CN110837095B - 基于小型无人机及rtk的遥测设备方位零位偏差标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，通过设置基准端的两个天线和一个移动端天线，使用载波差分测定移动端的理论方位角，并与天线显示方位角进行作差，得到方位零位偏差，循环三次做均值得到最终的方位零位偏差，可以实现遥测设备方位零位偏差快速标定，并且成本较低，方法灵活，可以一机多用。

Description

基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法

技术领域

本发明属于遥测设备方位零位偏差标定技术领域，具体涉及一种基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法。

背景技术

车载遥测设备到达布站位置后，为了实现目标捕获与跟踪，都要确定跟踪系统的天线方位零位偏差，即进行方位零位偏差修正。天线方位零位偏差又叫方位零位偏差，是指跟踪天线在自身参考方位零度时天线的电轴指向在水平面上与测量坐标系中方位零度方向(大地正北方向)的夹角，顺时针方向为正值，逆时针方向为负值。对于遥测设备来说，要确保天线可靠接收目标遥测信号，必须确保天线指向与目标方向的偏差小于天线主瓣的半功率波束宽度。

当前部分车载遥测设备无寻北硬件，在外场执行任务时，现有的方位零位偏差标定方法不能兼顾标定精度和对机动测控设备快速标校的需求。如果车载遥测设备在参试中装订的方位零位偏差的误差较大，则天线等待点偏差大，会降低设备程序引导或数字引导方式的目标捕获率。针对该问题研究了采用小型旋翼无人机及RTK(Real-time kinematic，实时动态)载波相位差分技术实现方位零位偏差修正的方法，解决目前无寻北功能车载设备的方位零位偏差标定问题。

现有技术是采用对方位标方法。该方法要求操作人员爬到天线叉臂上，反复以正镜、倒镜方式通过观测方位标的方式获取方位角真值。但是对场地有特殊要求，需要提前建立方位标，并要对布站点位和每个方位标经过精确大地测量该方法判断确定的指标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，通过设置基准端的两个天线和一个移动端天线，使用载波差分测定移动端的理论方位角，并与天线显示方位角进行作差，得到方位零位偏差，循环三次做均值得到最终的方位零位偏差。

本发明采用以下技术方案：

基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，包括以下步骤：

S1、方位零位偏差标定时，将RTK基准端的基准天线B₁和测向天线B₂放置在与遥测天线站址中心O同一水平面内，构成三角形OB₁B₂；

S2、测定三角形OB₁B₂的三边长，并计算夹角∠OB₁B₂；

S3、将天线指向无人机悬停点M得到方位卷绕角α₀；

S4、计算三角形B₁B₂M的夹角∠B₂B₁M；

S5、通过余弦定理计算夹角∠OMB₁；

S6、计算B₁M与正北方向的夹角β；

S7、计算天线指向无人机的理论方位角α；

S8、作差得到方位零位偏差θ₁；

S9、控制无人机悬停位置M，重复步骤S3～S8两次，分别得到方位零位偏差θ₂与θ₃，然后取均值得到最终的方位零位偏差θ用于标定。

具体的，步骤S2中，在三角形OB₁B₂中，通过大地测量得到三边OB₁、OB₂、B₁B₂的长度，夹角∠OB₁B₂为：

其中，R₀为B₁B₂的长度。

具体的，步骤S3中，遥测设备伺服操作人员控制转动天线指向无人机悬停位置M，使无人机位于天线标校电视中央，记录此时伺服计算机软件界面显示的天线方位卷绕角度α₀。

具体的，步骤S4中，三角形B₁B₂M的夹角∠B₂B₁M，公式如下：

其中，R₀为B₁B₂的长度，R₁为B₁M的长度，R₂为B₂M的长度。

进一步的，假设通过数传电台下传的边B₁M的径向距离为H₁，横向距离为L₁，则通过下式可得到RTK移动端M到基准天线B₁的距离R₁：

假设通过数传电台下传的边B₂M径向距离为H₂，横向距离为L₂，则通过下式可得到RTK移动端M到基准天线B₂的距离R₂：

具体的，步骤S5中，夹角∠OMB₁为：

具体的，步骤S6中，夹角β为：

其中，H₁为边B₁M的径向距离，L₁为横向距离。

具体的，步骤S7中，理论方位角为α为：

α＝∠OMB₁+β

具体的，步骤S8中，方位零位偏差θ₁为：

θ₁＝α-α₀

具体的，步骤S9中，通过无人机控制手柄控制无人机，飞行至新的位置并悬停，然后按照步骤S3～S8得到方位零位偏差θ₂；然后再飞行至第三个位置并悬停，同样按照步骤S3～S8计算得到方位零位偏差θ₃；假设最终的方位零位偏差为θ，计算得到方位零位偏差θ为：

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，方法成本低。目前高精度寻北仪售价十万以上，建方位标并进行精确大地测量耗时长且成本高，基于小型无人机及RTK板卡的方位零位偏差标定设备为2万左右；方法灵活便捷。方位标必须建在设备布站位置附近，一旦设备机动转移，该方位标失去作用，基于RTK技术的方位零位偏差标定则在任意点可进行方位零位偏差标定；可以一机多用。高精度寻北仪需要与遥测设备紧密固定，一寻北仪只能对一台遥测设备进行方位零位偏差标定，基于RTK技术的标定系统为独立系统，一套系统可对多台遥测设备进行标定。

进一步的，步骤S2在三角形OB₁B₂中，比较容易通过大地测量得到三边OB₁、OB₂、B₁B₂的长度。夹角∠OB₁B₂通过余弦定理也容易求得。

进一步的，步骤S3中，遥测设备伺服操作人员控制转动天线指向无人机悬停位置M，使无人机位于天线标校电视中央，记录此时伺服计算机软件界面显示的天线方位卷绕角度α₀。得到了天线方位卷绕角α₀才能够在接下来计算方位零位偏差。

进一步的，步骤S4中，通过数传电台下传的边B₁M的径向距离为H₁，横向距离为L₁，进一步可得到RTK移动端M到基准天线B₁的距离R₁，同理，通过数传电台下传的边B₂M径向距离为H₂，横向距离为L₂，进一步可得到RTK移动端M到基准天线B₂的距离R₂。在三角形B₁B₂M中通过余弦定理比较容易计算得到夹角∠B₂B₁M。

进一步的，步骤S5中，在三角形OMB₁中，已知两边夹一角，则此三角形能够完全唯一确定，通过余弦定理容易计算得到∠OMB₁。

进一步的，步骤S6中，H₁为边B₁M的径向距离，L₁为横向距离，通过计算反正切易得到夹角β。

进一步的，步骤S7中，根据补角理论，根据∠OMB₁和夹角β易得到理论方位角α。

进一步的，步骤S8中，根据方位零位偏差的定义，即理论方位角减去方位卷绕角得到方位零位偏差。

进一步的，步骤S9中，通过重复两次得到三个方位零位偏差，求平均，以得到更加准确的值。

综上所述，本发明能够计算得到方位零位偏差，不需要标校板，也不需要其他设备进行比对，方便实用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为方位零位偏差示意图；

图2为方位零位偏差标定方法的设备组成示意图；

图3为RTK基准端组成示意图；

图4为无人机及RTK移动端组成示意图；

图5为方位零位偏差标定方法的示意图；

图6为本发明的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，通过设置基准端的两个天线和一个移动端天线，使用载波差分测定移动端的理论方位角，并与天线显示方位角进行作差，得到方位零位偏差，循环三次做均值得到最终的方位零位偏差，可以实现遥测设备方位零位偏差快速标定，并且成本较低，方法灵活，可以一机多用。

请参阅图6，本发明一种基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，包括以下步骤：

S1、RTK基准端的基准天线B₁和测向天线B₂；

方位零位偏差标定时，RTK基准端接基准天线B₁和测向天线B₂，放置在与遥测天线站址中心O同一水平面内，构成一个三角形OB₁B₂，该三角形形状固定不变。

S2、测定三角形OB₁B₂的三边长，并计算夹角∠OB₁B₂；

在三角形OB₁B₂中，通过大地测量得到三边OB₁、OB₂、B₁B₂的长度，其中，B₁B₂的长度记为R₀。通过余弦定理计算夹角∠OB₁B₂，计算公式为：

S3、天线指向无人机悬停点M得到方位卷绕角α₀；

遥测设备伺服操作人员控制转动天线，指向无人机悬停位置M，使无人机位于天线标校电视中央。记录此时伺服计算机软件界面显示的天线方位卷绕角度，记为α₀。

S4、计算三角形B₁B₂M的夹角∠B₂B₁M；

假设通过数传电台下传的边B₁M的径向距离为H₁，横向距离为L₁，则通过下式可得到RTK移动端M到基准天线B₁的距离R₁：

同理，假设通过数传电台下传的边B₂M径向距离为H₂，横向距离为L₂，则通过下式可得到RTK移动端M到基准天线B₂的距离R₂：

因此，测得三角形B₁B₂M的三边B₁B₂、B₁M、B₂M的长度分别为R₀、R₁、R₂，通过余弦定理得到三角形B₁B₂M的夹角∠B₂B₁M，公式如下：

S5、通过余弦定理计算夹角∠OMB₁；

将夹角∠OB₁B₂与夹角∠B₂B₁M相加得到夹角∠OB₁M，公式如下：

∠OB₁M＝∠OB₁B₂+∠B₂B₁M

在三角形OB₁M中，已知两边一夹角，即OB₁、B₁M、∠OB₁M，通过余弦定理得到另一个夹角∠OMB₁，计算过程如下：

S6、计算B₁M与正北方向的夹角β；

在步骤S4中已经通过移动端M与基准天线B₁通过载波相位差分得到边B₁M的径向距离为H₁，横向距离为L₁，根据下式得到夹角β：

S7、计算天线指向无人机的理论方位角为α；

假设天线指向无人机的理论方位角为α，通过下式计算得到：

α＝∠OMB₁+β

S8、作差得到方位零位偏差θ₁；

假设方位零位偏差为θ₁，则可通过下式计算得到：

θ₁＝α-α₀

S9、控制无人机悬停位置M，重复步骤S3～S8两次，分别得到方位零位偏差θ₂与θ₃，然后取均值得到最终的方位零位偏差θ。

通过无人机控制手柄控制无人机，飞行至新的位置并悬停，然后按照步骤03-08的方法，得到方位零位偏差θ₂。然后再飞行至第三个位置并悬停，同样按照步骤03-08的方法，计算得到方位零位偏差θ₃。假设最终的方位零位偏差为θ，则可通过下式计算得到：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，方位零位偏差是指车尾方向与正北方向之间的夹角；图中，θ为天线车尾方向相对于正北方向的方位零位偏差，α₀为天线方向相对于车尾方向的卷绕角，α为天线相对于正北的方位角。方位零位偏差随着每次布站时停车方向不同而变化。当车尾方向由北沿顺时针方向逐渐转向南时，方位零位偏差由0°逐渐向180°过渡；而当车尾方向由北沿逆时针方向逐渐转向南时，方位零位偏差由0°逐渐向-180°过渡。

请参阅图2，为方位零位偏差标定方法的设备组成示意图。目前GPS/BDS定向可以达到毫弧秒级，据此原理设计基于RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法。方位零位偏差标定系统由RTK基准端、旋翼无人机及其载荷RTK移动端、数据处理终端组成。旋翼无人机搭载RTK移动端、数传电台，无人机动力及所搭载设备供电统一由无人机电源模块提供。RTK基准端同时接基准天线和测向天线，通过无线电台把基准端的载波相位观测数据连续不断的传给悬停无人机上的RTK移动端，RTK移动端解算基线长度、方位信息并向地面数据处理终端发送，同时数据处理终端通过电台发送无人机控制信息和信标设置命令。

请参阅图3，为RTK基准端组成示意图。RTK基准端由主机、电源模块和电台组成，主机由RTK板卡、微处理器及天线等组成。RTK板卡接收卫星信号，并接收所有卫星的RTK改正数据，然后按照RTCM的标准格式通过串口发送给数传电台，数传电台将RTK改正数据发送给无人机搭载的RTK移动端，供其进行实时载波相位差分定位。RTK板卡采用采用ZED-F9P芯片，微处理器完成相关运算和通信参数设置。

请参阅图4，为无人机及RTK移动端组成示意图。无人机及RTK移动端由旋翼无人机、信标机、数传电台和RTK移动端组成。RTK移动端与RTK基准端主要有两方面区别，一是RTK移动端主要接收RTK改正数据，为了减小设备体积，延长电池使用时间，尽量采用小型化设计；二是为方便野外作业，RTK移动端设计采用无人机电源供电。RTK移动端由RTK板卡、微处理器和天线等组成。RTL移动端接收卫星信号，并接收基准站发送的改正数据，进行实时载波相位差分定位，从而获得高精度基线测向。微处理器完成相关运算和通信参数设置。

请参阅图5，为方位零位偏差标定方法的示意图。图中Y轴为正北方向，点O为遥测天线站址中心，点B₁、B₂分别为RTK基准端的基准天线和测向天线位置，点M为无人机悬停位置，夹角β为线B₁M与正北方向的夹角，夹角α为天线指向无人机的理论方位角。

表1某三台遥测设备计算得到的方位零位偏差对比

将方位标方法得到的方位零位偏差作为真值，本发明方法得到的方位零位偏差与真值作对比。通过表1可以看到，三台设备通过本专利方法得到的方位零位偏差与方位标方法的差值均在0.1°以下，能够满足遥测设备的方位零位偏差标定要求。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、方位零位偏差标定时，将RTK基准端的基准天线B₁和测向天线B₂放置在与遥测天线站址中心O同一水平面内，构成三角形OB₁B₂；

S2、测定三角形OB₁B₂的三边长，并计算夹角∠OB₁B₂；

S3、将天线指向无人机悬停点M得到方位卷绕角α₀，具体为：遥测设备伺服操作人员控制转动天线指向无人机悬停位置M，使无人机位于天线标校电视中央，记录此时伺服计算机软件界面显示的天线方位卷绕角度α₀；

S4、计算三角形B₁B₂M的夹角∠B₂B₁M；

S5、通过余弦定理计算夹角∠OMB₁；

S6、计算B₁M与正北方向的夹角β；

S7、计算天线指向无人机的理论方位角α；

S8、作差得到方位零位偏差θ₁；

S9、控制无人机悬停位置M，重复步骤S3～S8两次，分别得到方位零位偏差θ₂与θ₃，然后取均值得到最终的方位零位偏差θ用于标定。

2.根据权利要求1所述的基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，其特征在于，步骤S2中，在三角形OB₁B₂中，通过大地测量得到三边OB₁、OB₂、B₁B₂的长度，夹角∠OB₁B₂为：

3.根据权利要求1所述的基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，其特征在于，步骤S4中，三角形B₁B₂M的夹角∠B₂B₁M，公式如下：

其中，R₀为B₁B₂的长度，R₁为B₁M的长度，R₂为B₂M的长度。

4.根据权利要求3所述的基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，其特征在于，假设通过数传电台下传的边B₁M的径向距离为H₁，横向距离为L₁，则通过下式可得到RTK移动端M到基准天线B₁的距离R₁：

假设通过数传电台下传的边B₂M径向距离为H₂，横向距离为L₂，则通过下式可得到RTK移动端M到基准天线B₂的距离R₂：

5.根据权利要求1所述的基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，其特征在于，步骤S5中，夹角∠OMB₁为：

6.根据权利要求1所述的基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，其特征在于，步骤S6中，夹角β为：

其中，H₁为边B₁M的径向距离，L₁为横向距离。

7.根据权利要求1所述的基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，其特征在于，步骤S7中，理论方位角为α为：

α＝∠OMB₁+β。

8.根据权利要求1所述的基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，其特征在于，步骤S8中，方位零位偏差θ₁为：

θ₁＝α-α₀。

9.根据权利要求1所述的基于小型无人机及RTK的遥测设备方位零位偏差标定方法，其特征在于，步骤S9中，通过无人机控制手柄控制无人机，飞行至新的位置并悬停，然后按照步骤S3～S8得到方位零位偏差θ₂；然后再飞行至第三个位置并悬停，同样按照步骤S3～S8计算得到方位零位偏差θ₃；假设最终的方位零位偏差为θ，计算得到方位零位偏差θ为：

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