CN107991693A - 一种用于飞行校验的无人机定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机的民用航空导航设备在线监测及飞行校验领域，尤其是一种用于飞行校验的无人机定位方法及系统。本发明根据同一时刻，包含地面基准位置信息的基准载波相位观测量和无人机飞行路径的位置载波相位观测量，无人机上GPS定位系统得到该时刻，无人机的三维位置数据；同时，INS定位系统根据上一时刻无人机的初始位置信息，结合陀螺仪和加速度传感器等数据计算出该时刻，无人机的三维位置数据；无人机上的中央处理器根据该时刻，GPS定位处理器的无人机的三维位置数据中涉及的卫星数量决定采用INS定位系统的三维位置数据，还是采用INS定位系统与GPS定位系统融合后的三维位置数据作为最终的无人机三维位置数据，进行无人机实时定位。

Description

一种用于飞行校验的无人机定位方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机的民用航空导航设备在线监测及飞行校验领域，尤其是一种用于飞行校验的无人机定位方法及系统。

背景技术

当前国内外的飞行校验都是由专门的飞行校验人员驾驶装有专门校验设备的飞行校验飞机，按照飞行校验的有关规范，检查和评估各种导航、雷达、通信等设备的空间信号的质量及其容限，以及机场的进、离港飞行程序，并依据检查和评估的结果出具飞行校验报告。

据国际民航组织(ICAO)和我国民航总局的规定，对机场的导航设备进行飞行校验是强制性的，例如：新建机场必须进行飞行校验，I类仪表着陆系统每270天执行一次定期校验，机场全向信标每540天执行一次定期校验。面对我国机场数量的增加、机场周围建筑物的不断新建，飞行校验的需求越来越频繁，而目前我国的飞行校验人员数量少，可用的飞行校验飞机不超过20架，因此往往不能对有飞行校验需求的机场进行及时飞行校验，从而影响机场的运行和使用。

根据飞行校验相关规定，对某一科目进行飞行校验时，飞行校验飞机需一次性飞完规定的飞行路径，机载的飞行校验系统在此过程中的数据采集作业不得中断，否则采集的数据视为无效。例如，当对定位精度要求极高的进近阶段的导航设施进行仪表着陆系统III类飞行校验时，飞行校验飞机需从距离跑道入口22NM(跑道前方约41KM)处开始进近飞行直至距离跑道末端600M处结束，飞行的水平距离约为44KM，此过程中采用的机载飞行校验系统的GPS定位精度能达到2厘米，但此类系统体积庞大且重量过重，不适宜装载在无人机上。现有支持RTK差分定位系统的无人机在距离地面基准站10KM范围内，定位精度能达到厘米级，但与基准站距离越远，定位精度下降越迅速。因此，用于飞行校验的无人机如要达到传统有人机飞行校验系统的定位精度，需开发出体积小且轻便的定位精度能达到2厘米甚至更优的定位系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种用于飞行校验的无人机定位方法及系统。本发明提出的无人机定位方法及系统，旨在达到飞行校验规范要求的厘米级定位精度，且在无人机长达40公里以上距离的飞行过程中达到定位精度稳定可靠。提高导航设备运行安全性，并减少因设备测试和飞行校验对机场运营造成的影响。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于飞行校验的无人机定位方法包括：

根据同一时刻，包含地面基准站已知位置的基准载波相位观测量和无人机飞行路径的位置载波相位观测量，无人机上的GPS定位系统得到该时刻，无人机的三维位置数据；

同时，INS定位系统计算该时刻，无人机的三维位置数据；

中央处理器根据该时刻，无人机的GPS定位处理器的三维位置数据中涉及的卫星数量决定采用INS定位系统的无人机的三维位置数据，还是采用融合后的无人机的三维位置数据作为最终的无人机三维位置数据，进行无人机实时定位；其中，融合后的无人机的三维位置数据指的是将INS定位系统计算的无人机的三维位置数据与GPS定位系统计算的无人机的三维位置数据进行融合。

进一步的，包含地面基准位置信息的基准载波相位观测量获取具体是：

无人机上的数据链UHF接收机通过数据链UHF接收天线接收并解调地面数据链UHF发射天线发射的包括地面基准站已知位置的载波相位观测量；

进一步的，地面基准站UHF发射天线发射的包括地面基准站已知位置的载波相位观测量是根据以下步骤获取的，地面基准站包括地面控制站、GPS基准组件、第一双频GPS天线以及数据链UHF发射天线；具体为：

地面基准站置于地面一已知位置；

地面控制站控制GPS基准组件通过第一双频GPS天线采集GPS卫星信号形成该地面基准站的位置信息，输出包括地面基准站已知位置的载波相位观测量；

包括地面基准站已知位置的载波相位观测量调制到数据链UHF载波上，再由数据链UHF发射天线发送输出。

进一步的，INS定位系统计算无人机当前的三维位置数据：

在无人机上的双频GPS接收机对卫星进行观测的同时，INS定位系统根据上一时刻，无人机最终三维位置数据作为初始位置基准数据，INS组件根据该初始位置基准数据、陀螺仪和加速度传感器信息计算得到当前时刻，无人机位置的三维位置数据。

进一步的，无人机上的GPS定位系统计算无人机的三维位置数据具体过程是：

无人机上的双频GPS接收机通过第二双频GPS天线分别同时对GPS卫星进行观测，并分别同时采集包括无人机飞行路径的位置载波相位观测量；同时数据链UHF接收机通过机载UHF接收天线接收由地面基准站数据链UHF发射天线发射的包括地面基准站已知位置的载波相位观测量，解调得到地面基准站已知位置的载波相位观测量；

GPS定位处理器利用运动中求解整周模糊度技术，通过包括地面基准站已知位置的基准载波相位观测量和包括无人机飞行路径的位置载波相位观测量来求解整周模糊度，最后得出当前时刻，无人机三维位置数据。

进一步的，当GPS定位系统的无人机当前的三维位置数据中涉及的卫星数量小于n颗时，则采用INS定位系统计算的无人机当前的三维位置数据作为最终的无人机位置数据；否则，根据时间信息，将当前时刻的INS定位系统计算无人机当前的三维位置数据与GPS定位系统计算无人机当前的三维位置数据进行融合后的无人机的三维位置数据作为最终的无人机三维位置数据，进行无人机实时定位。

进一步的，每个时刻的无人机最终的三维位置数据保存在飞行管理系统中；无人机飞行路径是在指定位置点为起点，根据无人机上的飞行校验系统接收到的导航信号制定的飞行路线进行飞行，或是根据无人机上的飞行校验系统预先规划的飞行路线进行飞行。

基于所述用于飞行校验的无人机定位方法的定位系统包括：

GPS定位系统,用于根据当前时刻，包含地面基准站已知位置的基准载波相位观测量和无人机飞行路径的位置载波相位观测量，得到当前时刻，无人机的三维位置数据；

INS定位系统，用于计算当前时刻，无人机的三维位置数据；

中央处理器，用于根据该时刻，无人机的GPS定位处理器的三维位置数据中涉及的卫星数量决定采用INS定位系统的无人机的三维位置数据，还是采用融合后的无人机的三维位置数据作为最终的无人机三维位置数据，进行无人机实时定位；其中，融合后的无人机的三维位置数据指的是将INS定位系统计算的无人机的三维位置数据与GPS定位系统计算的无人机的三维位置数据进行融合。

进一步的，GPS定位系统得到无人机当前的三维位置数据具体过程是：GPS定位系统包括地面基准站以及机载GPS定位系统；机载GPS定位系统包括第二双频GPS天线、双频GPS接收机、第二数据链UHF接收天线、数据链UHF接收机以及GPS定位处理器；

双频GPS接收机通过第二双频GPS天线分别同时对GPS卫星进行观测，并分别同时采集包括无人机飞行路径的位置载波相位观测量；同时数据链UHF接收机通过机载UHF接收天线接收由地面基准站数据链UHF发射天线发射的包括地面基准站已知位置的载波相位观测量，解调得到地面基准站已知位置的载波相位观测量；

GPS定位处理器利用运动中求解整周模糊度技术，由地面基准站位置信息的基准载波相位观测量和双频接收机的包括无人机飞行路径的位置载波相位观测量来求解整周模糊度，最后得出当前时刻，无人机三维位置数据。

进一步的，INS定位系统计算无人机当前的三维位置数据：

在无人机上的双频GPS接收机对卫星进行观测的同时，INS定位系统根据上一时刻，无人机最终三维位置数据作为初始位置基准数据，INS组件根据该起始位置基准数据、陀螺仪和加速度传感器信息计算得到当前时刻，无人机位置的三维位置数据。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1)旨在达到飞行校验规范要求的厘米级定位精度，且在无人机长达40公里以上距离的飞行过程中达到定位精度稳定可靠。

2)当无人机接收的卫星信号出现丢失时，仍然能通过INS定位系统提供较为精确的无人机位置数据，从而保证飞行校验系统的正常运行。

3)减少因设备测试和飞行校验对机场运营造成的影响，提高导航设备运行安全性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1无人机定位系统的地面基准站结构图。

图2是GPS定位系统结构图。

图3是飞行校验中无人机飞行过程中定位流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

相关说明：

1、无人机数据链按照传输方向可以分为:上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站到无人机遥控指令等信号的发送和接收，下行链路主要完成无人机到地面站的遥测数据以及红外或电视图像等信号的发送和接收，并根据定位信息的传输利用上下行链路进行测距，数据链性能直接影响到无人机性能的优劣；故数据链UHF接收机指的是用于数据链传输的UHF接收机；数据链UHF发射天线指的是用于数据链传输的UHF发射天线；数据链UHF接收天线指的是用于数据链传输的UHF接收天线。

2、GPS基准组件指的是GPS双频接收机；GPS定位处理器指的是能进行GPS定位计算的处理器。

3、INS组件包括陀螺仪、加速度传感器等。

4、基准载波相位观测量指的是带有基准值的载波相位观测量；位置载波相位观测量指的是带有无人机实时位置信息的载波相位观测量。

本发明工作原理：

采用GPS+INS组合导航定位方式，该系统包括GPS定位系统、INS定位系统、中央处理器。通过该定位方式，实时为无人机定位提供更加精准的位置定位；具体是中央处理器根据当前GPS方式中卫星观测数量来判定是使用INS定位系统的数据还是使用将GPS定位系统的数据与INS定位系统的数据融合后的数据，作为最终的无人机定位位置。其中GPS定位系统采用基于RTK(real-time kinematic,实时动态)载波相位差分技术的双频接收机；INS(惯性导航)定位系统采用陀螺仪和加速度传感器。

1、本系统包括：GPS定位系统、INS定位系统以及中央处理器；

1)、GPS定位系统包括地面基准站以及机载GPS接收机；

11)地面基准站包括第一双频GPS天线、GPS基准组件、地面控制站和数据链UHF发射天线，其原理是地面基准站置于地面一已知位置，地面控制站控制GPS基准组件通过双频GPS天线同时采集到两个载波相位观测量(观测卫星的GPS数据)，然后调制到数据链UHF发射天线的载波上，再通过数据链UHF发射天线发射出去(发给数据链UHF接收机)。

12)机载GPS接收机包括第二双频GPS天线、双频GPS接收机、数据链UHF接收天线、数据链UHF接收机以及GPS定位处理器。其原理是双频GPS接收机通过第二双频GPS天线对GPS卫星分别同时进行观测，并分别采集包括无人机飞行路径的位置载波相位观测量，同时数据链UHF接收机通过机载UHF接收天线接收由地面基准站数据链UHF发射天线发射的信号，解调得到包含地面基准站位置信息的基准载波相位观测量，数据链完成地面基准站的数据链UHF发射天线和无人机上的的数据链UHF接收天线之间的数据传输。

GPS定位处理器利用OTF(on the flying,运动中求解整周模糊度)技术，通过包括地面基准站位置信息的载波相位观测量和双频接收机的无人机飞行路径的位置载波相位观测量来求解整周模糊度，最后得出厘米级定位精度的3维位置数据。

2)INS定位系统通过飞行管理系统得到起始位置数据，INS组件根据起始位置数据、陀螺仪和加速度传感器信息计算得到当前无人机位置的3维位置数据。

3)中央处理器不断提取GPS定位系统和INS定位系统获取的位置信息参数，将这些参数进行数据融合处理，最终得到当前位置的3维位置数据，并将融合后的位置数据传输给飞行管理系统存储记录，以定时对INS定位系统进行修正，使INS和GPS的数据同步。当GPS定位系统接收到的卫星数量为4颗以下时，中央处理器采用INS定位系统得到的位置数据作为最终的三维位置数据，而不对GPS和INS的位置信息参数进行融合处理；否则，采用INS定位系统与GPS定位系统融合后的无人机的三维位置数据作为最终的无人机三维位置数据。

更加具体的，在上述基础上，还包括飞行管理系统接收并记录中央处理器输出的无人机最终三维位置数据，并将无人机最终三维位置数据作为初始位置基准。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种用于飞行校验的无人机定位方法，其特征在于包括：

根据同一时刻，包含地面基准站已知位置的基准载波相位观测量和无人机飞行路径的位置载波相位观测量，无人机上的GPS定位系统得到该时刻，无人机的三维位置数据；

同时，INS定位系统计算该时刻，无人机的三维位置数据；

中央处理器根据该时刻，无人机的GPS定位处理器的三维位置数据中涉及的卫星数量决定采用INS定位系统的无人机的三维位置数据，还是采用融合后的无人机的三维位置数据作为最终的无人机三维位置数据，进行无人机实时定位；其中，融合后的无人机的三维位置数据指的是将INS定位系统计算的无人机的三维位置数据与GPS定位系统计算的无人机的三维位置数据进行融合，得到融合后的无人机的三维位置数据。

2.根据权利要求1所述的一种用于飞行校验的无人机定位方法，其特征在于包含地面基准位置信息的基准载波相位观测量获取具体是：

无人机上的数据链UHF接收机通过数据链UHF接收天线接收并解调地面数据链UHF发射天线发射的包括地面基准站已知位置的载波相位观测量。

3.根据权利要求2所述的一种用于飞行校验的无人机定位方法，其特征在于地面基准站UHF发射天线发射的包括地面基准站已知位置的载波相位观测量是根据以下步骤获取的，地面基准站包括地面控制站、GPS基准组件、第一双频GPS天线以及数据链UHF发射天线；具体为：

地面基准站置于地面一已知位置；

地面控制站控制GPS基准组件通过第一双频GPS天线采集GPS卫星信号形成该地面基准站的位置信息，输出包括地面基准站已知位置的载波相位观测量；

包括地面基准站已知位置的载波相位观测量调制到数据链UHF载波上，再由数据链UHF发射天线发送输出。

4.根据权利要求2所述的一种用于飞行校验的无人机定位方法，其特征在于INS定位系统计算无人机当前的三维位置数据：

在无人机上的双频GPS接收机对卫星进行观测的同时，INS定位系统根据上一时刻，无人机最终三维位置数据作为初始位置基准数据，INS组件根据该初始位置基准数据、陀螺仪和加速度传感器信息计算得到当前时刻，无人机位置的三维位置数据。

5.根据权利要求2所述的一种用于飞行校验的无人机定位方法，其特征在于无人机上的GPS定位系统计算无人机的三维位置数据具体过程是：

无人机上的双频GPS接收机通过第二双频GPS天线分别同时对GPS卫星进行观测，并分别同时采集包括无人机飞行路径的位置载波相位观测量；同时数据链UHF接收机通过机载UHF接收天线接收由地面基准站数据链UHF发射天线发射的包括地面基准站已知位置的载波相位观测量，解调得到地面基准站已知位置的载波相位观测量；

GPS定位处理器利用运动中求解整周模糊度技术，通过包括地面基准站已知位置的基准载波相位观测量和包括无人机飞行路径的位置载波相位观测量来求解整周模糊度，最后得出当前时刻，无人机三维位置数据。

6.根据权利要求1所述的一种用于飞行校验的无人机定位方法，其特征在于当GPS定位系统的无人机当前的三维位置数据中涉及的卫星数量小于n颗时，则采用INS定位系统计算的无人机当前的三维位置数据作为最终的无人机位置数据；否则，根据时间信息，将当前时刻的INS定位系统计算无人机当前的三维位置数据与GPS定位系统计算无人机当前的三维位置数据进行融合后的无人机的三维位置数据作为最终的无人机三维位置数据，进行无人机实时定位，n等于4。

7.根据权利要求1所述的一种用于飞行校验的无人机定位方法，其特征在于每个时刻的无人机最终的三维位置数据保存在飞行管理系统中；无人机飞行路径是在指定位置点为起点，根据无人机上的飞行校验系统接收到的导航信号制定的飞行路线进行飞行，或是根据无人机上的飞行校验系统预先规划的飞行路线进行飞行。

8.基于权利要求1至7之一所述一种用于飞行校验的无人机定位方法的定位系统，其特征在于包括：

GPS定位系统,用于根据当前时刻，包含地面基准站已知位置的基准载波相位观测量和无人机飞行路径的位置载波相位观测量，得到当前时刻，无人机的三维位置数据；

INS定位系统，用于计算当前时刻，无人机的三维位置数据；

中央处理器，用于根据该时刻，无人机的GPS定位处理器的三维位置数据中涉及的卫星数量决定采用INS定位系统的无人机的三维位置数据，还是采用融合后的无人机的三维位置数据作为最终的无人机三维位置数据，进行无人机实时定位；其中，融合后的无人机的三维位置数据指的是将INS定位系统计算的无人机的三维位置数据与GPS定位系统计算的无人机的三维位置数据进行融合。

9.根据权利要求8所述的一种用于飞行校验的无人机定位方法，其特征在于GPS定位系统得到无人机当前的三维位置数据具体过程是：GPS定位系统包括地面基准站以及机载GPS定位系统；机载GPS定位系统包括第二双频GPS天线、双频GPS接收机、第二数据链UHF接收天线、数据链UHF接收机以及GPS定位处理器；

双频GPS接收机通过第二双频GPS天线分别同时对GPS卫星进行观测，并分别同时采集包括无人机飞行路径的位置载波相位观测量；同时数据链UHF接收机通过机载UHF接收天线接收由地面基准站数据链UHF发射天线发射的包括地面基准站已知位置的载波相位观测量，解调得到地面基准站已知位置的基准载波相位观测量；

GPS定位处理器利用运动中求解整周模糊度技术，由地面基准站位置信息的基准载波相位观测量和双频接收机的包括无人机飞行路径的位置载波相位观测量来求解整周模糊度，最后得出当前时刻，无人机三维位置数据。

10.根据权利要求9所述的一种用于飞行校验的无人机定位方法，其特征在于INS定位系统计算无人机当前的三维位置数据：

在无人机上的双频GPS接收机对卫星进行观测的同时，INS定位系统根据上一时刻，无人机最终三维位置数据作为初始位置基准数据，INS组件根据该起始位置基准数据、陀螺仪和加速度传感器信息计算得到当前时刻，无人机位置的三维位置数据。