CN112924999B

CN112924999B - 一种无人机的定位方法、系统、装置及介质

Info

Publication number: CN112924999B
Application number: CN202110046616.2A
Authority: CN
Inventors: 罗飞; 陈鹏飞; 李长锋
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2023-08-22
Anticipated expiration: 2041-01-14
Also published as: CN112924999A

Abstract

本发明公开了一种无人机的定位方法、系统、装置及介质，其中方法包括以下步骤：获取伪距测量值和载波相位测量值；根据卫星提供的位置和时钟偏移的估计值校正所述伪距测量值和所述载波相位测量值；根据校正后的测量值的双差消除大气误差、卫星位置和时钟的误差；在消除误差后，采用3个GNSS接收机确定无人机的姿态，并根据参考站进行RTK定位，实现无人机的定位。本发明将RTK定位和姿态确定以及GNSS与无人机惯性测量进行结合，突破传统定位方法定位精度不高的缺点，提高无人机的定位精准度。本发明可广泛应用于无人机控制技术领域。

Description

一种无人机的定位方法、系统、装置及介质

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，尤其涉及一种无人机的定位方法、系统、装置及介质。

背景技术

无人机具有广泛的应用范围：专业的无人机市场面向空中测量和制图，空中监视和安全，基础设施的空中检查以及空中货物交付。对于大多数这些应用，准确了解无人机的姿态(位置和姿态)至关重要。GPS，伽利略，GLONASS(格洛纳斯)和北斗等全球导航卫星系统在接收器处提供伪距，载波相位和多普勒测量，以进行定位。可以以几毫米到几厘米的噪声水平跟踪载波相位。但是，载波相位是周期性的，波长只有19cm，因此需要模糊度。在过去的20多年中，解决载波相位模糊度(从浮点数到整数)一直是一个重要的研究课题。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于：

本发明所采用的技术方案是：

一种无人机的定位方法，包括以下步骤：

获取伪距测量值和载波相位测量值；

根据卫星提供的位置和时钟偏移的估计值校正所述伪距测量值和所述载波相位测量值；

根据校正后的测量值的双差消除大气误差、卫星位置和时钟的误差；

在消除误差后，采用3个GNSS接收机确定无人机的姿态，并根据参考站进行RTK定位，实现无人机的定位。

进一步，所述伪距测量值为接收机与卫星之间的距离测量值，所述载波相位测量值为在同一接收时刻基准站接收的卫星信号的相位相对于接收机产生的载波信号相位的测量值；

所述伪距测量值和载波相位测量值通过GNSS接收机获得。

进一步，所述根据卫星提供的位置和时钟偏移的估计值校正测量值，包括：

根据卫星提供的位置和时钟偏移的估计值获取载波相位和伪距校正公式；

获取参考站的坐标信息，结合所述坐标信息、载波相位和伪距校正公式校正所述伪距测量值和所述载波相位测量值。

进一步，所述载波相位和伪距校正公式为：

其中，是从卫星k指向接收器u的归一化方向矢量，c表示光速；

基于坐标信息的校正公式为：

进一步，所述采用3个GNSS接收机确定无人机的姿态，并根据参考站进行RTK定位，实现无人机的定位，包括：

通过3个GNSS接收机获取RTK基线和两个姿态基线的载波相位测量值和伪距测量值在n时刻的测量向量

通过惯性测量单元获取无人机机体的加速度和角速度，根据所述加速度和所述角速度获取所述惯性测量单元的测量向量

根据所述测量向量和所述测量向量/>获取无人机的状态向量，实现无人机的定位；

其中，所述状态向量包含无人机的位姿信息和速度信息。

进一步，所述无人机的定位方法还包括根据定位结果验证定位的准确性的步骤，具体包括：

分析固定载波相位残差，所述固定载波相位残差描述了固定模糊度下测量和计算的载波相位之间的一致性；

无人机着陆后重新确定模糊度，将模糊度重新确定的解决方案与着陆后直接获得模糊度的解决方案进行比较，确定定位的准确度。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种无人机的定位系统，包括：

测量模块，用于获取伪距测量值和载波相位测量值；

校正模块，用于根据卫星提供的位置和时钟偏移的估计值校正所述伪距测量值和所述载波相位测量值；

误差消除模块，用于根据校正后的测量值的双差消除大气误差、卫星位置和时钟的误差；

定位模块，用于在消除误差后，采用3个GNSS接收机确定无人机的姿态，并根据参考站进行RTK定位，实现无人机的定位。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种无人机的定位装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如上所述方法。

本发明的有益效果是：本发明将RTK定位和姿态确定以及GNSS与无人机惯性测量进行结合，突破传统定位方法定位精度不高的缺点，提高无人机的定位精准度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种无人机的定位方法的逻辑流程示意图；

图2是本发明实施例中AeroXess无人机的示意图；

图3是本发明实施例中无人机固定相位残差和地面轨迹示意图；

图4是本发明实施例中姿态基线的固定相位残差示意图；

图5是本发明实施例中RTK基线的固定相位残差示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本实施例提供一种联合RTK定位和姿态确定以及GNSS与无人机惯性测量来进行精准定位的方法，使用了AeroXess无人机，ANavS无人机具有多传感器实时运动定位模块等辅助设备，集成多个传感器可以增强RTK定位的性能。ANavS的多传感器RTK模块包括3个多频率，多GNSS接收器，一个3D加速度计，一个3D陀螺仪和气压计。它将所有原始数据以及RTK定位和传感器融合的数据进行同步。此外，将气压高度信息集成到RTK定位中能够快速解决模糊度问题。本实施例的方法包括以下步骤：

S1、通过GNSS接收机来获取伪距测量值和载波相位测量值。

通过GNSS接收机来获取伪距测量值和载波相位测量值，一个GNSS接收机包含一个延迟锁定环和锁相环，能为接收机u提供频率为m的卫星k上的伪距测量值和载波相位测量值/>测量值取决于卫星位置/>和时钟偏移/>

S2、通过卫星提供的位置和时钟偏移的估计值来校正测量值。包括以下步骤：

S21、载波相位和伪距校正公式如下所示：

式中是从卫星k指向接收器u的归一化方向矢量，而c表示光速。

S22、参考站的坐标是已知的，因此，对参考站的测量值进行了校正，校正公式如下所示：

S3、利用校正后的测量值的双差来消除大气误差、卫星位置和时钟的误差。包括以下步骤：

S31、载波相位测量值的双差如下所示：

它取决于接收器u和r之间的相对位置(也称为基线)，载波波长λ_m，双差整数模糊度/>双差载波相位多径/>和双差相位噪声/>

S32、伪距测量值的双差如下所示：

式中为双差伪距多径，/>为双差伪距噪声。

S4、使用3个GNSS接收机来确定姿态，并在地面上使用一个附加参考站进行RTK定位。包括以下步骤：

S41、无人机上的3个GNSS接收器跨越两个姿态基线，索引为1和2。RTK基线和两个姿态基线的载波相位和伪距测量值都在单个测量向量中的第n个时间处堆叠为：

式中分量向量包括所有使用过的具有一定基准和频率的卫星的双差测量值。

S42、惯性坐标系堆叠在单个惯性测量单元测量向量如下所示：

式中，为惯性测量单元测量载体坐标系的加速度，/>为载体坐标系的角速度。

S43、状态向量包括在时间t_n处的RTK和姿态基线的所有未知参数，如下所示:

对上述的符号含义约定如下：

为本地导航坐标系中无人机与参考站之间的3D基线矢量；

为无人机的3D速度矢量；

N_RTK为所有使用过的卫星和频率的RTK基线的双差整数模糊度；

N_ATT为所有使用过的卫星和频率的姿态基线的双差整数模糊度；

为从载体坐标系到导航坐标系旋转的四元数；

为加速度计测量偏差。

S44、状态向量是在惯性测量单元(惯性测量单元包括加速度计、陀螺仪和气压计等)测量值的帮助下从其先前的估计中预测而来的，如下所示：

S45、在接下来的几行中，为每个状态参数引入了非线性预测函数f(.)。使用速度信息线性预测n时刻的RTK基线如下所示：

式中Δt是使用IMU测量的两个后续状态预测之间的时间。

S46、速度可以通过加速度来得到，加速度是通过加速度计获得并针对重力和偏置进行了预先校正，如下所示:

将(10)带入(9)中得到结果如下所示：

式中，为从载体坐标系到导航坐标系的旋转矩阵。该旋转也可以用四元数/>表示，如下所示：

其中*表示四元数的共轭。

S47、通过之前时刻载体坐标系的角速度的测量得到之前时刻的四元数，从而能够获取在n时刻的四元数，如下所示：

平均角速度为：

四元数为：

式中表示载体坐标系的旋转，其他状态参数看作是常数。

S48、由上面可得相应地所有估计状态的协方差矩阵如下所示：

式中表示的是f关于x_n的偏导数，/>是前一时刻的状态更新的协方差矩阵，/>是当前时刻测量噪声的协方差矩阵，∑x_n是噪声处理的协方差矩阵。

S49、等式(5)中GNSS的测量用于更新预测状态。状态更新是通过标准卡尔曼滤波器获得的，如下所示：

式中，表示线性映射矩阵，K_n表示卡尔曼增益。通过误差传递来获得更新状态参数的协方差矩阵，如下所示：

后者是通过插入(优化的)卡尔曼增益获得的，该增益使更新后的状态估计的方差最小。RTK基线的双差模糊度用著名的LAMBDA方法来解决。通过考虑基线长度和基线之间的相对方向的约束，可以显着地解决姿态模糊度。

S5、如图3、图4图5所示，根据无人机固定相位残差和地面轨迹图、姿态基线的固定相位残差图以及RTK基线的固定相位残差图来直观验证上述方法的可行性，包括如下步骤：

S51、在实施例中，我们描述了无人机姿态估计的准确性。以下两种方法用于评估准确性，而无需参考系：

S511、分析固定载波相位残差。

S512、无人机着陆后重新确定模糊度，并将模糊度重新确定的解决方案与着陆后直接获得模糊度的解决方案进行比较

固定相位残差描述了固定模糊度下测量和计算的载波相位之间的一致性。特别是对于多个GNSS星座图，相位测量的数量要比未知基线坐标的数量大得多，因此固定相位残差是一个非常好的精度指标。第二种方法能够检测在飞行过程中发生并保留在解决方案中的最终错误(例如，未校正的周跳)。重新确定模糊度后，我们发现RTK和姿态解决方案没有跳跃，即确定了姿态和RTK的解决方法。

S52、通过姿态基线的固定相位残差和RTK基线的固定相位残差来直观验证该方法的可行性，包括如下部分：

S521、所有使用过的GPS，伽利略，GLONASS和北斗卫星的姿态估计的固定相位残差。在大多数情况下，所有卫星的残差都在2cm以下，这表明此方法是正确的模糊度解决方法。

S522、所有使用的GPS，伽利略，GLONASS和北斗卫星的RTK基线估计的固定相位残差。大部分时间中所有卫星的残差都在5cm以下，这表明位置解的准确性。

综上所述，本实施例的方法为无人机的载波相位模糊度解决和高精度定位提供了新的方法，将RTK定位和姿态确定以及GNSS与无人机惯性测量进行紧密结合，使得姿态基线的固定残差和RTK基线的固定残差都在厘米级的范围，大大提高了无人机的定位精度，具有实际应用价值。

本实施例的方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)、本实施例将RTK定位和姿态确定以及GNSS与无人机惯性测量进行紧密结合，突破了传统定位方法定位精度不高的缺点。

(2)、本实施例解决了载波相位由于具有周期性而带来的模糊度问题，解决了精确定位所面临的难题。

(3)、本实施例使无人机在动态或者静态条件下均能够被精确定位。

本实施例还提供一种无人机的定位系统，包括：

测量模块，用于获取伪距测量值和载波相位测量值；

本实施例的一种无人机的定位系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种无人机的定位方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

一种无人机的定位装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

本实施例的一种无人机的定位装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种无人机的定位方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行如图1所示的方法。

本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种无人机的定位方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种无人机的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取伪距测量值和载波相位测量值；

在消除误差后，采用3个GNSS接收机确定无人机的姿态，并根据参考站进行RTK定位，实现无人机的定位；

所述载波相位和伪距校正公式为：

基于坐标信息的校正公式为：

所述载波相位测量值的双差的公式如下：

载波相位测量值的双差取决于接收器u和r之间的相对位置载波波长λ_m、双差整数模糊度/>双差载波相位多径/>和双差相位噪声/>

所述伪距测量值的双差的公式如下：

其中，为双差伪距多径，/>为双差伪距噪声。

2.根据权利要求1所述的一种无人机的定位方法，其特征在于，所述伪距测量值为接收机与卫星之间的距离测量值，所述载波相位测量值为在同一接收时刻基准站接收的卫星信号的相位相对于接收机产生的载波信号相位的测量值；

所述伪距测量值和载波相位测量值通过GNSS接收机获得。

3.根据权利要求1所述的一种无人机的定位方法，其特征在于，所述采用3个GNSS接收机确定无人机的姿态，并根据参考站进行RTK定位，实现无人机的定位，包括：

其中，所述状态向量包含无人机的位姿信息和速度信息。

4.根据权利要求1所述的一种无人机的定位方法，其特征在于，所述无人机的定位方法还包括根据定位结果验证定位的准确性的步骤，具体包括：

5.一种无人机的定位系统，其特征在于，包括：

测量模块，用于获取伪距测量值和载波相位测量值；

定位模块，用于在消除误差后，采用3个GNSS接收机确定无人机的姿态，

并根据参考站进行RTK定位，实现无人机的定位；

所述载波相位和伪距校正公式为：

基于坐标信息的校正公式为：

所述载波相位测量值的双差的公式如下：

所述伪距测量值的双差的公式如下：

其中，为双差伪距多径，/>为双差伪距噪声。

6.一种无人机的定位装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-4任一项所述的一种无人机的定位方法。

7.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-4任一项所述方法。