CN113466907A - 一种基于星基增强***的电力无人机航线规划***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于星基增强***的电力无人机航线规划***，包括星基定位模块、星基解算模块、电力无人机和航线规划模块；星基定位模块观测并接收多频段卫星导航***的卫星观测数据，具体为接收多频段卫星播发的星基修正数据，观测并记录多频段GNSS原始观测数据；星基解算模块完成定位结果数据的解算与收敛；航线规划模块获得控制点的定位结果数据后完成航线的设置。本发明还公开了一种基于所述的基于星基增强***的电力无人机航线规划***的方法。本发明利用星基定位模块和星基解算模块，获得了高精度的定位结果，使航线规划可以不受环境与网络影响，适用于电力无人机各种环境的实际应用。

Description

一种基于星基增强***的电力无人机航线规划***及方法
技术领域
本发明属于航线规划领域，具体涉及一种基于星基增强***的电力无人机航线规划***及方法。
背景技术
为了更加安全高效地对电力设备进行检修，如今电力无人机在电力行业的使用已日渐成熟。目前各种类型的无人机已在电力巡检、数据采集、检修等领域发挥越来越重要的作用，特别是无人机自动化程度上的提高，能够有效提升电力无人机应用的范围和效率。
航线规划作为无人机自动飞行的重要环节，无人机需要精确的位置信息用于线路规划，位置的精确度对无人机避障指引起了关键作用。但是，在现有的电力无人机行业中，绝大部分航线规划采用单基站或网络RTK地基增强***进行定位后再用于规划，以上方法均存在缺陷和局限性。
由于电力无人机应用的环境复杂，各种电力设备广泛存在于深山、戈壁、沙漠、沼泽、水域等偏远地区，网络环境无法保障。因此对于无人机航线规划***来说，想要获得精准稳定的定位信息存在许多客观的条件限制，例如现有定位方法在没有网络的情况下难以定位，从而导致现有电力无人机的航线规划准确度低，效率低。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种基于星基增强***的电力无人机航线规划***，该***通过星基增强***，使得电力无人机的航线规划更加高效；本发明的目的之二在于提供一种方法，该方法通过所述的基于星基增强***的电力无人机航线规划***实现。
本发明提供的这种基于星基增强***的电力无人机航线规划***，包括星基定位模块、星基解算模块、电力无人机和航线规划模块；星基定位模块分别连接星基解算模块和无人机，电力无人机分别连接星基定位模块、星基解算模块和航线规划模块；星基定位模块观测并接收多频段卫星导航***的卫星观测数据，具体为接收多频段卫星播发的星基修正数据，观测并记录多频段GNSS原始观测数据；星基解算模块完成定位结果数据的解算与收敛；航线规划模块获得控制点的定位结果数据后完成航线的设置。
所述的星基定位模块，具体用于接收来自于地球静止轨道卫星搭载的卫星导航增强信号转发器广播的星基修正数据。
所述的星基修正数据包括钟差修正数、轨道修正数、电离层修正数、对流层修正数、相位偏差修正数和码偏差修正数。
所述的星基解算模块，具体用于接收星基定位模块接收的多频段GNSS原始观测数据和星基修正数据，对数据进行解算以消除时延与误差。
所述的航线规划模块包括控制点设置模块、控制点定位及收敛模块、航线自动规划计算模块、自主避障模块、三维电子地图模块、路线绘制模块和数据传输模块；数据传输模块用于传输数据；控制点设置模块连接控制点定位及收敛模块，控制点定位及收敛模块连接航线自动规划计算模块，航线自动规划模块连接自主避障模块，自主避障模块连接路线绘制模块，路线绘制模块连接三维电子地图模块；控制点设置模块用于设置航线的预设点位；控制点定位及收敛模块读取星基解算模块解算出的定位结果；通过解算结果的积累，提高定位精度，收敛到设定精度的位置信息，并定位控制点；航线自动规划计算模块读取控制点和对应的位置信息后，自动规划出飞行路线；自主避障模块读取地理信息后，结合自动规划出的飞行线路，规避相关的障碍物并修正飞行线路；三维电子地图模块用于电子地图的加载、展示和叠加；路线绘制模块在三维电子地图模块基础上绘制已规划的航线路径，使航线规划模块完整具备使用与展示能力。
本发明还公开了一种基于所述的基于星基增强***的电力无人机航线规划***的方法，包括如下步骤：
S1.设置飞行计划，在三维电子地图中选定飞行区域；
S2.选择并标注电力无人机的起止点为控制点；
S3.在控制点位置打开星基定位模块，观测并接收多频段卫星导航***的卫星观测数据，并接收多频段卫星播发的星基修正数据；
S4.将卫星观测数据和星基修正数据传输到星基解算模块，并采用解算算法进行运算；
S5.星基解算模块连续运算并收敛，获得设定精度卫星定位位置结果作为控制点的位置信息；
S6.航线规划模块获取控制点的精准位置信息后结合三维电子地图，执行航线自动规划与避障规划任务；
S7.航线规划模块输出最终的电力无人机航线规划路线。
所述的步骤S4具体包括解算算法的测量方程式：
ΔY＝Gi·ΔX+ε
其中，ΔY为经过SBAS L1/L5校正后的n维伪距残差矢量，n为参与解算的卫星数量；ΔX为待测量点位置和钟差在线性化点处的偏移向量，具体为ΔX＝[Δx,Δy,Δz,c*Δt]，Δx、Δy和Δz分别为电力无人机位置相对于卫星位置在三维x轴、y轴和z轴上的偏移量，Δt为无人机相对于***参考时间的时钟偏移量，c为光速；ε为Δy的残余误差；Gi为第i颗卫星的观测矩阵。
所述的第i颗卫星的观测矩阵Gi具体为：
Gi＝[-cosEl[i]*sinAz[i]-cosEl[i]*cosAz[i]-sinEl[i]1]
其中，cosEl[i]表示第i颗卫星的仰角余弦值；sinAz[i]表示第i颗卫星的方位角正弦值；cosAz[i]表示第i颗卫星的方向角余弦值；sinEl[i]表示第i颗卫星的仰角正弦值。
待测量点位置和钟差在线性化点处的偏移向量Δx的加权最小二乘估计包括：
ΔX＝S·ΔY
其中，ΔY为经过SBAS L1/L5校正后的n维伪距残差矢量，n为参与解算的卫星数量；ΔX为待测量点位置和钟差在线性化点处的偏移向量，具体为ΔX＝[Δx,Δy,Δz,c*Δt]，Δx、Δy和Δz分别为电力无人机位置相对于卫星位置在三维x轴、y轴和z轴上的偏移量，Δt为无人机相对于***参考时间的时钟偏移量，c为光速；
Figure BDA0003216164750000031
Figure BDA0003216164750000032
表示第i颗卫星的观测矩阵Gi的转置，W为权阵：
Figure BDA0003216164750000041
其中，wi＝1/σ2[i]，σ2[i]表示第i颗卫星伪距误差的协方差。
第i颗卫星伪距误差的协方差σ2[i]具体为：
σ2[i]＝σ2DFC[i]+σ2UIVE[i]+σ2tropo[i]+σ2air[i]
其中，σ2DFC[i]为差分改正残差的协方差；σ2UIVE[i]为应用无电离层双频L1/L5组合后的电离层残差的协方差；σ2tropo[i]为对流层延迟改正残差的协方差；σ2air[i]为机载设备误差的协方差。
本发明提供的这种基于星基增强***的电力无人机航线规划***及方法，利用星基定位模块和星基解算模块，将采集的星基增强差分数据与卫星观测数据进行解析与解算，最终获得高精度的定位结果，使航线规划可以不受环境与网络影响，适用于电力无人机各种环境的实际应用。
附图说明
图1为本发明***的结构示意图。
图2为本发明***实施例的算法流程图。
图3为本发明方法的流程示意图。
图4为本发明方法的解算算法的流程示意图。
具体实施方式
如图1为本发明***的结构示意图：本发明提供的这种基于星基增强***的电力无人机航线规划***，包括星基定位模块、星基解算模块、电力无人机和航线规划模块；星基定位模块分别连接星基解算模块和无人机，电力无人机分别连接星基定位模块、星基解算模块和航线规划模块；星基定位模块观测并接收多频段卫星导航***的卫星观测数据；星基定位模块接收多频段卫星播发的星基修正数据，并实时观测并记录多频段GNSS原始观测数据；星基解算模块完成定位结果数据的解算与收敛，具体用于接收多频段GNSS原始观测数据和星基修正数据，以消除时延与误差，以获得高精度定位结果；航线规划模块获得控制点的定位结果数据后完成航线的设置。
所述的星基定位模块，接收来自于地球静止轨道(GEO)卫星搭载的卫星导航增强信号转发器广播的星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种星基修正数据，星基修正数据具体包括钟差修正数、轨道修正数、电离层修正数、对流层修正数、相位偏差修正数、码偏差修正数。
所述的航线规划模块包括控制点设置模块、控制点定位及收敛模块、航线自动规划计算模块、自主避障模块、三维电子地图模块、路线绘制模块和数据传输模块；数据传输模块用于传输数据；控制点设置模块连接控制点定位及收敛模块，控制点定位及收敛模块连接航线自动规划计算模块，航线自动规划模块连接自主避障模块，自主避障模块连接路线绘制模块，路线绘制模块连接三维电子地图模块；控制点设置模块用于设置航线的预设点位；控制点定位及收敛模块通过通信通道实时读取星基解算模块解算出的高精度定位结果；通过解算结果的积累，提高定位精度，收敛到设定精度的位置信息，并定位控制点；航线自动规划计算模块读取控制点和对应的位置信息后，自动规划出飞行路线；自主避障模块读取地理信息后，结合自动规划出的飞行线路，规避相关的障碍物并修正飞行线路；三维电子地图模块用于电子地图的加载、展示和叠加；路线绘制模块在三维电子地图模块基础上绘制已规划的航线路径，使航线规划模块完整具备使用与展示能力。如图2为本发明***实施例的算法流程图。
如图3为本发明方法的流程示意图。本发明还提供了一种方法，该方法包括所述的基于星基增强***的电力无人机航线规划模块，具体包括如下步骤：
S1.设置飞行计划，在三维电子地图中选定飞行区域；
S2.选择并标注电力无人机的起止点为控制点；
S3.在控制点位置打开星基定位模块，观测并实时接收多频段卫星导航***的卫星观测数据，并接收多频段卫星播发的星基修正数据；
S4.将卫星观测数据和星基载波相位差分数据(星基修正数据)传输到星基解算模块，并采用解算算法进行运算；
S5.星基解算模块连续运算并收敛，获得厘米级的高精度卫星定位位置结果作为控制点的位置信息；
S6.航线规划模块获取控制点的精准位置信息后结合三维电子地图，执行航线自动规划与避障规划任务；
S7.航线规划模块输出最终的电力无人机航线规划路线。
如图4为本发明方法的解算算法的流程示意图。所述的步骤S4具体包括解算算法的测量方程式：
ΔY＝Gi·ΔX+ε
其中，ΔY为经过SBAS L1/L5校正后的n维伪距残差矢量，n为参与解算的卫星数量；ΔX为待测量点位置和钟差在线性化点处的偏移向量，具体为ΔX＝[Δx,Δy,Δz,c*Δt]，Δx、Δy和Δz分别为电力无人机位置相对于卫星位置在三维x轴、y轴和z轴上的偏移量，Δt为无人机相对于***参考时间的时钟偏移量，c为光速；ε为Δy的残余误差；Gi为第i颗卫星的观测矩阵。
第i颗卫星的观测矩阵Gi具体为：
Gi＝[-cosEl[i]*sinAz[i]-cosEl[i]*cosAz[i]-sinEl[i]1]
其中，cosEl[i]表示第i颗卫星的仰角余弦值；sinAz[i]表示第i颗卫星的方位角正弦值；cosAz[i]表示第i颗卫星的方向角余弦值；sinEl[i]表示第i颗卫星的仰角正弦值；
待测量点位置和钟差在线性化点处的偏移向量的加权最小二乘估计(WLS)包括：
ΔX＝S·ΔY
其中，ΔY为经过SBAS L1/L5校正后的n维伪距残差矢量，n为参与解算的卫星数量；ΔX为待测量点位置和钟差在线性化点处的偏移向量，具体为ΔX＝[Δx,Δy,Δz,c*Δt]，Δx、Δy和Δz分别为电力无人机位置相对于卫星位置在三维x轴、y轴和z轴上的偏移量，Δt为无人机相对于***参考时间的时钟偏移量，c为光速；S为投影矩阵；
Figure BDA0003216164750000061
Gi T表示第i颗卫星的观测矩阵Gi的转置，W为权阵：
Figure BDA0003216164750000062
其中，wi＝1/σ2[i]，σ2[i]表示第i颗卫星伪距误差的协方差，σ2[i]具体为：
σ2[i]＝σ2DFC[i]+σ2UIVE[i]+σ2tropo[i]+σ2air[i]
其中，σ2DFC[i]为差分改正残差的协方差；σ2UIVE[i]为应用无电离层双频L1/L5组合后的电离层残差的协方差；σ2tropo[i]为对流层延迟改正残差的协方差；σ2air[i]为机载设备误差的协方差；各误差项的协方差计算方法参考RTCA-DO29E标准。

Claims (10)

1.一种基于星基增强***的电力无人机航线规划***，其特征在于包括星基定位模块、星基解算模块、电力无人机和航线规划模块；星基定位模块分别连接星基解算模块和无人机，电力无人机分别连接星基定位模块、星基解算模块和航线规划模块；星基定位模块观测并接收多频段卫星导航***的卫星观测数据，具体为接收多频段卫星播发的星基修正数据，观测并记录多频段GNSS原始观测数据；星基解算模块完成定位结果数据的解算与收敛；航线规划模块获得控制点的定位结果数据后完成航线的设置。
2.根据权利要求1所述的基于星基增强***的电力无人机航线规划***，其特征在于所述的星基定位模块，具体用于接收来自于地球静止轨道卫星搭载的卫星导航增强信号转发器广播的星基修正数据。
3.根据权利要求2所述的基于星基增强***的电力无人机航线规划***，其特征在于所述的星基修正数据包括钟差修正数、轨道修正数、电离层修正数、对流层修正数、相位偏差修正数和码偏差修正数。
4.根据权利要求1所述的基于星基增强***的电力无人机航线规划***，其特征在于所述的星基解算模块，具体用于接收星基定位模块接收的多频段GNSS原始观测数据和星基修正数据，对数据进行解算以消除时延与误差。
5.根据权利要求4所述的基于星基增强***的电力无人机航线规划***，其特征在于所述的航线规划模块包括控制点设置模块、控制点定位及收敛模块、航线自动规划计算模块、自主避障模块、三维电子地图模块、路线绘制模块和数据传输模块；数据传输模块用于传输数据；控制点设置模块连接控制点定位及收敛模块，控制点定位及收敛模块连接航线自动规划计算模块，航线自动规划模块连接自主避障模块，自主避障模块连接路线绘制模块，路线绘制模块连接三维电子地图模块；控制点设置模块用于设置航线的预设点位；控制点定位及收敛模块读取星基解算模块解算出的定位结果；通过解算结果的积累，提高定位精度，收敛到设定精度的位置信息，并定位控制点；航线自动规划计算模块读取控制点和对应的位置信息后，自动规划出飞行路线；自主避障模块读取地理信息后，结合自动规划出的飞行线路，规避相关的障碍物并修正飞行线路；三维电子地图模块用于电子地图的加载、展示和叠加；路线绘制模块在三维电子地图模块基础上绘制已规划的航线路径，使航线规划模块完整具备使用与展示能力。
6.一种基于权利要求1～5之一所述的基于星基增强***的电力无人机航线规划***的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1.设置飞行计划，在三维电子地图中选定飞行区域；
S2.选择并标注电力无人机的起止点为控制点；
S3.在控制点位置打开星基定位模块，观测并接收多频段卫星导航***的卫星观测数据，并接收多频段卫星播发的星基修正数据；
S4.将卫星观测数据和星基修正数据传输到星基解算模块，并采用解算算法进行运算；
S5.星基解算模块连续运算并收敛，获得设定精度卫星定位位置结果作为控制点的位置信息；
S6.航线规划模块获取控制点的精准位置信息后结合三维电子地图，执行航线自动规划与避障规划任务；
S7.航线规划模块输出最终的电力无人机航线规划路线。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的步骤S4具体包括解算算法的测量方程式：
ΔY＝Gi·ΔX+ε
其中，ΔY为经过SBAS L1/L5校正后的n维伪距残差矢量，n为参与解算的卫星数量；ΔX为待测量点位置和钟差在线性化点处的偏移向量，具体为ΔX＝[Δx,Δy,Δz,c*Δt]，Δx、Δy和Δz分别为电力无人机位置相对于卫星位置在三维x轴、y轴和z轴上的偏移量，Δt为无人机相对于***参考时间的时钟偏移量，c为光速；ε为Δy的残余误差；Gi为第i颗卫星的观测矩阵。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的第i颗卫星的观测矩阵Gi具体为：
Gi＝[-cosEl[i]*sinAz[i]-cosEl[i]*cosAz[i]-sinEl[i]1]
其中，cosEl[i]表示第i颗卫星的仰角余弦值；sinAz[i]表示第i颗卫星的方位角正弦值；cosAz[i]表示第i颗卫星的方向角余弦值；sinEl[i]表示第i颗卫星的仰角正弦值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于待测量点位置和钟差在线性化点处的偏移向量Δx的加权最小二乘估计包括：
ΔX＝S·ΔY
其中，ΔY为经过SBAS L1/L5校正后的n维伪距残差矢量，n为参与解算的卫星数量；ΔX为待测量点位置和钟差在线性化点处的偏移向量，具体为ΔX＝[Δx,Δy,Δz,c*Δt]，Δx、Δy和Δz分别为电力无人机位置相对于卫星位置在三维x轴、y轴和z轴上的偏移量，Δt为无人机相对于***参考时间的时钟偏移量，c为光速；
Figure FDA0003216164740000031
Figure FDA0003216164740000032
表示第i颗卫星的观测矩阵Gi的转置，W为权阵：
Figure FDA0003216164740000033
其中，wi＝1/σ2[i]，σ2[i]表示第i颗卫星伪距误差的协方差。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于第i颗卫星伪距误差的协方差σ2[i]具体为：
σ2[i]＝σ2DFC[i]+σ2UIVE[i]+σ2tropo[i]+σ2air[i]
其中，σ2DFC[i]为差分改正残差的协方差；σ2UIVE[i]为应用无电离层双频L1/L5组合后的电离层残差的协方差；σ2tropo[i]为对流层延迟改正残差的协方差；σ2air[i]为机载设备误差的协方差。
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