CN108710145A - 一种无人机定位系统及方法 - Google Patents

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周辉
李大鹏
常起瑞
万继旭
王湾湾
周超
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Abstract

本发明涉及一种无人机定位系统及方法，系统包括GPS导航模块、电子磁罗盘模块以及中央处理器模块；所述GPS导航模块、电子磁罗盘模块均与所述中央处理器模块通过CAN总线连接；所述GPS导航模块包括两台GPS接收机。本发明通过两台GPS接收机分别接收GPS信号；电子磁罗盘模块实时获取无人机姿态数据；对两台GPS接收机接收的GPS定位信号进行数据融合后再与无人机姿态数据进一步融合，得到高精度无人机的定位数据，克服了无人机单GPS或单磁罗盘的低精度，稳定性弱等缺点，而且成本低。

Description

一种无人机定位系统及方法
技术领域
本发明涉及无人机定位技术领域，具体涉及一种无人机定位系统及方法。
背景技术
现有的无人机定位系统一般包括惯导系统、GPS系统，利用惯导数据与GPS数据进行数据融合得到无人机的位置定位。然而由于市场上的精度较高的惯导系统动辄上万上十万的价格大大提高了无人机定位系统的生产制造成本，而仅用GPS系统进行定位时，由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种成本低定位精度高的无人机定位系统及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种无人机定位系统，包括GPS导航模块、电子磁罗盘模块以及中央处理器模块；所述GPS导航模块、电子磁罗盘模块均与所述中央处理器模块通过CAN总线连接；所述GPS导航模块包括两台GPS接收机。
进一步，所述电子磁罗盘模块包括三维磁阻力传感器、双轴倾角传感器以及第一数据处理模块，所述三维磁阻力传感器、双轴倾角传感器均与所述第一数据处理模块电连接；所述第一数据处理模块通过CAN总线与所述中央处理器模块电连接。
另一方面，本发明提供一种无人机定位方法，包括以下步骤：
步骤1，两台GPS接收机分别接收GPS信号；
步骤2，电子磁罗盘模块实时获取无人机姿态数据；
步骤3，对两台GPS接收机接收的GPS定位信号进行数据融合；
步骤4，将步骤3获取的融合数据与所述电子磁罗盘模块实时获取的无人机姿态数据进行进一步融合，得到无人机的定位数据。
进一步，所述两台GPS接收机接收至少4颗相同卫星的GPS信号。
进一步，所述步骤2包括：
利用地球磁场测量磁阻力传感器的信息，然后通过姿态坐标变换将传感器沿载体坐标的测量信号变换到地平坐标系；
输出信号经过放大，A/D变换后进行实时姿态计算、坐标变换，系统误差补偿，得到载体的姿态参数。
进一步，所述步骤3包括：
分别对两台GPS接收机接收的GPS信号进行筛选，获取至少4颗相同卫星的GPS信号；
分别对两台GPS接收机接收的GPS信号进行数据融合及计算，得到两台GPS接收机的定位信息；
对两台GPS接收机的定位信息进行数据融合，得到修正后的卫星定位数据。
进一步，所述对两台GPS接收机的定位信息进行数据融合，包括：
通过载波相位快速差分计算方法，精确计算两台GPS接收机相位中心的相对位置坐标△x，△y；△x＝x2-x1,△y＝y2-y1；其中(x1,y1)(x2,y2)分别为两台GPS接收机的相位中心；
依据△x和△y的正负取值，得到天线中心线的方位角AZ，同时根据两台GPS接收机相位中心坐标，通过坐标变换和投影变换可转换为当地的平面直角坐标，进而实现定向。
本发明的有益效果是：电子磁罗盘定向方式具有体积小、价格低、安装使用方便、定向时间短等优点，却容易受到易受磁性物质的干扰，双GPS组合定向方式具有精度高，不易受干扰，稳定性好、可靠性高等优点。本发明综合双GPS组合定向及电子磁罗盘定向，获得了更高的定位精度，克服了无人机单GPS或单磁罗盘的低精度，稳定性弱等缺点，而且成本低。
附图说明
图1为本发明系统结构框图；
图2为本发明方法流程图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一方面，本发明提供一种无人机定位系统，如图1所示，包括GPS导航模块、电子磁罗盘模块以及中央处理器模块；所述GPS导航模块、电子磁罗盘模块均与所述中央处理器模块通过CAN总线连接；所述GPS导航模块包括两台GPS接收机。
进一步，所述电子磁罗盘模块包括三维磁阻力传感器、双轴倾角传感器以及第一数据处理模块，所述三维磁阻力传感器、双轴倾角传感器均与所述第一数据处理模块电连接；所述第一数据处理模块通过CAN总线与所述中央处理器模块电连接。
传统罗盘用一根被磁化的磁针来感应地球磁场，地球磁场与磁针之间的磁力引起磁针转动，直至磁针的两端分别指向地球的磁南极与磁北极。指南针就是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向。电子磁罗盘也一样，只不过把磁针换成了磁阻传感器，然后将感受到的地磁信息转换为数字信号，通过相应处理得到定向姿态各种角度信息。
电子磁罗盘核心部分主要包括三维磁阻力传感器、双轴倾角传感器。
地磁场是一个矢量，对于一个固定的地点来说，这个矢量可以分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来。
对水平方向的两个分量来说，他们的矢量和总是指向磁北的。电子磁罗盘中的航向角就是当前方向和磁北的夹角。当电子磁罗盘保持水平，只需要用磁阻力传感器的水平方向两轴(通常为X轴和Y轴)的检测数据就可以计算出航向角。
GPS(全球定位系统)是美国第二代卫星导航系统，基本原理是通过GPS接收机对卫星发出的伪距信号进行解码，计算出地球上的绝对位置，为了获得定点的定位信息，必须同时依赖四颗卫星。GPS定位可以分为单点定位和相对定位(差分定位)，其中差分GPS分为两类：伪距差分和载波相位差分。
双GPS组合定向就是利用两台GPS接收机接收载波的相位进行快速差分。
另一方面，本发明提供一种无人机定位方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1，两台GPS接收机分别接收GPS信号；
步骤2，电子磁罗盘模块实时获取无人机姿态数据；
步骤3，对两台GPS接收机接收的GPS定位信号进行数据融合；
步骤4，将步骤3获取的融合数据与所述电子磁罗盘模块实时获取的无人机姿态数据进行进一步融合，得到无人机的定位数据。
进一步，所述两台GPS接收机接收至少4颗相同卫星的GPS信号。
进一步，所述步骤2包括：
利用地球磁场测量磁阻力传感器的信息，然后通过姿态坐标变换将传感器沿载体坐标的测量信号变换到地平坐标系；
输出信号经过放大，A/D变换后进行实时姿态计算、坐标变换，系统误差补偿，得到载体的姿态参数。
进一步，所述步骤3包括：
分别对两台GPS接收机接收的GPS信号进行筛选，获取至少4颗相同卫星的GPS信号；
分别对两台GPS接收机接收的GPS信号进行数据融合及计算，得到两台GPS接收机的定位信息；
对两台GPS接收机的定位信息进行数据融合，得到修正后的卫星定位数据。
进一步，所述对两台GPS接收机的定位信息进行数据融合，包括：
通过载波相位快速差分计算方法，精确计算两台GPS接收机相位中心的相对位置坐标△x，△y；△x＝x2-x1,△y＝y2-y1；其中(x1,y1)(x2,y2)分别为两台GPS接收机的相位中心；
依据△x和△y的正负取值，得到天线中心线的方位角AZ，同时根据两台GPS接收机相位中心坐标，通过坐标变换和投影变换可转换为当地的平面直角坐标，进而实现定向。
电子磁罗盘定向方式具有体积小、价格低、安装使用方便、定向时间短等优点，却容易受到易受磁性物质的干扰，双GPS组合定向方式具有精度高，不易受干扰，稳定性好、可靠性高等优点。本发明综合双GPS组合定向及电子磁罗盘定向，获得了更高的定位精度，克服了无人机单GPS或单磁罗盘的低精度，稳定性弱等缺点，而且成本低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人机定位系统，其特征在于，包括GPS导航模块、电子磁罗盘模块以及中央处理器模块；所述GPS导航模块、电子磁罗盘模块均与所述中央处理器模块通过CAN总线连接；所述GPS导航模块包括两台GPS接收机。
2.根据权利要求1所述一种无人机定位系统，其特征在于，所述电子磁罗盘模块包括三维磁阻力传感器、双轴倾角传感器以及第一数据处理模块，所述三维磁阻力传感器、双轴倾角传感器均与所述第一数据处理模块电连接；所述第一数据处理模块通过CAN总线与所述中央处理器模块电连接。
3.一种无人机定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，两台GPS接收机分别接收GPS信号；
步骤2，电子磁罗盘模块实时获取无人机姿态数据；
步骤3，对两台GPS接收机接收的GPS定位信号进行数据融合；
步骤4，将步骤3获取的融合数据与所述电子磁罗盘模块实时获取的无人机姿态数据进行进一步融合，得到无人机的定位数据。
4.根据权利要求3所述一种无人机定位方法，其特征在于，所述两台GPS接收机接收至少4颗相同卫星的GPS信号。
5.根据权利要求4所述一种无人机定位方法，其特征在于，所述步骤2包括：
利用地球磁场测量磁阻力传感器的信息，然后通过姿态坐标变换将传感器沿载体坐标的测量信号变换到地平坐标系；
输出信号经过放大，A/D变换后进行实时姿态计算、坐标变换，系统误差补偿，得到载体的姿态参数。
6.根据权利要求5所述一种无人机定位方法，其特征在于，所述步骤3包括：
分别对两台GPS接收机接收的GPS信号进行筛选，获取至少4颗相同卫星的GPS信号；
分别对两台GPS接收机接收的GPS信号进行数据融合及计算，得到两台GPS接收机的定位信息；
对两台GPS接收机的定位信息进行数据融合，得到修正后的卫星定位数据。
7.根据权利要求6所述一种无人机定位方法，其特征在于，所述对两台GPS接收机的定位信息进行数据融合，包括：
通过载波相位快速差分计算方法，精确计算两台GPS接收机相位中心的相对位置坐标△x，△y；△x＝x2-x1,△y＝y2-y1；其中(x1,y1)(x2,y2)分别为两台GPS接收机的相位中心；
依据△x和△y的正负取值，得到天线中心线的方位角AZ，同时根据两台GPS接收机相位中心坐标，通过坐标变换和投影变换可转换为当地的平面直角坐标，进而实现定向。
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