CN110244335A - 双天线抗干扰导航装置及无人机 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种双天线抗干扰导航装置，应用于无人机，导航装置包括：卫星接收机、处理组件、磁力测量器件和气压测量器件。卫星接收机用于接收全球导航卫星系统发射的导航原始数据信息。处理组件与卫星接收机电连接，并将导航原始数据信息进行滤波处理后，得到第一数据信息。磁力测量器件与处理组件电连接，并用于测量地球磁场信息。处理组件将地球磁场信息进行滤波处理后，得到第二数据信息。气压测量器件与处理组件电连接，并用于测量当前环境的大气压强信息。处理组件将大气压强信息进行滤波处理后，得到第三数据信息。处理组件还用于基于第一数据信息、第二数据信息和第三数据信息确定导航信息。本申请提供了一种无人机。

Description

双天线抗干扰导航装置及无人机
技术领域
本申请涉及航空航天技术领域，特别是涉及双天线抗干扰导航装置及无人机。
背景技术
随着无人机技术和任务载荷技术的逐渐发展，无人机目前已经广泛应用于各种领域，已经成为不可缺少的一部分。
当前无人机均采用电子磁罗盘作为航向指引，但是由于不同环境条件下的电磁环境不同，这将会使磁罗盘容易受到干扰，直接导致无人机方向判断出错。尤其是在电网应用领域，由于高压线会产生大量的电磁辐射，直接导致磁罗盘不能使用，无人机的飞行飞非常危险。
即：现有无人机用的电子磁罗盘在复杂环境下抗干扰性不佳。
发明内容
基于此，有必要针对现有无人机用的电子磁罗盘在复杂环境下抗干扰性不佳的问题，提供一种双天线抗干扰导航装置及无人机。
一种双天线抗干扰导航装置，应用于无人机，所述导航装置包括：
卫星接收机，用于接收全球导航卫星系统发射的导航原始数据信息；
处理组件，与所述卫星接收机电连接，用于接收所述导航原始数据信息，并将所述导航原始数据信息进行滤波处理后，得到第一数据信息；
磁力测量器件，与所述处理组件电连接，用于测量地球磁场信息，并将当前测量的所述地球磁场信息发送至所述处理组件，所述处理组件将所述地球磁场信息进行滤波处理后，得到第二数据信息；以及
气压测量器件，与所述处理组件电连接，用于测量当前环境的大气压强信息，并将测量的所述大气压强信息发送至所述处理组件，所述处理组件将所述大气压强信息进行滤波处理后，得到第三数据信息；
所述处理组件还用于基于所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息确定导航信息。
在其中一个实施例中，所述双天线抗干扰导航装置还包括：
惯性测量器件，与所述处理组件电连接，用于测量所述无人机当前的速度数据信息，并将所述速度数据信息发送至所述处理组件。
在其中一个实施例中，所述处理组件还用于将所述速度数据信息进行滤波处理后，得到第四数据信息，并基于所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息确定所述导航信息。
在其中一个实施例中，所述速度数据信息包括角速度数据信息和加速度数据信息。
在其中一个实施例中，所述惯性测量器件包括：
惯性传感器，与所述处理组件电连接，用于测量所述无人机当前的角速度数据信息和加速度数据信息，并将所述角速度数据信息和所述加速度数据信息发送至所述处理组件。
在其中一个实施例中，所述处理组件基于所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息按照预设抗干扰算法进行解算，以确定所述导航信息。
在其中一个实施例中，所述处理组件包括：
第一卡尔曼滤波器，与所述卫星接收机电连接，用于接收所述导航原始数据信息，并将所述导航原始数据信息进行滤波处理后，得到第一数据信息；
第二卡尔曼滤波器，与所述磁力测量器件电连接，用于接收当前测量的所述地球磁场信息，并将所述地球磁场信息进行滤波处理后，得到第二数据信息；
第三卡尔曼滤波器，与所述气压测量器件电连接，用于接收所述大气压强信息，并将所述大气压强信息进行滤波处理后，得到第三数据信息；以及
处理器，分别与所述第一卡尔曼滤波器、所述第二卡尔曼滤波器以及所述第三卡尔曼滤波器电连接，所述处理器依据所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息并按照所述预设抗干扰算法进行解算，以确定所述导航信息。
在其中一个实施例中，所述磁力测量器件包括：
磁力计，与所述处理组件电连接，用于测量地球磁场信息，并将当前测量的所述地球磁场信息发送至所述处理组件。
在其中一个实施例中，所述气压测量器件包括：
气压传感器，与所述处理组件电连接，用于测量当前环境的大气压强信息，并将测量的所述大气压强信息发送至所述处理组件。
一种无人机，包括如上述任一项实施例所述的双天线抗干扰导航装置；以及
主控设备，与所述双天线抗干扰导航装置通信连接，用于接收所述导航信息。
与现有技术相比，上述双天线抗干扰导航装置及无人机，利用所述卫星接收机接收所述导航原始数据信息，并通过所述处理组件对该所述导航原始数据信息进行滤波处理，得到第一数据信息。同时通过所述磁力测量器件测量所述地球磁场信息，以及通过所述气压测量器件测量所述大气压强信息，通过所述处理组件分别所述气压测量器件测量所述大气压强信息进行滤波处理，并基于所述第一数据信息，从而最终确定所述导航信息，进而提高无人机在复杂环境下的抗干扰性。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的双天线抗干扰导航装置的原理框图；
图2为本申请一实施例提供的双天线抗干扰导航装置的结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的无人机的结构示意图。
10 双天线抗干扰导航装置
11 主控设备
100 卫星接收机
20 无人机
200 处理组件
210 第一卡尔曼滤波器
220 第二卡尔曼滤波器
230 第三卡尔曼滤波器
240 处理器
300 磁力测量器件
310 磁力计
400 气压测量器件
410 气压传感器
500 惯性测量器件
510 惯性传感器
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请所述的双天线抗干扰导航装置10可应用在所述无人机20上，能够在明确给出搭载该所述双天线抗干扰导航装置10的所述无人机20航向和位置信息的同时，增加所述无人机20在复杂环境下的抗干扰性能。
请参见图1，本申请一实施例提供一种双天线抗干扰导航装置10，应用于无人机20，所述导航装置包括：卫星接收机100、处理组件200、磁力测量器件300以及气压测量器件400。所述卫星接收机100用于接收全球导航卫星系统发射的导航原始数据信息。所述处理组件200与所述卫星接收机100电连接。所述处理组件200用于接收所述导航原始数据信息，并将所述导航原始数据信息进行滤波处理后，得到第一数据信息。所述磁力测量器件300与所述处理组件200电连接。所述磁力测量器件300用于测量地球磁场信息，并将当前测量的所述地球磁场信息发送至所述处理组件200。
所述处理组件200将所述地球磁场信息进行滤波处理后，得到第二数据信息。所述气压测量器件400与所述处理组件200电连接。所述气压测量器件400用于测量当前环境的大气压强信息，并将测量的所述大气压强信息发送至所述处理组件200。所述处理组件200将所述大气压强信息进行滤波处理后，得到第三数据信息。所述处理组件200还用于基于所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息确定导航信息。
在一个实施例中，所述卫星接收机100是指具有两个接收GNSS(全球导航卫星系统)信号源的接收装置。即该所述卫星接收机100具有两个GNSS信号源的天线。在一个实施例中，这两个天线的朝向不同，可设置为一个朝向所述无人机20航行方向的左侧，一个朝向所述无人机20航行方向的右侧。在一个实施例中，也可设置为一个朝向所述无人机20航行方向的正前方，一个朝向所述无人机20航行方向的正后方。利用所述卫星接收机100接收GNSS原始数据信息，并将该信息传入所述处理组件200，以提供解算航向信息的初始源数据。同时通过所述卫星接收机100的双天线结构，可实现所述无人机20位置定位和航向定姿。
可以理解，所述磁力测量器件300的具体结构可不做具体的限定，只要具有测量所述地球磁场信息的功能即可。所述磁力测量器件300的具体结构，可根据实际需求进行选择。在一个实施例中，所述磁力测量器件300可以是磁力测量仪。在一个实施例中，所述磁力测量器件300也可以是其它具有测量所述地球磁场信息功能的装置，比如普通磁力计等。利用所述磁力测量器件300测量所述地球磁场信息，并将该信息传入所述处理组件200，以提供解算航向信息的辅助源数据。
可以理解，所述气压测量器件400的具体结构可不做具体的限定，只要具有测量所述无人机20在当前环境的大气压强信息的功能即可。所述气压测量器件400的具体结构，可根据实际需求进行选择。在一个实施例中，所述气压测量器件400可以是气压测量仪。在一个实施例中，所述气压测量器件400也可以是气压测量传感器。利用所述气压测量器件400测量所述地球磁场信息，并将该信息传入所述处理组件200，以提供解算高程信息的辅助源数据。
可以理解，所述处理组件200的具体结构不做具体的限定，只要具有分别对所述导航原始数据信息、所述测量地球磁场信息以及所述大气压强信息进行滤波处理，并基于处理结果确定最终的所述导航信息的功能即可。在一个实施例中，所述处理组件200可由多个卡尔曼滤波器和MCU(微处理单元)构成。在一个实施例中，所述处理组件200可由多个卡尔曼滤波器和控制器构成。
在一个实施例中，所述处理组件200用于基于所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息确定导航信息是指：所述处理组件200可按照预设抗干扰算法对所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息进行解算，从而最终确定所述导航信息。在一个实施例中，所述预设抗干扰算法可以是卡尔曼滤波算法。利用所述处理组件200与所述卫星接收机100、所述磁力测量器件300以及所述气压测量器件400配合，可以明确给出所述无人机20的航向和位置信息，从而增加所述无人机20在复杂环境下的抗干扰性能。
本实施例中，利用所述卫星接收机100接收所述导航原始数据信息，并通过所述处理组件200对该所述导航原始数据信息进行滤波处理，得到第一数据信息。同时通过所述磁力测量器件300测量所述地球磁场信息，以及通过所述气压测量器件400测量所述大气压强信息，通过所述处理组件200分别所述气压测量器件测量所述大气压强信息进行滤波处理，并基于所述第一数据信息，从而最终确定所述导航信息，进而提高所述无人机20在复杂环境下的抗干扰性。
在一个实施例中，所述双天线抗干扰导航装置10还包括：惯性测量器件500。所述惯性测量器件500与所述处理组件200电连接。所述惯性测量器件500用于测量所述无人机20当前的速度数据信息，并将所述速度数据信息发送至所述处理组件200。
可以理解，所述惯性测量器件500的具体结构可不做具体的限定，只要具有测量所述无人机20当前的速度数据信息的功能即可。所述惯性测量器件500的具体结构，可根据实际需求进行选择。在一个实施例中，所述惯性测量器件500可以由加速度计和陀螺仪构成。在一个实施例中，所述惯性测量器件500可以由惯性检测传感器构成。利用所述惯性测量器件500测量所述无人机20当前的速度数据信息，并将该信息传入所述处理组件200，以提供解算航向信息的辅助源数据，从而可提高所述处理组件200确定的所述导航信息的准确性。在一个实施例中，所述速度数据信息可包括角速度数据信息和加速度数据信息。
在一个实施例中，所述处理组件200还用于将所述速度数据信息进行滤波处理后，得到第四数据信息，并基于所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息确定所述导航信息。利用所述处理组件200对所述速度数据信息进行滤波处理，可增加后期确定所述导航信息的准确性。
请参见图2，在一个实施例中，所述惯性测量器件500包括：惯性传感器510。所述惯性传感器510与所述处理组件200电连接。所述惯性传感器510用于测量所述无人机当前的角速度数据信息和加速度数据信息，并将所述角速度数据信息和所述加速度数据信息发送至所述处理组件200。
在GNSS信号存在干扰时，会出现位置和航向信息不准的情况，此时可通过所述惯性传感器510将测量的加速度和陀螺的原始测量信息发送至所述处理组件200，通过所述处理组件200将所述惯性传感器510发送的数据信息与磁力信息(即所述第二数据信息)和原始GNSS测量信息(即所述第一数据信息)相结合，并结合卡尔曼滤波理论(即所述预设抗干扰算法)，从而确定最终的所述导航信息，进而增加所述无人机20在复杂环境下的抗干扰性能。
在一个实施例中，所述处理组件200包括：第一卡尔曼滤波器210、第二卡尔曼滤波器220、第三卡尔曼滤波器230以及处理器240。所述第一卡尔曼滤波器210与所述卫星接收机100电连接。所述第一卡尔曼滤波器210用于接收所述导航原始数据信息，并将所述导航原始数据信息进行滤波处理后，得到第一数据信息。所述第二卡尔曼滤波器220与所述磁力测量器件300电连接。所述第二卡尔曼滤波器220用于接收当前测量的所述地球磁场信息，并将所述地球磁场信息进行滤波处理后，得到第二数据信息。
所述第三卡尔曼滤波器230与所述气压测量器件400电连接。所述第三卡尔曼滤波器230用于接收所述大气压强信息，并将所述大气压强信息进行滤波处理后，得到第三数据信息。所述处理器240分别与所述第一卡尔曼滤波器210、所述第二卡尔曼滤波器220以及所述第三卡尔曼滤波器230电连接。所述处理器240依据所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息并按照所述预设抗干扰算法进行解算，以确定所述导航信息。
将所述卫星接收机100与所述第一卡尔曼滤波器210电连接、所述磁力测量器件300与所述第二卡尔曼滤波器220电连接、所述气压测量器件400与所述第三卡尔曼滤波器230电连接，利用所述第一卡尔曼滤波器210、所述第二卡尔曼滤波器220以及所述第三卡尔曼滤波器230分别对所述卫星接收机100、所述磁力测量器件300以及所述气压测量器件400输出的数据信息进行单独滤波处理，可使得在某一个测量模块测量信息被干扰的情况下，仍旧可以完成导航定位的需求，从而实现抗干扰的目的。
在一个实施例中，利用所述第一卡尔曼滤波器210、所述第二卡尔曼滤波器220以及所述第三卡尔曼滤波器230分别对所述卫星接收机100、所述磁力测量器件300以及所述气压测量器件400输出的数据信息进行单独滤波处理后，再将所述第一数据信息、所述第二数据信息以及所述第三数据信息三者整体进行滤波处理，从而在将滤波处理后的数据信息发送至所述处理器240，通过所述处理器240按照所述预设抗干扰算法进行解算，以确定所述导航信息。经过上述滤波过程后，可使得所述处理器240能够明确给出搭载该所述双天线抗干扰导航装置10的所述无人机20航向和位置信息，同时增加所述无人机20在复杂环境下的抗干扰性能。
在一个实施例中，所述磁力测量器件300包括：磁力计310。所述磁力计310与所述处理组件200电连接。所述磁力计310用于测量地球磁场信息，并将当前测量的所述地球磁场信息发送至所述处理组件200。由于地球磁场在大范围情况下是稳定的，所以可通过所述磁力计310测量当地磁场分布，从而解算出对应的地磁北极，并确定出当前的航向信息，通过改组测量信息，辅以对应的导航算法，能够完成对航向信息的解算。利用所述磁力计310测量当地磁场分布，可使得在GNSS信号存在干扰，出现航向定姿不准的情况时，采用所述磁力计310测量，可以在很大程度上弥补干扰带来的影响。
在一个实施例中，所述气压测量器件400包括：气压传感器410。所述气压传感器410与所述处理组件200电连接。所述气压传感器410用于测量当前环境的大气压强信息，并将测量的所述大气压强信息发送至所述处理组件200。在GNSS信号存在干扰，出现高程信息不准的情况时，可通过所述气压传感器410将大气压强原始测量信息检测后发送至所述处理组件200进行处理，并与原始GNSS测量信息(即所述导航原始数据信息)和IMU(即惯性传感器)测量信息(即所述速度数据信息)相结合，辅以卡尔曼滤波理论，可实现对高程信息的解算，从而实现抗干扰的目的。
本申请采用卡尔曼滤波算法作为基础，辅以航姿参考器件(即所述卫星接收机100、所述磁力测量器件300、所述气压测量器件400以及所述惯性测量器件500)作为辅助结算工具，具体如下：
建立系统方程为：
建立量测方程为：
Z(t)＝H(t)X(t)+v(t)；
其中，X(t)状态量如下：
X(t)＝[δLINS δλINS δhINS δvE,INS δvN,INS δvU,INS δLGPS δλGPS δhGPS δvE,INS δvN,INSδvU,INS δhb]；
将上述连续系统离散化得到如下的等效离散系统：
Xk＝Φk,k-1Xk-1+Wk-1；
Zk＝HkXk+Vk；
其中状态转移矩阵Φk,k-1可以用下式近似计算：
Φk,k-1≈I+TF(tk)；
离散系统噪声方差矩阵可以近似为：
Qk＝TG(tk)qGT(tk)；
离散系统的卡尔曼滤波方程为：
Pk＝(I-KkHk)Pk/k-1；
在所述无人机20的飞行过程中对上面的滤波方程不断递推可以估计出各个时刻的状态量(即通过上述公式建立的模型可以得出各个时刻的状态量)，从而最终确定所述导航信息。
综上所述，本申请利用所述卫星接收机100接收所述导航原始数据信息，并通过所述处理组件200对该所述导航原始数据信息进行滤波处理，得到第一数据信息。同时通过所述磁力测量器件300测量所述地球磁场信息，以及通过所述气压测量器件400测量所述大气压强信息，通过所述处理组件200分别所述气压测量器件测量所述大气压强信息进行滤波处理，并基于所述第一数据信息，从而最终确定所述导航信息，进而提高所述无人机20在复杂环境下的抗干扰性。
请参见图3，本申请一实施例提供一种无人机20，包括如上述任一项实施例所述的双天线抗干扰导航装置10以及主控设备11。所述主控设备11与所述双天线抗干扰导航装置10通信连接。所述主控设备11用于接收所述导航信息。
在一个实施例中，所述主控设备11可以是用户终端，比如手机、电脑等。在一个实施例中，所述主控设备11与所述双天线抗干扰导航装置10可采用无线通信连接。所述主控设备11用于接收所述导航信息，并根据该所述导航信息控制所述无人机20按照预设航行路线进行航行。
本实施例所述的无人机20，利用所述卫星接收机100接收所述导航原始数据信息，并通过所述处理组件200对该所述导航原始数据信息进行滤波处理，得到第一数据信息。同时通过所述磁力测量器件300测量所述地球磁场信息，以及通过所述气压测量器件400测量所述大气压强信息，通过所述处理组件200分别所述气压测量器件测量所述大气压强信息进行滤波处理，并基于所述第一数据信息，从而最终确定所述导航信息，进而提高所述无人机20在复杂环境下的抗干扰性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种双天线抗干扰导航装置，其特征在于，应用于无人机(20)，所述导航装置包括：
卫星接收机(100)，用于接收全球导航卫星系统发射的导航原始数据信息；
处理组件(200)，与所述卫星接收机(100)电连接，用于接收所述导航原始数据信息，并将所述导航原始数据信息进行滤波处理后，得到第一数据信息；
磁力测量器件(300)，与所述处理组件(200)电连接，用于测量地球磁场信息，并将当前测量的所述地球磁场信息发送至所述处理组件(200)，所述处理组件(200)将所述地球磁场信息进行滤波处理后，得到第二数据信息；以及
气压测量器件(400)，与所述处理组件(200)电连接，用于测量当前环境的大气压强信息，并将测量的所述大气压强信息发送至所述处理组件(200)，所述处理组件(200)将所述大气压强信息进行滤波处理后，得到第三数据信息；
所述处理组件(200)还用于基于所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息确定导航信息。
2.如权利要求1所述的双天线抗干扰导航装置，其特征在于，还包括：
惯性测量器件(500)，与所述处理组件(200)电连接，用于测量所述无人机(20)当前的速度数据信息，并将所述速度数据信息发送至所述处理组件(200)。
3.如权利要求2所述的双天线抗干扰导航装置，其特征在于，所述处理组件(200)还用于将所述速度数据信息进行滤波处理后，得到第四数据信息，并基于所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息确定所述导航信息。
4.如权利要求3所述的双天线抗干扰导航装置，其特征在于，所述速度数据信息包括角速度数据信息和加速度数据信息。
5.如权利要求4所述的双天线抗干扰导航装置，其特征在于，所述惯性测量器件(500)包括：
惯性传感器(510)，与所述处理组件(200)电连接，用于测量所述无人机当前的角速度数据信息和加速度数据信息，并将所述角速度数据信息和所述加速度数据信息发送至所述处理组件(200)。
6.如权利要求1所述的双天线抗干扰导航装置，其特征在于，所述处理组件(200)基于所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息按照预设抗干扰算法进行解算，以确定所述导航信息。
7.如权利要求6所述的双天线抗干扰导航装置，其特征在于，所述处理组件(200)包括：
第一卡尔曼滤波器(210)，与所述卫星接收机(100)电连接，用于接收所述导航原始数据信息，并将所述导航原始数据信息进行滤波处理后，得到第一数据信息；
第二卡尔曼滤波器(220)，与所述磁力测量器件(300)电连接，用于接收当前测量的所述地球磁场信息，并将所述地球磁场信息进行滤波处理后，得到第二数据信息；
第三卡尔曼滤波器(230)，与所述气压测量器件(400)电连接，用于接收所述大气压强信息，并将所述大气压强信息进行滤波处理后，得到第三数据信息；以及
处理器(240)，分别与所述第一卡尔曼滤波器(210)、所述第二卡尔曼滤波器(220)以及所述第三卡尔曼滤波器(230)电连接，所述处理器(240)依据所述第一数据信息、所述第二数据信息和所述第三数据信息并按照所述预设抗干扰算法进行解算，以确定所述导航信息。
8.如权利要求1所述的双天线抗干扰导航装置，其特征在于，所述磁力测量器件(300)包括：
磁力计(310)，与所述处理组件(200)电连接，用于测量地球磁场信息，并将当前测量的所述地球磁场信息发送至所述处理组件(200)。
9.如权利要求1所述的双天线抗干扰导航装置，其特征在于，所述气压测量器件(400)包括：
气压传感器(410)，与所述处理组件(200)电连接，用于测量当前环境的大气压强信息，并将测量的所述大气压强信息发送至所述处理组件(200)。
10.一种无人机，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的双天线抗干扰导航装置(10)；以及
主控设备(11)，与所述双天线抗干扰导航装置(10)通信连接，用于接收所述导航信息。
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