CN108490473A - 一种融合gnss和uwb的无人机增强定位方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法与系统，方法包括：预先设置伪基站无人机以及流动站无人机；流动站无人机检测当前GNSS卫星信号个数，并将GNSS卫星信号个数与阈值比较；当卫星信号个数大于阈值时，流动站无人机使用GNSS定位模块接收基准站发来的定位信息，并进行实时坐标差分解算；当卫星信号个数小于阈值时，流动站无人机使用UWB定位模块，通过UWB测距并接收伪基站无人机发来的定位信息，解算出实时坐标。本发明融合了GNSS和UWB两种定位技术来实现无人机在复杂环境下的定位，当卫星信号受到影响时，无人机自动使用UWB进行定位，克服了卫星信号受干扰对无人机定位导航的影响。
Description
技术领域
本发明涉及室外定位技术领域，具体涉及一种融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法与系统。
背景技术
目前，GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)和UWB(Ultra-Wideband，超宽带)在定位技术领域应用广泛。
无人机利用GNSS可以在室外良好观测环境下取得高精度的定位导航结果，但是卫星信号容易受到建筑物的遮挡，从而导致接收到的观测卫星个数不足，使无人机无法在这种复杂环境下进行相关定位导航作业，给用户的使用带来了不便。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法及系统，旨在解决现有技术中无人机在复杂环境下难以进行精确的定位导航作业的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其中，所述方法包括：
预先设置伪基站无人机以及流动站无人机，所述伪基站无人机按照预设的空间分布包围所述流动站无人机；
所述流动站无人机实时检测当前接收的GNSS卫星信号个数，并将检测到的GNSS卫星信号个数与预设的阈值比较；
当检测到GNSS卫星信号个数大于阈值时，所述流动站无人机使用预设的GNSS定位模块接收基准站发来的定位信息，并进行实时坐标差分解算；
当检测到GNSS卫星信号个数小于阈值时，所述流动站无人机使用预设的UWB定位模块，通过UWB测距并接收伪基站无人机发来的定位信息，解算出流动站无人机的实时坐标。
所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其中，所述伪基站无人机与流动站无人机均设置相同配置的GNSS定位模块、UWB定位模块以及处理器，所述处理器与GNSS定位模块、UWB定位模块均连接。
所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其中，所述GNSS定位模块天线的相位中心与UWB定位模块天线的相位中心位于同一条铅锤线上。
所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其中，所述预先设置伪基站无人机以及流动站无人机，所述伪基站无人机按照预设的空间分布包围所述流动站无人机具体包括：
将两架伪基站无人机分别设置在正方体上表面的对角线上的两个顶点上；
将另外两架伪基站无人机分别设置在正方体下表面的对角线上的两个顶点上；且上表面的对角线与下表面的对角线的投影相互垂直。
所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其中，所述流动站无人机实时检测当前接收的GNSS卫星信号个数，并将检测到的GNSS卫星信号个数与预设的阈值比较具体包括：
预先设置一用于判断当前接收的GNSS卫星信号个数是否充足的阈值；
所述流动站无人机实时检测当前接收的GNSS卫星信号个数；
将检测到的GNSS卫星信号个数与所述阈值比较，判断当前GNSS卫星信号个数是否充足。
所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其中，所述当检测到GNSS卫星信号个数大于阈值时，所述流动站无人机使用预设的GNSS定位模块接收基准站发来的定位信息，并进行实时坐标差分解算具体包括：
当检测到GNSS卫星信号个数大于所述阈值时，则判定当前GNSS卫星信号个数充足；
所述流动站无人机使用所述GNSS定位模块接收基准站发来的定位信息；
对所述定位信息进行实时坐标差分解算，得到流动站无人机的实时坐标。
所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其中，所述对所述定位信息进行实时坐标差分解算，得到流动站无人机的实时坐标之后还包括：
所述流动站无人机中的处理器将解算出的GNSS相位中心坐标转换为UWB相位中心坐标，并预存为使用UWB定位模块进行定位时的初始坐标。
所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其中，所述当检测到GNSS卫星信号个数小于阈值时，所述流动站无人机使用预设的UWB定位模块，通过UWB测距并接收伪基站无人机发来的定位信息，解算出流动站无人机的实时坐标具体包括：
当检测到GNSS卫星信号个数小于所述阈值时，则判定当前GNSS卫星信号个数不足；
所述流动站无人机使用UWB定位模块接收伪基站无人机的UWB定位模块发来的定位信息，并进行解码；
提取四个伪基站无人机的实时坐标，并进行伪基站无人机与流动站无人机之间的UWB测距；
根据伪基站无人机的实时坐标以及伪基站无人机与流动站无人机之间距离进行解算，得到流动站无人机的实时坐标。
所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其中，所述根据伪基站无人机的实时坐标以及伪基站无人机与流动站无人机之间距离进行解算，得到流动站无人机的实时坐标具体包括：
根据伪基站无人机的实时坐标以及伪基站无人机与流动站无人机之间距离建立UWB定位的非线性观测方程；
对所述非线性观测方程进行线性化处理，并转换为矩阵形式；
确定观测值权阵，解算出流动站无人机的坐标的估计值；
对所述流动站无人机的坐标的估计值进行迭代计算，当迭代出的坐标值满足预设的阈值条件时，得到所述流动站无人机的最终实时坐标。
一种基于上述任一项所述的基于GNSS和UWB技术的无人机定位系统，其中，所述无人机定位系统包括：基准站、伪基站无人机以及流动站无人机，所述伪基站无人机设置有四架，所述流动站无人机设置有一架，且所述伪基站无人机按照预设的空间分布包围所述流动站无人机；
所述伪基站无人机与流动站无人机均设置相同配置的GNSS定位模块、UWB定位模块以及处理器，所述处理器与GNSS定位模块、UWB定位模块均连接。
本发明的有益效果：本发明融合了GNSS和UWB两种定位技术来实现无人机在复杂环境下的定位，当卫星信号受到建筑物或其他物体的影响不能够完成定位时，无人机能够自动使用UWB进行定位，克服了卫星信号受干扰对无人机定位导航的影响，可为用户在GNSS信号不稳定区域提供不间断的无人机定位导航服务，给用户的使用提供了方便。
附图说明
图1是本发明的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法较佳实施例的流程图。
图2是本发明中的伪基站无人机的空间布局示意图。
图3是本发明中确定观测值权阵时的方差曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于现有技术中无人机在室外进行导航作业时，卫星信号容易受到建筑物的遮挡，从而导致接收到的GNSS观测卫星个数不足，使无人机无法进行定位。为了解决上述问题，本发明提供一种融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，如图1所示，图1是本发明的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法较佳实施例的流程图。所述融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法包括以下步骤：
步骤S100、预先设置伪基站无人机以及流动站无人机，所述伪基站无人机按照预设的空间分布包围所述流动站无人机。
具体实施时，本发明预先建立伪基站无人机以及流动站无人机。本实施例中所述伪基站无人机设置有四架，所述流动站无人机设置有一架。并且所述伪基站无人机以及流动站无人机均设置相同配置的GNSS定位模块、UWB定位模块以及处理器，所述处理器与GNSS定位模块、UWB定位模块均连接。伪基站无人机为流动站无人机提供动态高精度的UWB基站坐标。
在本发明中所述GNSS定位模块用于接收基准站发来的定位信息，进行实时坐标差分解算，以及得到伪基站无人机与流动站无人机的GNSS相位中心坐标。所述UWB定位模块能够进行伪基站无人机和流动站无人机之间的距离测量，以及发送与接收伪基站无人机的定位信息。较佳地，所述UWB定位模块的天线相位中心与GNSS定位模块天线的相位中心位于同一条铅垂线上，保持有一个固定高差，具体地，可以通过测量取平均值方式得到固定高差D。所述处理器用于实时数据处理与坐标解算，包括GNSS相位中心坐标与UWB相位中心坐标的转换、UWB定位坐标的实时解算。本发明中的流动站无人机还与应用设备连接，实现具体地飞行作业
具体地，由于本发明是将GNSS定位技术与UWB定位技术进行融合，使得所述流动站无人机可以在观测卫星信号个数不足时选择UWB定位模块进行定位。但是，在使用UWB定位模块进行测距定位时，定位精度很大程度上受伪基站无人机与流动站无人机的空间位置关系影响。而几何精度因子(GDOP)可以衡量定位系统空间位置分布对UWB定位精度的影响，它表示了流动站无人机与伪基站无人机之间的几何位置关系对UWB测距误差的放大程度，GDOP的数值越小，定位精度越高，它的计算公式为：
其中，B为线性观测方程的系数矩阵。
因此为了使得流动站无人机在飞行作业时，能够保证定位精度，本实施例中的四架伪基站无人机在飞行过程中不能集中于一个区域，应该在不同方位区域均匀分布，并且所述四架伪基站无人机按照预设的空间分布包围所述流动站无人机。如图2所示，图2是本发明中的伪基站无人机的空间布局示意图。具体为两个伪基站无人机分为一层，总共按一定高度差分为两层，如图2中所示，将两架伪基站无人机分别设置在正方体上表面的对角线上的两个顶点上；将另外两架伪基站无人机分别设置在正方体下表面的对角线上的两个顶点上；且上表面的对角线与下表面的对角线的投影相互垂直。
进一步地，步骤S200、所述流动站无人机实时检测当前接收的GNSS卫星信号个数，并将检测到的GNSS卫星信号个数与预设的阈值比较。
具体实施时，由于无人机在室外进行导航作业时，卫星信号容易受到建筑物的遮挡，而观测卫星个数不足将会导流动站无人机无法进行准确的定位，因此为了实时判断当前接收的GNSS卫星信号个数是否充足，本发明预先设置一用于判断当前接收的GNSS卫星信号个数是否充足的阈值；所述流动站无人机实时检测当前接收的GNSS卫星信号个数；将检测到的GNSS卫星信号个数与所述阈值比较(所述阈值设置为≥4)，从而判断当前GNSS卫星信号个数是否充足，以便流动站无人机可以在卫星信号个数不足时，自动选择UWB定位模块进行定位。
进一步地，步骤S300、当检测到GNSS卫星信号个数大于阈值时，所述流动站无人机使用预设的GNSS定位模块接收基准站发来的定位信息，并进行实时坐标差分解算。
具体实施时，当流动站无人机检测到GNSS卫星信号个数大于所述阈值时，则判定当前到GNSS卫星信号个数充足，此时GNSS信号稳定；所述流动站无人机就会直接使用所述GNSS定位模块进行定位，接收基准站发来的定位信息；对所述定位信息进行实时坐标差分解算，得到流动站无人机的实时坐标。
较佳地，所述流动站无人机中的处理器将解算出的GNSS相位中心坐标转换为UWB相位中心坐标，并预存为使用UWB定位模块进行定位时的初始坐标P0(X0,Y0,Z0)。
所述GNSS定位模块不仅能够为四架伪基站无人机与GNSS信号稳定状态下的流动站无人机提供实时的高精度坐标，还能够用来进行时钟同步。具体步骤为：
(1)当GNSS信号稳定，例如能接收到四颗及以上卫星信号时，GNSS定位模块可以单独直接解算出钟差进行时钟同步。
(2)当GNSS信号不稳定，例如只能接收一到三颗卫星信号时，利用UWB定位模块得到的流动站无人机坐标和GNSS定位模块观测到的一颗卫星信号就能够进行钟差解算，如果能接收到多颗卫星信号，则分别对每个卫星信号进行钟差计算，取平均值作为最终的钟差值。钟差计算公式为：
其中，ρ为伪距，(X,Y,Z)为流动站GNSS相位中心坐标，(X1,Y1,Z1)为卫星坐标，Δt为所要求的钟差，c为光速。
进一步地，步骤S400、当检测到GNSS卫星信号个数小于阈值时，所述流动站无人机使用预设的UWB定位模块，通过UWB测距并接收伪基站无人机发来的定位信息，解算出流动站无人机的实时坐标。
具体实施时，当所述流动站无人机检测到GNSS卫星信号个数小于所述阈值时，则判定当前到GNSS卫星信号个数不足，此时GNSS卫星信号不稳定，则所述流动站无人机自动选择UWB定位模块进行定位坐标解算。具体地，首先所述流动站无人机使用UWB定位模块接收伪基站无人机的UWB定位模块发来的定位信息，并进行解码。
本实施例中伪基站无人机与流动站无人机之间的数据传输采用UWB实时传输方式，保证了四架伪基站无人机的定位信息能够被流动站无人机实时接收，减小数据传输时延，提高定位精度。具体传输方法为：
1)四架伪基站无人机上的UWB定位模块都拥有唯一标识号，流动站无人机上的UWB模块存储了四架伪基站无人机的标识号。
2)伪基站无人机将实时测得的自身定位信息编码后发送，流动站无人机对接收到的所有UWB信号依据四个标识号进行筛选，得到四架伪基站无人机的定位信息，定位信息中的参数包括伪基站无人机标识号、伪基站无人机的实时坐标、信号发送时间，其编码格式见表1。
| 数据内容 | Bit/s | 说明 |
| 伪基站无人机的标识号 | String | 该数据所属伪基站无人机 |
| 伪基站无人机的实时坐标 | double | 包括XYZ三个坐标值 |
| 信号发送时间 | double | UWB信号发射时间 |
表1
进一步地，所述流动站无人机提取四个伪基站无人机的实时坐标，并进行伪基站无人机与流动站无人机之间的UWB测距。根据伪基站无人机的实时坐标以及伪基站无人机与流动站无人机之间距离建立UWB定位的非线性观测方程。然后对所述非线性观测方程进行线性化处理，并转换为矩阵形式。
具体地，由伪基站无人机与流动站无人机之间的距离计算公式建立非线性观测方程为：
其中，i为四个伪基站编号，fi为第i个伪基站与流动站间的距离，(Xi,Yi,Zi)为第i个伪基站的位置坐标，(X,Y,Z)为流动站坐标，X＝X0+Δx,Y＝Y0+Δy,Z＝Z0+Δz。
其次，将上式在初始位置P0(X0,Y0,Z0)处线性化为：
其中Δx，Δy,Δz为流动站坐标与初始坐标间的变化量。
较佳地，处理器提取出预存的坐标作为流动站的初始坐标值P0(X0,Y0,Z0)，将观测方程在P0处线性化为：
将线性化后的方程式转化为矩阵形式：
若用B，l来表示线性化后的矩阵方程，则参数解算表达式为：
其中,l＝f-f0，Q为观测值权阵。
由于合适的观测值权阵会提高流动站无人机的定位精度，因此必须确定权阵Q。
本发明中通过对UWB定位模块测距误差进行预先标定，将一定测距范围分成多个等间距区间，使用两个UWB定位模块对不同距离区间进行多次测距并求解相应方差，最后画出方差曲线，依据这个曲线对UWB定位模块中的四个观测值进行定权，以此来确定观测值权阵。具体步骤为：
1)将1到100米距离按5米间隔分成20个测距点，固定一个UWB定位模块位置，使用另一个UWB定位模块依次在20个点处进行多次测距。
2)求解出20个点位观测值方差，并将方差值作为坐标Y轴，观测距离作为X轴，画出方差曲线图，如图3。图3是本发明中确定观测值权阵时的方差曲线图。
3)根据方差曲线内插定权，权阵表示为：
其中，σi,i＝1,2,3,4,表示第i个观测值方差。
进一步地，根据上述参数解算式解算出流动站无人机的坐标的估计值为：其中，i表示第i次坐标迭代。
较佳地，为了得到一个精确的流动站无人机的坐标，需要对流动站无人机的坐标的估计值进行迭代计算，当迭代出的坐标值满足预设的阈值条件时，得到所述流动站无人机的最终实时坐标。具体地，本发明设定一个阈值ε以及阈值条件来判断每一次迭代出的坐标值是否符合精度要求。具体地，当时，表示迭代精度不符合要求，将解算出的估计值代替初始值重新代入计算，当 时停止迭代，从而得到流动站无人机的最终实时坐标值，并将此坐标值存储作为下一次利用UWB定位模块进行定位时的坐标解算初始值。
由此看来，本发明融合了GNSS和UWB两种定位技术来实现无人机在复杂环境下的定位，当卫星信号受到建筑物或其他物体的影响不能够完成定位时，无人机能够自动使用UWB进行定位，克服了卫星信号受干扰对无人机定位导航的影响，可为用户在GNSS信号不稳定区域提供不间断的无人机定位导航服务，给用户的使用提供了方便
基于上述实施例，本发明还公开一种基于GNSS和UWB技术的无人机定位系统。具体地，所述无人机定位系统包括：用于发送定位信息的基准站、伪基站无人机以及流动站无人机，所述伪基站无人机设置有四架，所述流动站无人机设置有一架，且所述伪基站无人机按照预设的空间分布包围所述流动站无人机。此外，所述伪基站无人机与流动站无人机均设置相同配置的GNSS定位模块、UWB定位模块以及处理器，所述处理器与GNSS定位模块、UWB定位模块均连接。本发明中的流动站无人机还与应用设备连接，实现具体地飞行作业。
综上所述，本发明提供的一种融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其特征在于，所述方法包括：预先设置伪基站无人机以及流动站无人机，所述伪基站无人机按照预设的空间分布包围所述流动站无人机；所述流动站无人机实时检测当前接收的GNSS卫星信号个数，并将检测到的GNSS卫星信号个数与预设的阈值比较；当检测到GNSS卫星信号个数大于阈值时，所述流动站无人机使用预设的GNSS定位模块接收基准站发来的定位信息，并进行实时坐标差分解算；当检测到GNSS卫星信号个数小于阈值时，所述流动站无人机使用预设的UWB定位模块，通过UWB测距并接收伪基站无人机发来的定位信息，解算出流动站无人机的实时坐标。本发明融合了GNSS和UWB两种定位技术来实现无人机在复杂环境下的定位，当卫星信号受到影响时，无人机自动使用UWB进行定位，克服了卫星信号受干扰对无人机定位导航的影响。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其特征在于，所述方法包括：
预先设置伪基站无人机以及流动站无人机，所述伪基站无人机按照预设的空间分布包围所述流动站无人机；
所述流动站无人机实时检测当前接收的GNSS卫星信号个数，并将检测到的GNSS卫星信号个数与预设的阈值比较；
当检测到GNSS卫星信号个数大于阈值时，所述流动站无人机使用预设的GNSS定位模块接收基准站发来的定位信息，并进行实时坐标差分解算；
当检测到GNSS卫星信号个数小于阈值时，所述流动站无人机使用预设的UWB定位模块，通过UWB测距并接收伪基站无人机发来的定位信息，解算出流动站无人机的实时坐标。
2.根据权利要求1中所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其特征在于，所述伪基站无人机与流动站无人机均设置相同配置的GNSS定位模块、UWB定位模块以及处理器，所述处理器与GNSS定位模块、UWB定位模块均连接。
3.根据权利要求2中所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其特征在于，所述GNSS定位模块天线的相位中心与UWB定位模块天线的相位中心位于同一条铅锤线上。
4.根据权利要求1中所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其特征在于，所述预先设置伪基站无人机以及流动站无人机，所述伪基站无人机按照预设的空间分布包围所述流动站无人机具体包括：
将两架伪基站无人机分别设置在正方体上表面的对角线上的两个顶点上；
将另外两架伪基站无人机分别设置在正方体下表面的对角线上的两个顶点上；且上表面的对角线与下表面的对角线的投影相互垂直。
5.根据权利要求1所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其特征在于，所述流动站无人机实时检测当前接收的GNSS卫星信号个数，并将检测到的GNSS卫星信号个数与预设的阈值比较具体包括：
预先设置一用于判断当前接收的GNSS卫星信号个数是否充足的阈值；
所述流动站无人机实时检测当前接收的GNSS卫星信号个数；
将检测到的GNSS卫星信号个数与所述阈值比较，判断当前GNSS卫星信号个数是否充足。
6.根据权利要求1中所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其特征在于，所述当检测到GNSS卫星信号个数大于阈值时，所述流动站无人机使用预设的GNSS定位模块接收基准站发来的定位信息，并进行实时坐标差分解算具体包括：
当检测到GNSS卫星信号个数大于所述阈值时，则判定当前GNSS卫星信号个数充足；
所述流动站无人机使用所述GNSS定位模块接收基准站发来的定位信息；
对所述定位信息进行实时坐标差分解算，得到流动站无人机的实时坐标。
7.根据权利要求6中所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其特征在于，所述对所述定位信息进行实时坐标差分解算，得到流动站无人机的实时坐标之后还包括：
所述流动站无人机中的处理器将解算出的GNSS相位中心坐标转换为UWB相位中心坐标，并预存为使用UWB定位模块进行定位时的初始坐标。
8.根据权利要求1中所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其特征在于，所述当检测到GNSS卫星信号个数小于阈值时，所述流动站无人机使用预设的UWB定位模块，通过UWB测距并接收伪基站无人机发来的定位信息，解算出流动站无人机的实时坐标具体包括：
当检测到GNSS卫星信号个数小于所述阈值时，则判定当前GNSS卫星信号个数不足；
所述流动站无人机使用UWB定位模块接收伪基站无人机的UWB定位模块发来的定位信息，并进行解码；
提取四个伪基站无人机的实时坐标，并进行伪基站无人机与流动站无人机之间的UWB测距；
根据伪基站无人机的实时坐标以及伪基站无人机与流动站无人机之间距离进行解算，得到流动站无人机的实时坐标。
9.根据权利要求8中所述的融合GNSS和UWB的无人机增强定位方法，其特征在于，所述根据伪基站无人机的实时坐标以及伪基站无人机与流动站无人机之间距离进行解算，得到流动站无人机的实时坐标具体包括：
根据伪基站无人机的实时坐标以及伪基站无人机与流动站无人机之间距离建立UWB定位的非线性观测方程；
对所述非线性观测方程进行线性化处理，并转换为矩阵形式；
确定观测值权阵，解算出流动站无人机的坐标的估计值；
对所述流动站无人机的坐标的估计值进行迭代计算，当迭代出的坐标值满足预设的阈值条件时，得到所述流动站无人机的最终实时坐标。
10.一种基于上述权利要求1-9任一项所述的基于GNSS和UWB技术的无人机定位系统，其特征在于，所述无人机定位系统包括：基准站、伪基站无人机以及流动站无人机，所述伪基站无人机设置有四架，所述流动站无人机设置有一架，且所述伪基站无人机按照预设的空间分布包围所述流动站无人机；
所述伪基站无人机与流动站无人机均设置相同配置的GNSS定位模块、UWB定位模块以及处理器，所述处理器与GNSS定位模块、UWB定位模块均连接。
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