CN112781621A - 一种基于精准定位的多旋翼无人机校飞系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空制导领域，特别涉及一种基于精准定位的多旋翼无人机校飞系统及方法。包括：机载校验设备子系统，设于无人机空中平台上，用于获取无人机空中平台的位姿信息和导航信息，并将导航数据发送至地面校验处理子系统；地面校验处理子系统，用于读取导航数据，并对导航数据进行解算，得到相对于地面基准系统的误差；地面基准系统，用于将获取的无人机空中平台的RTK差分数据分别发送至机载校验设备子系统和所述地面校验处理子系统；无人机空中平台，用于接收机载校验设备子系统校验后的导航数据，实现空中的姿态调整。本发明对获得的数据进行实时可视化处理，方便对导航设施及时进行调整。
Description
技术领域
本发明属于航空制导领域，特别涉及一种基于精准定位的多旋翼无人机校飞系统及方法。
背景技术
飞行校验：简称校飞，是指为保证飞行安全，使用装有专门校验设备的飞行校验飞机，按照飞行校验的有关规范，检查和评估各种导航、雷达、通信等设备的空间信号的质量及其容限，以及机场的进、离港飞行程序，并依据检查和评估的结果出具飞行校验报告的过程。目前由中国校飞中心承担此项工作，采用湾流飞机按照校验飞行手册规定的航线及科目进行校飞。通过机载设备采集空间信号传送至地面，由专业调校技术人员对地面导航设备进行调校，以保证地面导航设备的准确性。目前机场一次校验费用大概在50万，甚至上百万，成本昂高。而且由于飞行校验受限于导航校验飞机飞行计划，其策划准备时间长、组织协调难度大、使用费用高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于精准定位的无人机校飞系统及方法，在正式校飞之前进行预校飞，从而提高飞行校验效率、降低校验成本，及时发现设备数据偏差。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于精准定位的多旋翼无人机校飞系统，包括：无人机空中平台、机载校验设备子系统、地面校验处理子系统以及地面基准系统；
所述机载校验设备子系统，设于无人机空中平台上，用于获取无人机空中平台的位姿信息和导航信息，并将导航数据发送至地面校验处理子系统；
所述地面校验处理子系统，用于读取机载校验设备子系统获取的导航数据，并对导航数据进行解算，得到相对于地面基准系统的误差，并根据误差以图形方式发送给用户；
所述地面基准系统，用于将获取的无人机空中平台的RTK差分数据分别发送至机载校验设备子系统和所述地面校验处理子系统，以实现对机载校验设备子系统获取的导航数据进行校准，及作为地面校验处理子系统对导航数据进行解算的基准数据；
所述无人机空中平台，用于接收机载校验设备子系统校验后的导航数据，实现空中的姿态调整。
所述导航数据包括：机载校验设备子系统获取的GPS数据和无人机空中平台在极坐标系下的空间导航数据。
所述机载校验设备子系统包括：数传电台、数据采集模块以及与数据采集模块连接的导航接收机和基准接收机；
所述基准接收机将通过数传电台接收到地面基准系统的RTK差分数据，并解算为大地坐标系的GPS数据，并对基准接收机采集的GPS数据进行校验，得到通过校验后的GPS数据，分别发送至数据采集模块以及无人机空中平台；
所述导航接收机，用于将数据采集模块采集的无人机空中平台的位姿信息，并转换为基于无人机空中平台在极坐标系下的空间导航数据；
所述数据采集模块，用于实时采集无人机空中平台的位姿信息、导航接收机的空间导航数据和基准接收机的校验后的GPS数据，并经过预处理后进行储存；
所述数据采集模块将经预处理后的导航数据发送至地面校验处理子系统。
所述地面基准系统包括：RTK地面基准站、地面数传电台以及无人机地面站；
所述RTK地面基准站，用于采集当前无人机空中平台的原始定位数据以及RTK差分数据，并通过地面数传电台发送至基准接收机；
所述无人机地面站，用于储存当前原始定位数据以及RTK差分数据。
一种基于精准定位的多旋翼无人机校飞方法，包括以下步骤：
1)RTK地面基准站通过数传电台将RTK差分数据发送给无人机空中平台上的基准接收机，基准接收机将RTK差分数据对自身获取的GPS数据进行校准，得到校准后的GPS数据；同时RTK地面基准站还将RTK差分数据发送至地面校验处理子系统使用；
2)数据采集模块将采集的导航接收机的空间导航数据以及基准接收机校验后的GPS数据进行预处理后，一并发给地面校验处理子系统；
3)地面校验处理子系统将基准接收机校验后的GPS数据和RTK差分数据进行数据处理，得到的无人机空中平台的位置信息；
4)得到的无人机空中平台的位置信息与数据采集模块发送的导航接收机的空间导航数据进行数据比对，得到无人机空中平台相当于GPS定位信息的误差；
5)根据误差结果，并根据误差以图形方式发送给用户。
本发明具有以下有益效果及优点：
1、本发明的系统能够验证地面台空间信号的实际情况，对其精度、覆盖等实际使用性能做出评定。其基本手段是选用更高精度的导航手段作为校验基准，将机载多模式接收机解调的导航数据与基准数据相比较，得出导航误差数据，然后根据规定的误差允限来评定导航地面设施是否满足使用要求。
2、本发明对获得的数据进行实时可视化处理，方便对导航设施及时进行调整。利用多旋翼无人机易于操纵的优点，能够按规划路径自动飞行，描绘误差曲线，完成导航信号定期校验。
3、本发明能够在规定检查点悬停，重点排查遮挡、干扰等情况。
附图说明
图1为本发明提供的系统结构框图；
图2本发明导航接收机功能框图；
图3为地面校验处理子系统处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明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发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明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，不是旨在于限制本发明。
如图1所示，该系统由无人机空中平台、机载校验设备子系统、地面校验处理子系统以及地面基准系统组成。
机载校验设备子系统，设于无人机空中平台上，用于获取无人机空中平台的位姿信息和导航信息，并将导航数据发送至地面校验处理子系统；
地面校验处理子系统，用于读取机载校验设备子系统获取的导航数据，并对导航数据进行解算，得到相对于地面基准系统的误差，并根据误差以图形方式发送给用户；
地面基准系统，用于将获取的无人机空中平台的RTK差分数据分别发送至机载校验设备子系统和所述地面校验处理子系统，以实现对机载校验设备子系统获取的导航数据进行校准，及作为地面校验处理子系统对导航数据进行解算的基准数据；
无人机空中平台，用于接收机载校验设备子系统校验后的导航数据，实现空中的姿态调整。
无人机空中平台选用多旋翼无人机，系统操纵方便，可悬停。
由于机场导航设备主要服务于固定翼民航客机，校飞飞机使用的也是固定翼喷气式飞机，许多科目适合采用固定翼飞机进行校验。需要在旋翼无人机上开发仿固定翼飞行模式，仿固定翼飞行主要依据飞行动力学和运动学系统模型，针对空气动力学特性进行模型建立，解算飞机的六自由度非线性全量运动方程，并且进行大气环境对飞机影响的模拟。飞行器的重心位置，操纵面位置，发动机推力，襟翼位置等都需要导入飞行动力学模型。飞行器气动力、力矩和气动参数的解算实在气动模块中完成的。飞行器的位置、姿态与其他飞行参数的获取，是通过飞行动力学方程解算模块来解算飞行器六自由度非线性全量微分方程得来的。此部分是飞行仿真中的数据来源。
无人机空中平台在进行飞控设计时，要具有路径规划与避障的能力。
本系统采用高精度基于视觉的景象匹配导航技术，无人机景象匹配定位方法通过使用预先存储包含精确地理信息的导航地图，利用一帧实拍图像与导航地图匹配即可实现飞行器的绝对定位。
如图2所示，导航接收机按功能划分为7个部分：(1).MLS通道(2)LOC/VOR通道(3)下滑通道(4)信标通道(5)模拟分机(6)控制分机(7)电源/机架分机。导航接收机接收空间导航数据，解调空间导航数据，和基准接收机数据一起送入数据采集系统进行预处理和存储。导航接收机得到的数据是基于锥形坐标系或极坐标系，上述导航接收机为现有技术。
基准接收机是接收来自基于地面基准系统的RTK的精准定位信息。该数据是采用大地坐标系。
数据采集模块同步采集来自导航接收机以及机基准接受机的两组定位数据，对数据进行预处理，然后进行存储。数据采集模块也完成机载设备电源管理、参数加载等功能。数据采集模块将数据传输给地面校验处理子系统。
由于数据采集模块采集的两组数据的坐标系不同，数据处理必须在地面校验处理子系统进行坐标变换，如图3所示。
地面校验处理子系统读取空间数据采集模块获得的数据，融合RTK提供的精确导航信息，对校验参数进行计算，计算结果以图形显示给用户。数据解析是对空间信号采集单元输送过来的数据帧进行解帧或解压，然后对RTK数据进行坐标转换，按照不同的校验科目对RTK数据进行计算，将导航接收机所提供的飞机位置信息和此信息进行比对，就可以得出导航接收机定位信息相对于GPS定位信息的误差，此误差及后续计算的结果可以评估导航设备的精度。
RTK基准站通常架设在机场精确标定的固定点上，将原始定位数据和载波相位差分信息，即RTK差分数据，通过无线数传电台发送给基准接收机，基准接收机安装在无人机空中平台上，实现飞机动态位置的精确测量，作为系统的校验基准。根据相关要求，校验基准设备的精度一般应比被测系统的精度高出一个数量级，至少也要高出五倍。
本系统采用软件无线电(即Software Defined Radio，SDR)技术，实现基于通用的硬件平台上用不同的软件来实现校飞各种导航系统。
通过更换接收机和天线系统，可以完成多种系统的飞行校验，如ILS、VOR、GBAS、DME等导航系统；
为了实现精准定位，本系统采用RTK技术，即载波相位差分技术，是建立在实时处理两个观测站的载波相位基础上的相对定位技术。地面基准站通过数据链实时将其载波观测值和原始定位信息一起传送给移动站GPS接收机。利用相对定位原理，将这些观测值进行差分，削弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等影响，并对基线求解、解算载波相位差分改正值，然后解算出飞机的坐标。由于RTK技术能够以厘米级的精度提供三维坐标，其定位和测速精度要远比单独的GPS定位要高很多。
为了实现精准定位，本系统采用高精度基于视觉的景象匹配导航技术，无人机景象匹配定位方法通过使用预先存储包含精确地理信息的导航地图，利用一帧实拍图像与导航地图匹配即可实现飞行器的绝对定位。
整个系统供电分为两个部分：(1)无人机系统供电；(2)机载测试设备供电。
电源模块设计有过压、过流保护装置，当出现短路、过流或过压时，应自动停止工作，防止内部电源损坏。
本发明原理在于：地面校验处理子系统由无人机地面站、数传电台、RTK基准站、RTK地面基准站中数据相互传输，无人机空中平台搭载数据采集设备，模拟湾流飞机，按规定路线飞行，采集地面导航设备的空间信号，并将数据传回地面。导航接收机能够验证地面台空间数据中的实际情况，对其精度、覆盖等实际使用性能做出评定。该系统是通过RTK与GPS+北斗双模接收机数据融合模式，并采用视觉导航技术，共同实现无人机高精度定位，利用该系统可以更精准地模拟传统的导航校验飞机的功能，部分替代昂贵的导航校验飞机作业，也可以代替导航地面测试车，到达车辆或传统伸缩式桅杆无法到达的区域，获得更大的测量范围。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明都是与其他实施例不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本发明应用具体个例对发明的原理和实施方式进行阐述，以上实施例的说明只是用于帮助本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于精准定位的多旋翼无人机校飞系统，其特征在于，包括：无人机空中平台、机载校验设备子系统、地面校验处理子系统以及地面基准系统；
所述机载校验设备子系统，设于无人机空中平台上，用于获取无人机空中平台的位姿信息和导航信息，并将导航数据发送至地面校验处理子系统；
所述地面校验处理子系统，用于读取机载校验设备子系统获取的导航数据，并对导航数据进行解算，得到相对于地面基准系统的误差，并根据误差以图形方式发送给用户；
所述地面基准系统，用于将获取的无人机空中平台的RTK差分数据分别发送至机载校验设备子系统和所述地面校验处理子系统，以实现对机载校验设备子系统获取的导航数据进行校准，及作为地面校验处理子系统对导航数据进行解算的基准数据；
所述无人机空中平台，用于接收机载校验设备子系统校验后的导航数据，实现空中的姿态调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于精准定位的多旋翼无人机校飞系统，其特征在于，所述导航数据包括：机载校验设备子系统获取的GPS数据和无人机空中平台在极坐标系下的空间导航数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于精准定位的多旋翼无人机校飞系统，其特征在于，所述机载校验设备子系统包括：数传电台、数据采集模块以及与数据采集模块连接的导航接收机和基准接收机；
所述基准接收机将通过数传电台接收到地面基准系统的RTK差分数据，并解算为大地坐标系的GPS数据，并对基准接收机采集的GPS数据进行校验，得到通过校验后的GPS数据，分别发送至数据采集模块以及无人机空中平台；
所述导航接收机，用于将数据采集模块采集的无人机空中平台的位姿信息，并转换为基于无人机空中平台在极坐标系下的空间导航数据；
所述数据采集模块，用于实时采集无人机空中平台的位姿信息、导航接收机的空间导航数据和基准接收机的校验后的GPS数据，并经过预处理后进行储存；
所述数据采集模块将经预处理后的导航数据发送至地面校验处理子系统。
4.根据权利要求1所述的一种基于精准定位的多旋翼无人机校飞系统，其特征在于，所述地面基准系统包括：RTK地面基准站、地面数传电台以及无人机地面站；
所述RTK地面基准站，用于采集当前无人机空中平台的原始定位数据以及RTK差分数据，并通过地面数传电台发送至基准接收机；
所述无人机地面站，用于储存当前原始定位数据以及RTK差分数据。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种基于精准定位的多旋翼无人机校飞方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)RTK地面基准站通过数传电台将RTK差分数据发送给无人机空中平台上的基准接收机，基准接收机将RTK差分数据对自身获取的GPS数据进行校准，得到校准后的GPS数据；同时RTK地面基准站还将RTK差分数据发送至地面校验处理子系统使用；
2)数据采集模块将采集的导航接收机的空间导航数据以及基准接收机校验后的GPS数据进行预处理后，一并发给地面校验处理子系统；
3)地面校验处理子系统将基准接收机校验后的GPS数据和RTK差分数据进行数据处理，得到的无人机空中平台的位置信息；
4)得到的无人机空中平台的位置信息与数据采集模块发送的导航接收机的空间导航数据进行数据比对，得到无人机空中平台相当于GPS定位信息的误差；
5)根据误差结果，并根据误差以图形方式发送给用户。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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