CN105035334A - 一种利用北斗卫星和gps双星控制的农业无人飞机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用北斗卫星和GPS双星控制的农业无人飞机，包括飞行器和地面控制系统，地面控制系统包括任务规划与控制站，电源车和天线系统；飞行器包括飞机机体，推进装置，农药喷洒装置，飞行操纵装置、供电系统、机载导航装置和飞行数据终端；任务规划与控制站包括任务规划设备，控制及显控台、图像及遥测设施、计算机及信号处理器、地面数据终端和通讯设备；机载导航装置包括GPS接收机、北斗接收机和导航控制系统；GPS接收机包括GPS接收机天线单元，GPS接收机主机单元和电源；北斗接收机包括收发天线，发送器和北斗接收机主机单元；导航控制系统对GPS导航信息和北斗导航信息进行预处理，统一变换坐标系和基准点。

Description

一种利用北斗卫星和GPS双星控制的农业无人飞机

技术领域

本发明涉及一种利用北斗卫星和GPS双星控制的农业无人飞机，属于卫星定位导航技术与农业飞行机械技术的交叉领域。

背景技术

随着科技发展，传统型农业生产模式逐步被机械化、信息化的方式所替代，采用无人机进行低空作业，具有使用灵活、体积小、成本低等特点，能够大幅提升农林植保飞行作业的效率和精准度。目前国内农业用途的无人轻小型飞机产业处于研究和初步试用阶段，我国农业航空技术总体还处在起步阶段。

无人机在农业方面可以提供三个方面的详细信息：首先，从空中查看农作物，能够揭示灌溉、土壤变异、甚至肉眼无法发现的病虫害和细菌侵袭等很多问题。其次，无人机携带的空中照相机可以提供多波段的图像，捕获多光谱的数据，这些信息整合在一起，可以提供一张详尽的农作物细节图，标示出健康的农作物和长势不好的农作物之间的差异，而使用肉眼根本无法发现这些差别。最后，无人机每周、每天甚至每小时都能对农作物进行巡视，拍摄的图像能够显示农作物的生长变化情况，指出出现问题的区域，从而便于更好地进行田间管理。

作为农业大国，中国有18亿亩基本农田，但虫害对农业生产造成的破坏性影响，严重制约了我国的粮食生产安全，因此为实现农业可持续发展，必须做好农业病虫害防治。喷洒农药是病虫害防治的重要措施之一，而喷酒农药也一直是田间最累、最危险的工作。我国每年农药中毒人数有10万之众，死亡人数达1万多人。农药残留和污染造成的病死人数则更是一个惊人数字。采用无人机进行农药喷洒逐渐获得越来越多的关注。但是进行大面积的农业喷药，需要对无人机的飞行轨迹进行准确的定位，否则会导致失去对无人机的准确操控，甚至造成坠机事故。目前的无人机多采用单一的导航系统，由于任何单一导航系统都不可避免的具有自身的缺点，仅仅采用单一的导航系统无法满足大面积农业喷药对无人机操控准确性的要求。

发明内容

为了解决以上技术问题，本申请提供一种利用北斗卫星和GPS双星控制的农业无人飞机，该无人飞机包括：飞行器和地面控制系统，所述的地面控制系统包括任务规划与控制站，电源车和天线系统；所述的飞行器包括飞机机体，推进装置，农药喷洒装置，飞行操纵装置、供电系统、机载导航装置和飞行数据终端；所述的任务规划与控制站用于对无人飞机上传输下来的图像、指令和遥测数据进行处理及显示，所述的任务规划与控制站包括任务规划设备，控制及显控台、图像及遥测设施、计算机及信号处理器、地面数据终端和通讯设备；所述的机载导航装置实时测量无人飞机与导航卫星之间的相对速度和位置信息，从而确定无人飞机在地球上的导航参数；所述的机载导航装置包括GPS接收机、北斗接收机和导航控制系统；所述的GPS接收机用于接收GPS卫星发射的信号，根据机载导航装置确定的导航参数实现实时的导航和定位，输出GPS导航信息；所述的GPS接收机包括GPS接收机天线单元，GPS接收机主机单元和电源；所述的GPS接收机主机单元包括变频器，信号信道，微处理器，内存和显示器；所述的北斗接收机输出北斗导航信息；所述的北斗接收机包括接收北斗卫星发射的S波段信号的收发天线，向卫星发送L波段人站响应信号的发送器和向北斗卫星发送申请服务并接收地面中心发送的坐标位置的北斗接收机主机单元；所述的导航控制系统对GPS导航信息和北斗导航信息进行预处理，统一变换GPS导航信息和北斗导航信息的坐标系，并统一GPS导航信息和北斗导航信息的参考点，利用卡尔曼（Kalman）滤波技术对GPS导航信息和北斗导航信息进行组合处理，实现导航信息的集中控制、集中管理和集中显示。

所述的无人飞机在地球上的导航参数包括速度和位置信息。

所述的GPS接收机天线单元包括GPS天线和前置放大器，GPS天线将GPS卫星信号的微弱电磁波转化为GPS信号电流，前置放大器将微弱的GPS信号电流放大；所述的变频器用于将前置放大器放大的GPS信号电流的射频信号转变为中频信号；所述的信号信道中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环，用于将接收到的中频信号解扩解调得到导航电文，跟踪卫星，进行伪距测量、载波相位测量和多普勒频移测量；所述的内存用于存储卫星星历，卫星历书，接收机采集到的码相位伪距观测值，载波相位观测值和多普勒频移。

所述的地面数据终端包括微波电子系统和天线，用于在所述的任务规划与控制站与无人飞机之间提供视距通信，接收无人飞机的飞行状态信息和任务有效载荷传感器数据。

所述的飞行数据终端包括视频发射机、天线和接收器，用于传递图像和飞行数据，并接收地面指令；

所述的地面数据终端和飞行数据终端之间通过上行数据链路和下行数据链路进行持续的双向通信，上行数据链路提供对无人飞机的飞行路线的控制以及对农药喷洒装置下达指令；下行数据链路提供低数据率（1MHz以下）频道以接收指令和传输飞机的飞行状态信息。

所述的飞行状态信息包括飞行高度，飞行速度和飞行方向。

所述的任务有效载荷传感器数据包括录像图像、目标距离和方位线。

所述的推进装置为26马力的两冲程循环式发动机，并设置有推进式螺旋桨。

所述的飞机机体由纤维和铝合金组成。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的利用北斗卫星和GPS双星控制的农业无人飞机由于采用了北斗卫星和GPS两种定位导航系统，利用其性能上的互补特性，获得了比单独使用其中一套系统更高的导航性能。另外，本发明所述的农业无人飞机的地面控制系统不仅能够实现飞行监控和图像目标评价，还能够对无人飞机的飞行任务进行规划，控制无人飞机按照预编程序飞行，抗干扰的上行数据链路和下行数据链路进行持续的双向通信，上行数据链路提供对无人飞机的飞行路线的控制以及对农药喷洒装置下达指令；下行数据链路提供低数据率（1MHz以下）频道以接收指令和传输飞机的飞行状态信息。

附图说明

图1为本发明所述的农业无人飞机的结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本申请提供一种利用北斗卫星和GPS双星控制的农业无人飞机，该无人飞机包括：飞行器和地面控制系统，所述的地面控制系统包括任务规划与控制站，电源车和天线系统。所述的电源车用于为所述的地面控制系统提供电源，所述的天线系统用于接收飞行器发射的信号，实现地面控制系统与飞行器之间的双向通信。

所述的任务规划与控制站用于对无人飞机上传输下来的图像、指令和遥测数据进行处理及显示，所述的任务规划与控制站包括任务规划设备，控制及显控台、图像及遥测设施、计算机及信号处理器、地面数据终端和通讯设备；所述的飞行器包括飞机机体，推进装置，农药喷洒装置，飞行操纵装置、供电系统、机载导航装置和飞行数据终端；所述的机载导航装置实时测量无人飞机与导航卫星之间的相对速度和位置信息，从而确定无人飞机在地球上的导航参数；所述的机载导航装置包括GPS接收机、北斗接收机和导航控制系统；所述的GPS接收机用于接收GPS卫星发射的信号，根据机载导航装置确定的导航参数实现实时的导航和定位，输出GPS导航信息；所述的GPS接收机包括GPS接收机天线单元，GPS接收机主机单元和电源；所述的GPS接收机主机单元包括变频器，信号信道，微处理器，内存和显示器；所述的北斗接收机输出北斗导航信息；所述的北斗接收机包括接收北斗卫星发射的S波段信号的收发天线，向卫星发送L波段人站响应信号的发送器和向北斗卫星发送申请服务并接收地面中心发送的坐标位置的北斗接收机主机单元；所述的导航控制系统对GPS导航信息和北斗导航信息进行预处理，统一变换GPS导航信息和北斗导航信息的坐标系，并统一GPS导航信息和北斗导航信息的基准点，利用卡尔曼（Kalman）滤波技术对GPS导航信息和北斗导航信息进行组合处理，实现导航信息的集中控制、集中管理和集中显示。

中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，中国计划在2020年左右覆盖全球。35颗卫星在离地面2万多千米的高空上，以固定的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

所述的北斗接收机的工作过程为：

首先地面中心向北斗一号卫星和二号卫星同时发送C波段询问信号，两颗卫星接收后，经卫星上的出站转发器变频放大后，向服务区内的用户（即无人飞机）用S波段广播，用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星用L波段发送人站响应信号（用户的申请服务内容包含在内），经卫星转发回地面中心（C波段）；地面中心接收解调用户发送的信号，分别测量出用户所在点至两颗卫星的距离和，然后根据用户的申请内容进行相应的数据处理。根据测量的距离和，加上从存储在计算机内的数字地图中查询到的用户高程值（或由用户携带的气压测高仪提供），计算出用户所在点的坐标位置，然后置入出站信号发送给用户，用户接收此信号后便可知自己的坐标位置。

所述的GPS接收机输出的GPS导航信息和所述的北斗接收机输出的北斗导航信息由于外界干扰或参考基准的不同，例如由于各种干扰的存在导致明显偏离正常值的野值数据，或者GPS导航系统与北斗卫星导航系统的参考坐标不一致，导致两个系统输出的导航信息无法直接利用。

GPS导航信息包含的位置信息是处于WGS-84坐标系下的，而且GPS和北斗分别采用各自天线点的位置作为基准，不同的基准点导致位置差距过大，进行基准点统一对于双星控制的农业无人飞机是十分必要的，理想的基准点应该与农业无人飞机的摇摆中心相一致。

基准点和参考坐标的统一由所述的导航控制系统完成。所述的导航控制系统对GPS导航信息和北斗导航信息进行预处理，统一变换GPS导航信息和北斗导航信息的坐标系，并统一GPS导航信息和北斗导航信息的基准点，利用Kalman滤波技术对GPS导航信息和北斗导航信息进行组合处理，实现导航信息的集中控制、集中管理和集中显示。基准点和参考坐标的统一涉及复杂的数学计算，计算过程属于现有技术，在此不再赘述，熟悉本领域技术知识的技术人员完全能够理解两种导航系统组合的计算过程，例如2009年武汉大学出版社出版的《卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法》、2010年航空工业出版社出版的《导航定位装备》等书都详细描述了计算过程和计算方法，可以供本领域技术人员进行参考。

所述的无人飞机在地球上的导航参数包括速度和位置信息。

所述的GPS接收机天线单元包括GPS天线和前置放大器，GPS天线将GPS卫星信号的微弱电磁波转化为GPS信号电流，前置放大器将微弱的GPS信号电流放大；所述的变频器用于将前置放大器放大的GPS信号电流的射频信号转变为中频信号；由于接收到的卫星信号是扩频的调制信号，解扩解调才能得到导航电文；所述的信号信道中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环，用于将接收到的中频信号解扩解调得到导航电文，跟踪卫星，进行伪距测量、载波相位测量和多普勒频移测量；所述的内存用于存储卫星星历，卫星历书，接收机采集到的码相位伪距观测值，载波相位观测值和多普勒频移。

所述的地面数据终端包括微波电子系统和天线，用于在所述的任务规划与控制站与无人飞机之间提供视距通信，接收无人飞机的飞行状态信息和任务有效载荷传感器数据。

所述的飞行数据终端包括视频发射机、天线和接收器，用于传递图像和飞行数据，并接收地面指令。

所述的地面数据终端和飞行数据终端之间通过上行数据链路和下行数据链路进行持续的双向通信，上行数据链路提供对无人飞机的飞行路线的控制以及对农药喷洒装置下达指令；下行数据链路提供低数据率（1MHz以下）频道以接收指令和传输飞机的飞行状态信息。

所述的飞行状态信息包括飞行高度，飞行速度和飞行方向。

所述的任务有效载荷传感器数据包括录像图像、目标距离和方位线。

所述的推进装置为26马力的两冲程循环式发动机，并设置有推进式螺旋桨。

所述的飞机机体由纤维和铝合金组成，重量轻，强度大。

综上所述，即为本发明实施例内容，而显然本发明的实施方式并不仅限于此，其可根据不同应用环境，利用本发明的功能实现相应的需求。

Claims (10)

1.一种利用北斗卫星和GPS双星控制的农业无人飞机，其特征在于，包括：飞行器和地面控制系统，所述的地面控制系统包括任务规划与控制站，电源车和天线系统；所述的飞行器包括飞机机体，推进装置，农药喷洒装置，飞行操纵装置、供电系统、机载导航装置和飞行数据终端；所述的任务规划与控制站用于对无人飞机上传输下来的图像、指令和遥测数据进行处理及显示，所述的任务规划与控制站包括任务规划设备，控制及显控台、图像及遥测设施、计算机及信号处理器、地面数据终端和通讯设备；所述的机载导航装置实时测量无人飞机与导航卫星之间的相对速度和位置信息，从而确定无人飞机在地球上的导航参数；所述的机载导航装置包括GPS接收机、北斗接收机和导航控制系统；所述的GPS接收机用于接收GPS卫星发射的信号，根据机载导航装置确定的导航参数实现实时的导航和定位，输出GPS导航信息；所述的GPS接收机包括GPS接收机天线单元，GPS接收机主机单元和电源；所述的GPS接收机主机单元包括变频器，信号信道，微处理器，内存和显示器；所述的北斗接收机输出北斗导航信息；所述的北斗接收机包括接收北斗卫星发射的S波段信号的收发天线，向卫星发送L波段人站响应信号的发送器和向北斗卫星发送申请服务并接收地面中心发送的坐标位置的北斗接收机主机单元；所述的导航控制系统对GPS导航信息和北斗导航信息进行预处理，统一变换GPS导航信息和北斗导航信息的坐标系，并统一GPS导航信息和北斗导航信息的基准点，利用卡尔曼滤波技术对GPS导航信息和北斗导航信息进行组合处理，实现导航信息的集中控制、集中管理和集中显示。

2.根据权利要求1所述的农业无人飞机，其特征在于，所述的无人飞机在地球上的导航参数包括速度和位置信息。

3.根据权利要求2所述的农业无人飞机，其特征在于，所述的GPS接收机天线单元包括GPS天线和前置放大器，GPS天线将GPS卫星信号的微弱电磁波转化为GPS信号电流，前置放大器将微弱的GPS信号电流放大；所述的变频器用于将前置放大器放大的GPS信号电流的射频信号转变为中频信号；所述的信号信道中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环，用于将接收到的中频信号解扩解调得到导航电文，跟踪卫星，进行伪距测量、载波相位测量和多普勒频移测量；所述的内存用于存储卫星星历，卫星历书，接收机采集到的码相位伪距观测值，载波相位观测值和多普勒频移。

4.根据权利要求1-3任一项所述的农业无人飞机，其特征在于，所述的地面数据终端包括微波电子系统和天线，用于在所述的任务规划与控制站与无人飞机之间提供视距通信，接收无人飞机的飞行状态信息和任务有效载荷传感器数据。

5.根据权利要求4所述的农业无人飞机，其特征在于，所述的飞行数据终端包括视频发射机、天线和接收器，用于传递图像和飞行数据，并接收地面指令。

6.根据权利要求5所述的农业无人飞机，其特征在于，所述的地面数据终端和飞行数据终端之间通过所述的上行数据链路和下行数据链路进行持续的双向通信，上行数据链路提供对无人飞机的飞行路线的控制以及对农药喷洒装置下达指令；下行数据链路提供1MHz以下的低数据率频道以接收指令和传输飞机的飞行状态信息。

7.根据权利要求6所述的农业无人飞机，其特征在于，所述的飞行状态信息包括飞行高度，飞行速度和飞行方向。

8.根据权利要求4所述的农业无人飞机，其特征在于，所述的任务有效载荷传感器数据包括录像图像、目标距离和方位线。

9.根据权利要求8所述的农业无人飞机，其特征在于，所述的推进装置为26马力的两冲程循环式发动机，并设置有推进式螺旋桨。

10.根据权利要求9所述的农业无人飞机，其特征在于，所述的飞机机体由纤维和铝合金组成。