，定向解算步骤给出定向导航解算结果的过程可以是：通过分别解算两个卫星接收天线的位置，形成两个位置构成的基线矢量。基线矢量在某一坐标系中参考于标准矢量即构成了航向角，如ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed，地心地固)坐标系下，基线矢量同真子午线切向方向的夹角，称为真北航向角。两个天线形成的矢量在无人机载体上固定安装，根据基线矢量在载体所在坐标系的已知安装角度，可以得到无人机载体相对于该坐标系中标准参考矢量的航向角，也即获得了载体的定向导航结果。
地面基准站和无人机机载GNSS接收机装置同时接收卫星观测数据，地面基准站经过初步定位解算，将载波相位差分改正数据通过差分数据链通信天线传输至机载GNSS接收机装置，机载GNSS接收机装置将自己观测到的卫星数据同基准站发送过来的差分改正数据进行差分解算，抵消公共误差，提高两个天线位置的定位精度，进而提高基线矢量的测量精度，提高定向导航的解算精度，得到高精度的定位导航结果。在此高精度定向导航基础上，无人机规划航线具备了更灵活、更多样化的方式，即不仅仅限于直线航线，还可以规划圆形、螺旋形等形状的航线，分别如图2和图3所示。
具体实施例二
如图4所示，本发明实施例提供了一种GNSS接收机装置，包括GNSS卫星信号解算单元、定向导航解算单元、定位导航解算单元、差分数据解算单元、定位定向导航结果生成单元；
GNSS卫星信号解算单元分别与第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线连接；定位定向导航结果生成单元与无人机飞控***连接；
GNSS卫星信号解算单元、定向导航解算单元、定位定向导航结果生成单元顺序连接；GNSS卫星信号解算单元、定位导航解算单元、定位定向导航结果生成单元顺序连接；
差分数据解算单元、定位导航解算单元、定位定向导航结果生成单元顺序连接。
其中，GNSS卫星信号解算单元接收第一GNSS卫星接收天线发送的卫星信号，解算得到第一GNSS卫星接收天线的位置信息；以及接收第二GNSS卫星接收天线发送的卫星信号，解算得到第二GNSS卫星接收天线的位置信息；
定向导航解算单元根据第一GNSS卫星接收天线的位置信息、第二GNSS卫星接收天线的位置信息，计算第一GNSS卫星接收天线和第二GNSS卫星接收天线构成的基线矢量，得到基线矢量的定向结果；再根据基线矢量与无人机的安装角度，给出无人机的定向导航解算结果；
差分数据解算单元可以根据外接的差分数据链通信天线接收差分改正数据，识别、提取卫星星历和大气误差等数据，得到后续单元可读取的差分解算数据；
定位导航解算单元根据第一GNSS卫星接收天线的位置信息、第二GNSS卫星接收天线的位置信息和差分解算数据，将位置数据和差分解算数据进行解算，得到定位导航解算结果；
定位定向导航结果生成单元根据定位导航解算结果对定向导航解算结果进行修正，得到最终的定位定向导航解算结果。
差分数据解算单元可以接收差分数据链通信天线发送的差分改正数据；根据第一GNSS卫星接收天线的位置信息、第二GNSS卫星接收天线的位置信息以及差分改正数据，通过差分定位解算，得到差分定位解算结果。
本发明实施例中，两个GNSS卫星接收天线将接收到的卫星信号传输至GNSS卫星信号解算单元进行解算，得到各自的位置坐标，定向导航解算单元根据双天线各自的位置计算两者构成的基线矢量，并给出某一选定坐标系下的航向角。由于双天线基线距离相较天线位置到卫星位置之间的距离非常非常小，两个天线的位置解算具有很高的相关性，通过双差模型解算，抵消公共误差，得到高精度航向角。
具体实施例三
如图5所示，本发明实施例提供了一种无人机定向导航GNSS接收机***，包括：
具体实施例二中的GNSS接收机装置；
第一GNSS卫星接收天线；
第二GNSS卫星接收天线。
两个GNSS卫星接收天线将接收到的卫星信号传输至GNSS卫星信号解算单元进行解算，得到各自的位置坐标，定向导航解算单元根据双天线各自的位置计算两者构成的基线矢量，并给出某一选定坐标系下的航向角。由于双天线基线距离相较天线位置到卫星位置之间的距离非常非常小，两个天线的位置解算具有很高的相关性，通过双差模型解算，抵消公共误差，得到高精度航向角。
优选的，本发明实施例还可以包括与差分数据解算单元连接的差分数据链通信天线。地面基准站和无人机机载GNSS接收机装置同时接收卫星观测数据，地面基准站经过初步定位解算，将载波相位差分改正数据通过差分数据链通信天线传输至机载GNSS接收机装置，机载GNSS接收机装置将自己观测到的卫星数据同基准站发送过来的差分改正数据进行差分解算，抵消公共误差，提高两个天线位置的定位精度，进而提高基线矢量的测量精度，提高定向导航的解算精度，得到高精度的定位导航结果。
具备了高精度的定向导航，无人机自主飞行航线便具有了更灵活的规划方式，保证无人机能够按照指定的偏转角度进行飞行。如图6所示，对于普遍的直线几字形航线而言，无人机在航线同航线之间喷洒作业时，若没有精准的定向导航，喷头喷洒的区域将可能重叠过多，也可能无法重叠，引起植保作业不良效果。另外，精准的定向导航也使得植保作业的方式更多样化，如图2和图3所示，可以规划圆形、螺旋形等非常规航线，能够对具有一定弧度边界的地块或果树这些圆形植株等进行喷洒作业。
本发明实施例对GNSS卫星接收天线不做限定，优选的，其可以采用轻小型的螺旋天线，降低重量和安装占用体积，延长无人机续航时间；本发明实施例对差分数据链通信天线不做限定，差分数据链通信天线可以依据选择的无线通信模块的工作频段而定。
在农田植保作业行业，优选的，可以使用跳频电台取代差分数据链通信天线，作为差分数据无线通信链路，传输地面基准站的差分改正数据至无人机机载GNSS接收机***。跳频电台采用了随机图谱进行频段跳变通信，大大降低了多台无人机作业时，使用相同频段进行通信传输的概率。跳频电台传输差分数据，提高抗干扰能力，跳频电台在频段使用上采用了随机图谱进行频段跳变通信，大大降低了多个通信设备上使用相同频段进行通信传输的概率。本发明实施例对跳频电台的频段不做限定，优选的，可以选用低空飞行器使用的规范频段，如840MHz～845MHz。该频段相较于开放的ISM频段和确定的通信频道而言，大大提高了抗干扰性，提升了无人机的飞行安全。
如图7所示，优选的，无人机为轴距大于1米的旋翼无人机时，第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线可以安装在旋翼杆臂上。优选的，第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线形成的矢量同无人机前进方向可以呈水平或垂直的方向。
如图8所示，优选的，无人机为总长不超过50厘米的小型无人机时，可以采用机身延长方式搭建长距离的延长支架，延长支架总长超过旋桨的转动范围，将第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线安装在支架末端上。优选的，可以在延长支架的末端撑高，将第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线安装在撑高的支架末端上，令两个天线高于旋桨，用以免受旋桨转动时的遮挡。
优选的，无人机为固定翼无人机时，第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线可以安装在机身的前后位置。
本发明从使用目的上，效能上，进步及新颖性等观点进行阐述，其具有的实用进步性，己符合专利法所强调的功能增进及使用要件，本发明以上的说明及附图，仅为本发明的较佳实施例而己，并非以此局限本发明，因此，凡一切与本发明构造，装置，待征等近似、雷同的，即凡依本发明专利申请范围所作的等同替换或修饰等，皆应属本发明的专利申请保护的范围之内。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无人机定向导航方法，其特征在于，包括：
卫星解算步骤，接收第一GNSS卫星接收天线发送的卫星信号，解算得到第一GNSS卫星接收天线的位置信息；以及接收第二GNSS卫星接收天线发送的卫星信号，解算得到第二GNSS卫星接收天线的位置信息；
定向解算步骤，根据第一GNSS卫星接收天线的位置信息、第二GNSS卫星接收天线的位置信息，计算第一GNSS卫星接收天线和第二GNSS卫星接收天线构成的基线矢量，得到基线矢量的定向结果；再根据基线矢量与无人机的安装角度，给出无人机的定向导航解算结果；
差分解算步骤，接收差分数据链通信天线发送的差分改正数据，识别、提取卫星星历数据和大气误差数据，得到可读取的差分解算数据；
定位解算步骤，根据第一GNSS卫星接收天线的位置信息、第二GNSS卫星接收天线的位置信息和差分解算数据，将位置信息和差分解算数据进行解算，得到定位导航解算结果；
结果生成步骤，根据定位导航解算结果对定向导航解算结果进行修正，得到最终的定位定向导航解算结果。
2.一种GNSS接收机装置，其特征在于，包括GNSS卫星信号解算单元、定向导航解算单元、定位导航解算单元、差分数据解算单元、定位定向导航结果生成单元；
GNSS卫星信号解算单元分别与第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线连接；定位定向导航结果生成单元与无人机飞控***连接；
GNSS卫星信号解算单元、定向导航解算单元、定位定向导航结果生成单元顺序连接；GNSS卫星信号解算单元、定位导航解算单元、定位定向导航结果生成单元顺序连接；
差分数据解算单元、定位导航解算单元、定位定向导航结果生成单元顺序连接。
3.一种无人机定向导航GNSS接收机***，其特征在于，包括：
权利要求2所述的GNSS接收机装置；
第一GNSS卫星接收天线；
第二GNSS卫星接收天线。
4.根据权利要求3所述的无人机定向导航GNSS接收机***，其特征在于，还包括与差分数据解算单元连接的差分数据链通信天线。
5.根据权利要求3或4所述的无人机定向导航GNSS接收机***，其特征在于，无人机为轴距大于1米的旋翼无人机时，第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线安装在旋翼杆臂上。
6.根据权利要求5所述的无人机定向导航GNSS接收机***，其特征在于，第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线形成的矢量同无人机前进方向呈水平或垂直的方向。
7.根据权利要求3或3所述的无人机定向导航GNSS接收机***，其特征在于，无人机为总长不超过50厘米的小型无人机时，采用机身延长方式搭建长距离的延长支架，延长支架总长超过旋桨的转动范围，将第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线安装在支架末端上。
8.根据权利要求7所述的无人机定向导航GNSS接收机***，其特征在于，在延长支架的末端撑高，将第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线安装在撑高的支架末端上，令两个天线高于旋桨，用以免受旋桨转动时的遮挡。
9.根据权利要求3或4所述的无人机定向导航GNSS接收机***，其特征在于，无人机为固定翼无人机时，第一GNSS卫星接收天线、第二GNSS卫星接收天线安装在机身的前后位置。
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