CN109782226B - 一种基于网络rtk的无人机自主循迹定位系统及方法 - Google Patents

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Wuhan NARI Ltd
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本发明公开了一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统及方法，包括：RTK基站，用于通过4G网络，获取网络RTK基站群的网络定位信息，与RTK基站的RTK卫星定位信息相结合，计算无人机的定位校准数据，传输给无人机的机载处理设备；无人机的机载处理设备，用于将无人机的RTK卫星定位信息与来自RTK基站的定位校准数据结合，解算出无人机的精准位置，实现无人机的精确定位。本发明通过RTK基站的网络定位信息和RTK卫星定位信息计算差分修正数据，传输给无人机进行定位修正，有利于提高无人机定位的准确性，同时，本发明具有抗干扰能力强、运行稳定的优势。

Description

一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统及方法
技术领域
本发明涉及无人机定位，特别是涉及一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统及方法。
背景技术
目前，无人机在工业领域需求量越来越大，应用在国防，农业，电力，以及消防，公安等各个方面，对一些常规人力无法顺利完成的场合有着很大的需求量；在使用无人机时，常常需要对无人机进行定位，就目前而言，无人机的定位方式主要包含如下三种：
第一、直接利用GPS数据定位，定位精度在2.5米范围内，误差大；
第二、常规RTK基站定位无人机，因RTK基站定位存在偏移，且偏移量不可复制，偏移量无规律，导致无人机定位偏移无规律，无人机定位无规律可寻，虽然RTK定位精度可以达到厘米级，但是只针对固定物体定位，不适用于无人机自主循迹高精度定位；例如，常规RTK基站第一次定位坐标(x0,y0,z0)，偏移量为(Δxi,Δyi,Δzi)，i＝2，3，4.....n；i表示采集基站定位偏移量次数；第二次定位偏移、第三次定位偏移、第四次定位偏移、直到第n次定位偏移时，实际基站定位坐标为(x0+Δxi,y0+Δyi,z0+Δzi)；因偏移量的不确定性，即(Δxi,Δyi,Δzi)≠(Δxi+1,Δyi+1,Δzi+1)，实际定位坐标也存在不确定性。
第三、利用网络RTK直接校准无人机坐标系统，优点：这种方式可以实现无人机精确定位，定位坐标不会偏移；缺点：无人机在网络RTK服务基站群中属于移动的，所以需要通过4G网络不断更新无人机坐标，相当于无人机没有固定的参考，需要通过4G网络不断修正自身坐标，最重要的是如果出现障碍物或者偏远地区，4G网络不好，容易出现数据丢失，导致无人机定位坐标失准，出现事故。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统及方法，有利于提高无人机定位的准确性和稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统，包括：
RTK基站，用于通过4G网络，获取网络RTK基站群的网络定位信息，与RTK基站的RTK卫星定位信息相结合，计算无人机的定位校准数据，传输给无人机的机载处理设备；
无人机的机载处理设备，用于将无人机的RTK卫星定位信息与来自RTK基站的定位校准数据结合，解算出无人机的精准位置，实现无人机的精确定位。
其中，所述RTK基站包括基站RTK定位模块、4G网络模块、基站控制模块和基站通讯模块，所述基站RTK定位模块、4G网络模块分别与基站控制模块连接，基站控制模块与基站通讯模块连接；
所述基站RTK定位模块，用于获取RTK基站的RTK卫星定位信息；
所述4G网络模块，用于通过4G网络信号，从网络RTK运营商建立的基站系统中，获取网络RTK基站群的网络定位信息；
所述基站控制模块，用于结合基站的RTK卫星定位信息和网络定位信息计算差分修正数据；
所述基站通讯模块，用于将获得的差分修正数据发送给无人机的机载处理设备。
其中，所述机载处理设备包括机载RTK定位模块、机载通讯模块和机载处理模块，所述RTK定位模块和机载通讯模块分别与机载处理模块连接；
所述机载RTK定位模块，用于获取无人机的RTK定位信息；
所述机载通讯模块，用于接收来自RTK基站的差分修正数据；
所述机载处理模块，通过无人机的RTK定位信息和来自RTK基站的差分修正数据，解算出无人机的精准位置信息，实现无人机的精确定位。
所述的一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统的定位方法，包括以下步骤：
S1.RTK基站通过4G网络，获取网络RTK基站群的网络定位信息，并结合RTK基站的RTK卫星定位信息，计算出差分修正数据；
S2.RTK基站将差分修正数据通过基站通讯模块传输给无人机的机载处理设备；
S3.机载处理设备获取无人机的RTK定位信息，并接收差分修正数据，解算出无人机的精准坐标，实现无人机的精确定位。
所述步骤S1包括以下子步骤：
S101.RTK基站获取n+1次基站的RTK卫星定位信息，并建立空间坐标系，将获得的n+1次RTK卫星定位信息转换为空间坐标系下的坐标点，设其中任意一点P为RTK基站的实际坐标，计算其他坐标点A1、A2、...An与该点P的定位误差δA1,δA2,...,δAn，按照如下方式进行均值处理得到RTK校准数据
Figure BDA0001956046610000021
Figure BDA0001956046610000022
S102.RTK基站通过4G网络获取m次RTK基站的网络定位信息，并建立基站大地坐标系；将获得的m次网络定位信息转换为基站大地坐标系下的坐标点B1、B2、...Bm，同时将坐标点P转换到基站大地坐标系下；
计算坐标点B1、B2、...Bm与坐标点P之间的定位误差δB1,δB2,...,δm,按照如下方式进行均值处理得到网络校准数据
Figure BDA0001956046610000031
Figure BDA0001956046610000032
S103.将RTK校准数据
Figure BDA0001956046610000033
与网络校准数据
Figure BDA0001956046610000034
进行差分，得到差分数据Δp：
Figure BDA0001956046610000035
S104.按照步骤S101～S103重复k次，得到k个差分数据Δp1,Δp2,...,Δpk，按照如下方式进行均值处理，得到差分修正数据
Figure BDA0001956046610000036
Figure BDA0001956046610000037
所述步骤S3包括：
将机载处理设备获取无人机的RTK定位信息转换为基站大地坐标系下的坐标点Q，解算得到无人机实际定位坐标为：
Figure BDA0001956046610000038
本发明的有益效果是：本发明通过RTK基站的网络定位信息和RTK卫星定位信息计算差分修正数据，传输给无人机进行定位修正，有利于提高无人机定位的准确性，同时，本发明只需要开机后通过4G网络进行一次坐标定位，再结合RTK卫星定位信息即可获取差分修正数据，无人机飞行过程中不会再次对RTK基站进行坐标定位，只需要由RTK基站将差分修正数据传输给无人机即可，不管后面是否存在4G信号丢失，障碍物遮挡等原因均不会对无人机定位造成影响，具有抗干扰能力强、运行稳定的优势。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图；
图2为实施例中RTK基站的硬件架构示意图；
图3为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统，包括：
RTK基站，用于通过4G网络，获取网络RTK基站群的网络定位信息，与RTK基站的RTK卫星定位信息相结合，计算无人机的定位校准数据，传输给无人机的机载处理设备；
无人机的机载处理设备，用于将无人机的RTK卫星定位信息与来自RTK基站的定位校准数据结合，解算出无人机的精准位置，实现无人机的精确定位。
其中，所述RTK基站包括基站RTK定位模块、4G网络模块、基站控制模块和基站通讯模块，所述基站RTK定位模块、4G网络模块分别与基站控制模块连接，基站控制模块与基站通讯模块连接；
所述基站RTK定位模块，用于获取RTK基站的RTK卫星定位信息；
所述4G网络模块，用于通过4G网络信号，从网络RTK运营商建立的基站系统中，获取网络RTK基站群的网络定位信息；
所述基站控制模块，用于结合基站的RTK卫星定位信息和网络定位信息计算差分修正数据；
所述基站通讯模块，用于将获得的差分修正数据发送给无人机的机载处理设备。
其中，所述机载处理设备包括机载RTK定位模块、机载通讯模块和机载处理模块，所述RTK定位模块和机载通讯模块分别与机载处理模块连接；
所述机载RTK定位模块，用于获取无人机的RTK定位信息；
所述机载通讯模块，用于接收来自RTK基站的差分修正数据；
所述机载处理模块，通过无人机的RTK定位信息和来自RTK基站的差分修正数据，解算出无人机的精准位置信息，实现无人机的精确定位。
在本申请的实施例中，RTK基站的硬件架构如图2所示，其中，基站RTK定位模块集成在RTK板卡中，4G网络模块集成在4G板卡中，基站控制模块集成在控制板卡中，基站通讯模块集成在数据链路中；该实施例中，RTK基站还包括电源管理模块，该电源管理模块包括开关电路、电源处理单元和LED按键显示控制单元，外部的电源经电源开关传输到电源处理单元和LED按键显示控制单元，电源处理单元分别为4G板卡、RTK板卡、控制板卡和数据链路供电，其中，电源处理单元还会根据输入电压对外部电源进行低电量检测，并将检查结果传输给控制板卡，控制板卡根据检测结果，对开关电路进行欠压关断控制；同时LED显示控制单元包括LED显示器和控制面板，LED显示器对RTK基站的工作状态进行显示，控制面板供工作人员对RTK基站人工控制。在本申请的实施例中，机载RTK定位模块集成在无人机的机载RTK板卡中，基站通讯模块集成在机载数据链路中，机载处理模块集成在无人机的飞控系统中。
如图3所示，所述的一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统的定位方法，包括以下步骤：
S1.RTK基站通过4G网络，获取网络RTK基站群的网络定位信息，并结合RTK基站的RTK卫星定位信息，计算出差分修正数据；
S2.RTK基站将差分修正数据通过基站通讯模块传输给无人机的机载处理设备；
S3.机载处理设备获取无人机的RTK定位信息，并接收差分修正数据，解算出无人机的精准坐标，实现无人机的精确定位。
所述步骤S1包括以下子步骤：
S101.RTK基站获取n+1次基站的RTK卫星定位信息，并建立空间坐标系，将获得的n+1次RTK卫星定位信息转换为空间坐标系下的坐标点，设其中任意一点P为RTK基站的实际坐标，计算其他坐标点A1、A2、...An与该点P的定位误差δA1,δA2,...,δAn，按照如下方式进行均值处理得到RTK校准数据
Figure BDA0001956046610000051
Figure BDA0001956046610000052
S102.RTK基站通过4G网络获取m次RTK基站的网络定位信息，并建立基站大地坐标系；将获得的m次网络定位信息转换为基站大地坐标系下的坐标点B1、B2、...Bm，同时将坐标点P转换到基站大地坐标系下；
计算坐标点B1、B2、...Bm与坐标点P之间的定位误差δB1,δB2,...,δm,按照如下方式进行均值处理得到网络校准数据
Figure BDA0001956046610000053
Figure BDA0001956046610000054
S103.将RTK校准数据
Figure BDA0001956046610000055
与网络校准数据
Figure BDA0001956046610000056
进行差分，得到差分数据Δp：
Figure BDA0001956046610000057
S104.按照步骤S101～S103重复k次，得到k个差分数据Δp1,Δp2,...,Δpk，按照如下方式进行均值处理，得到差分修正数据
Figure BDA0001956046610000058
Figure BDA0001956046610000059
所述步骤S3包括：
将机载处理设备获取无人机的RTK定位信息转换为基站大地坐标系下的坐标点Q，解算得到无人机实际定位坐标为：
Figure BDA0001956046610000061
综上，本发明通过RTK基站的网络定位信息和RTK卫星定位信息计算差分修正数据，传输给无人机进行定位修正，得到基站坐标系下的无人机精确坐标，有利于提高无人机定位的准确性，同时，本发明只需要开机后通过4G网络进行一次坐标定位，再结合RTK卫星定位信息即可获取差分修正数据，无人机飞行过程中不会再次对RTK基站进行坐标定位，只需要由RTK基站将差分修正数据传输给无人机即可，不管后面是否存在4G信号丢失，障碍物遮挡等原因均不会对无人机定位造成影响，具有抗干扰能力强、运行稳定的优势。
最后需要说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统，其特征在于：包括：
RTK基站，用于通过4G网络，获取网络RTK基站群的网络定位信息，与RTK基站的RTK卫星定位信息相结合，计算无人机的定位校准数据，传输给无人机的机载处理设备；
RTK基站获取n+1次基站的RTK卫星定位信息，并建立空间坐标系，将获得的n+1次RTK卫星定位信息转换为空间坐标系下的坐标点，设其中任意一点P为RTK基站的实际坐标，计算其他坐标点A1、A2、...An与该点P的定位误差δA1,δA2,...,δAn，进行均值处理得到RTK校准数据
Figure FDA0002675587710000011
Figure FDA0002675587710000012
RTK基站通过4G网络获取m次RTK基站的网络定位信息，并建立基站大地坐标系；将获得的m次网络定位信息转换为基站大地坐标系下的坐标点B1、B2、...Bm，同时将坐标点P转换到基站大地坐标系下；计算坐标点B1、B2、...Bm与坐标点P之间的定位误差δB1,δB2,...,δm,进行均值处理得到网络校准数据
Figure FDA0002675587710000013
Figure FDA0002675587710000014
将RTK校准数据
Figure FDA0002675587710000015
与网络校准数据
Figure FDA0002675587710000016
进行差分，得到差分数据Δp：
Figure FDA0002675587710000017
重复k次后，得到k个差分数据Δp1,Δp2,...,Δpk，按照如下方式进行均值处理，得到差分修正数据
Figure FDA0002675587710000018
Figure FDA0002675587710000019
作为无人机的定位校准数据，传输给无人机的机载处理设备；
无人机的机载处理设备，用于将无人机的RTK卫星定位信息与来自RTK基站的定位校准数据结合，解算出无人机的精准位置，实现无人机的精确定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统，其特征在于：所述RTK基站包括基站RTK定位模块、4G网络模块、基站控制模块和基站通讯模块，所述基站RTK定位模块、4G网络模块分别与基站控制模块连接，基站控制模块与基站通讯模块连接；
所述基站RTK定位模块，用于获取RTK基站的RTK卫星定位信息；
所述4G网络模块，用于通过4G网络信号，从网络RTK运营商建立的基站系统中，获取网络RTK基站群的网络定位信息；
所述基站控制模块，用于结合基站的RTK卫星定位信息和网络定位信息计算差分修正数据；
所述基站通讯模块，用于将获得的差分修正数据发送给无人机的机载处理设备。
3.根据权利要求1所述的一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统，其特征在于：所述机载处理设备包括机载RTK定位模块、机载通讯模块和机载处理模块，所述RTK定位模块和机载通讯模块分别与机载处理模块连接；
所述机载RTK定位模块，用于获取无人机的RTK定位信息；
所述机载通讯模块，用于接收来自RTK基站的差分修正数据；
所述机载处理模块，通过无人机的RTK定位信息和来自RTK基站的差分修正数据，解算出无人机的精准位置信息，实现无人机的精确定位。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.RTK基站通过4G网络，获取网络RTK基站群的网络定位信息，并结合RTK基站的RTK卫星定位信息，计算出差分修正数据；
S2.RTK基站将差分修正数据通过基站通讯模块传输给无人机的机载处理设备；
S3.机载处理设备获取无人机的RTK定位信息，并接收差分修正数据，解算出无人机的精准坐标，实现无人机的精确定位。
5.根据权利要求4所述的一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统的定位方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤：
S101.RTK基站获取n+1次基站的RTK卫星定位信息，并建立空间坐标系，将获得的n+1次RTK卫星定位信息转换为空间坐标系下的坐标点，设其中任意一点P为RTK基站的实际坐标，计算其他坐标点A1、A2、...An与该点P的定位误差δA1,δA2,...,δAn，按照如下方式进行均值处理得到RTK校准数据
Figure FDA0002675587710000021
Figure FDA0002675587710000022
S102.RTK基站通过4G网络获取m次RTK基站的网络定位信息，并建立基站大地坐标系；将获得的m次网络定位信息转换为基站大地坐标系下的坐标点B1、B2、...Bm，同时将坐标点P转换到基站大地坐标系下；
计算坐标点B1、B2、...Bm与坐标点P之间的定位误差δB1,δB2,...,δm,按照如下方式进行均值处理得到网络校准数据
Figure FDA0002675587710000023
Figure FDA0002675587710000024
S103.将RTK校准数据
Figure FDA0002675587710000025
与网络校准数据
Figure FDA0002675587710000026
进行差分，得到差分数据Δp：
Figure FDA0002675587710000027
S104.按照步骤S101～S103重复k次，得到k个差分数据Δp1,Δp2,...,Δpk，按照如下方式进行均值处理，得到差分修正数据
Figure FDA0002675587710000031
Figure FDA0002675587710000032
6.根据权利要求4所述的一种基于网络RTK的无人机自主循迹定位系统的定位方法，其特征在于：所述步骤S3包括：
将机载处理设备获取无人机的RTK定位信息转换为基站大地坐标系下的坐标点Q，解算得到无人机实际定位坐标为：
Figure FDA0002675587710000033
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