CN114397687A - 一种舰载无人机的差分卫星导航系统 - Google Patents

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赵亦涵
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Abstract

本发明提供了一种舰载无人机的差分卫星导航系统，属于舰载无人机着舰导航领域。具体包括GD30差分卫星导航系统，其中，定位定向板卡自带双天线定向；外置惯导获取舰船的姿态速度航向信息；CPU对舰船位置和双天线航向信息进行解算融合，通过引入动态对动态差分相对定位技术计算两者的相对位置，最后，按协议回传无人机和舰船的相对位置、舰船航向和速度等姿态信息到无线电台，进行远程输出；同时，引入舰船速度作为无人机期望速度的前馈，设计了加入速度前馈的PID控制器，进而使得无人机跟踪舰船的响应速度明显提升。本发明保证了高精度的舰面信息传输及舰船和无人机精确的相对位置、速度传输，实现了高精度的舰载无人机移动平台起降。

Description

一种舰载无人机的差分卫星导航系统
技术领域
本发明属于舰载无人机着舰导航领域，具体是一种舰载无人机的差分卫星导航系统。
背景技术
舰载无人机是指以航母、护卫舰和驱逐舰等水面舰船为基地，由舰面操作人员遥控或以全自主方式完成全流程飞行任务的，可以重复使用的飞行器，又称舰载无人飞行器。在海战中，舰载无人机用于执行早期海上侦察、空中预警、中继通信和远程打击等任务，或执行电子对抗、空中加油和远程轰炸等任务。
相比于传统有人舰载机，舰载无人机体积更小、自主性更强、具有更灵活的作战能力、隐身性能好、可无视人体极限，全天候在高空缺氧等恶劣环境中工作，同时具有零伤亡的优点，在现代海军中有着至关重要的作用。但舰船甲板长度有限，导致对舰载降落的精度要求极高，而舰船在海上执行任务时总是移动的，同时受海浪、海风影响，船体产生摆荡，进而影响引导精度，增大无人机舰载的降落难度。
当前，常用的舰载无人机着舰方式有撞网回收、阻拦着舰、空中回收和自动着舰。随着科技的发展以及对无人机降落要求的不断增高，各国对精确、稳定的自动着舰技术的需求也越来越高。使无人机按照事先设定好的航迹进行高精度的自主降落，也是各国目前发展舰载无人机的重要研究方向。为了在严酷的海上环境中实现自主降落，导航系统必须具有极高的精度和良好的抗干扰性，并且可以实现快速实时引导。
发明内容
本发明公开了一种舰载无人机的差分卫星导航系统，可以获得精确的无人机与舰船相对位置、速度、航向以及舰船的姿态信息，为舰载无人机降落到舰船时进行引导，帮助无人机成功降落。
所述的差分卫星导航系统包括内置定位定向板卡和无线电台，链路通过内部综合管理CPU进行数据复合。
定位定向板卡选用北斗星通的UB482板卡跟踪卫星信号，自带双天线定向，通过差分解算的方式，提供厘米级精度的定位服务，支持动差分定位功能，同时支持双天线测向功能；
定位定向板卡将位姿信息输出到CPU，CPU选用芯片STM32F103，对外输出接口为一个J30J封装的9针航插，具有两路232串口、一路TTL串口和一路触发信号输入；
外置惯导安装在舰船上，用于获取舰船的姿态速度航向信息，惯导选用芯片STM32F103，包含双余度的IMU传感器；
CPU对IMU信息和UB482板卡输出的舰船位置、双天线航向信息进行解算融合，然后按照协议回传舰船的三轴姿态，无人机和舰船的相对位置、舰船的航向和速度等信息到无线电台，进行远程输出。
具体地，对于GD30差分卫星导航系统及其外置惯导模块传输的信息，用以下算法进行使用：
首先、在无人机距离舰船较远时，利用动态对动态差分相对定位技术，得到两者的相对位置，经过坐标转换得到无人机与舰船在东北天坐标系下的相对距离。
然后、将东北天坐标系下的无人机与舰船的相对位置，以及舰船的速度输入基于PID的控制律中，输出期望的东北天坐标系下的无人机速度。
在移动平台跟踪降落过程中，采用基于前馈的内外环串级PID位置控制器，分别是外环位置到速度的P控制器，之后串联内环速度到加速度的PID控制器。
首先，舰船和无人机的实时相对位置直接作为无人机外环控制律的目标位置输入，同时需要加入舰船速度乘时间的位置前馈，加入地面舰船速度乘时间项前馈的外环位置控制器形式如下:
Figure BDA0003444050980000021
Figure BDA0003444050980000022
式中，Vx为x方向上的目标速度，Vy为y方向上的目标速度，Δt为时间微量，Kp为比例项系数，
Figure BDA0003444050980000023
为位置误差值，
Figure BDA0003444050980000024
分别为舰船的x轴方向速度和y轴方向速度。
其次，在无人机内环控制律中，引入当前地面舰船的速度作为速度前馈，加入速度前馈的内环位置控制器控制形式如下：
Figure BDA0003444050980000025
Figure BDA0003444050980000026
式中，Ax为x方向上的目标加速度，Ay为y方向上的目标加速度，Kp为比例项系数，
Figure BDA0003444050980000027
为速度误差值，Ki为积分项系数，
Figure BDA0003444050980000028
为速度误差积分项，Kd为微分项系数，
Figure BDA0003444050980000029
为速度误差微分项，
Figure BDA00034440509800000210
分别为舰船的x轴方向速度和y轴方向速度。
判断舰船的航行速度是否满足tarvel≥3m/s，如果是，令无人机的期望航向为舰船的速度矢量方向；否则，无人机的期望速度方向为无人机与舰船连线的矢量方向。
接着，无人机定高飞行跟踪移动舰船，并缩小与移动舰船之间的相对位置，在追上移动舰船后稳定跟踪一段时间；在舰面降落阶段时，根据GD30的外置惯导模块传输的舰船甲板实时的姿态信息，采用舰船甲板运动预估方法，预估出甲板运动静息期，控制舰载无人机在静息期内快速降高着舰；
同时水平方向继续保持跟踪移动平台，当相对高度小于1米后，无人机仅保持快速下降而水平方向不再保持跟踪，直到压力传感器测得的压力大于10N时，着舰成功，关闭发动机。
本发明的优点在于：
1)、一种舰载无人机的差分卫星导航系统，既可以得到无人机与舰船之间的相对位置、速度和航向信息，又可同时获取舰船甲板的姿态信息，为舰载无人机的成功降落提供保障。
2)、一种舰载无人机的差分卫星导航系统，通过内置国产北斗星通UB482板卡高精度GNSS接收机，可根据用户要求选配接收机，也可使用诺瓦泰(Novatel)OEM718D/OEMR7500；在测绘领域应用成熟、广泛；支持RTK和PPK两种差分定位功能，支持动差分定位功能；
3)、一种舰载无人机的差分卫星导航系统，具有双天线定向功能，可以显著提高航向测量精度；
4)、一种舰载无人机的差分卫星导航系统，在实现GPS差分信号传输的同时，可以传输1路飞控系统的遥控遥测数据；
5)、一种舰载无人机的差分卫星导航系统，GD30基准站可以内部集成Wifi功能，与飞控地面站实现无线连接；
6)、一种舰载无人机的差分卫星导航系统，对于使用该系统信息的飞行控制律，需要引入地面舰船的速度作为PID控制器的前馈，该控制算法使得无人机可以更快更稳定地跟随移动舰船；
7)、一种舰载无人机的差分卫星导航系统，可实现舰载无人机全自主进行移动平台降落；
8)、一种舰载无人机的差分卫星导航系统，所需机上设备体积小质量轻，小于2kg，且可宽温工作，-40℃到+85℃，湿度95％，无凝结，适合空间狭小、环境复杂的舰面环境。
附图说明
图1为本发明GD30(M封装)实物与安装尺寸图；
图2为本发明GD30(L封装)实物与安装尺寸图；
图3为本发明GD30差分卫星导航系统前面板图(M封装)；
图4为本发明地面基准站信息流向示意图；
图5为本发明空中移动站信息流向示意图；
图6为本发明引入速度前馈的控制流程图；
图7为搭载GD30差分卫星导航系统的无人机舰载降落图；
图8为搭载GD30差分卫星导航系统的无人机车载降落图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。
本发明针对舰载无人机精准降落技术进行研究，设计GD30差分卫星导航系统，引入动态对动态差分相对定位技术，实现无人机和舰船之间的高精度相对定位，同时GD30的外置惯导模块提供舰船实时姿态信息，为无人机精准降落提供相对位置、舰船速度、航向和姿态信息。
此外，为解决跟踪过程中无人机跟踪响应较慢的问题，本发明引入舰船速度作为无人机期望速度的前馈，设计了一种加入速度前馈的PID控制器，进而使得无人机跟踪舰船或者地面车辆的响应速度明显提升。搭载本发明GD30差分卫星导航系统的多款舰载无人机已成功实现在移动舰船上的全流程飞行，尤其是移动起飞、移动降落过程平稳安全。同时，地面车辆或者地面自动无人机机场也可以搭载本发明实现无人机的车载移动起降。
在舰载无人机降落到舰船时，获得精确的相对位姿信息是无人机成功降落的根本保障，基于此，本发明公开了一种功能完备的可靠的差分卫星导航系统；
所述的差分卫星导航系统基于GD30，内置定位定向板卡和无线电台，链路通过内部综合管理CPU进行数据复合。
它是一款高度集成的差分卫星导航+数据链综合产品，内部结构紧凑、统一供电、数据复合传输，适合中小型无人系统应用。GD30内置北斗星通的国产UB482四系统八频点高精度定位定向板卡(也可选配加拿大诺瓦泰OEM718D/OEMR7500板卡)和加拿大Microhard公司P840/P900 1W功率微型840/900MHz无线电台，也可通过232串口连接第三方的透传电台；链路通过内部综合管理CPU进行数据复合。
GD30分为移动站和基准站两种配置，二者组合使用，可实现实时差分(RTK)、后差分(PPK)以及遥控遥测数据通讯功能。GD30基准站内部集成Wifi功能，与飞控地面站实现无线连接。
定位定向板卡选用北斗星通的UB482高精度定位定向板卡跟踪卫星信号，UB482是基于北斗星通Nebulas-II高性能高精度芯片推出的全新一代紧凑型高精度板卡，支持全系统多频点高精度定位和定向。UB482跟踪BDS B1/B2+GPS L1/L2+GLONASS L1/L2+GalileoE1/E5b等卫星信号，通过差分解算的方式，可以提供厘米级精度的定位服务，支持动差分定位功能，同时支持双天线测向功能，在1m长基线的情况下，具有0.2°的定向精度。UB482最大输出频率为20HZ，时间精度20ns，速度精度0.03m/s。
GD30可内置Microhard的P840/P900数传电台，工作中心频点为840MHZ或900MHZ，最大发射功率1.25W。
定位定向板卡将位姿信息输出到CPU，CPU选用芯片STM32F103，对外输出接口为一个J30J封装的9针航插，具有两路232串口、一路TTL串口和一路触发信号输入；
GD30串口1编号232-1，用于遥控遥测数据及舰船速度航向信息传输；串口2为编号DataLink，用于连接数传电台；串口3标号DGPS_TTL，用于直接输出板卡的二进制定位信息。触发信号标号Camera，输入用于记录拍照的相控点，用于高精度测绘任务。GD30供电采用宽压供电的方案，范围为7V～36V。
鉴于UB482板卡不能输出的完整的舰船甲板姿态信息，在复杂的舰载降落环境下舰船姿态信息不完整往往会导致事故发生，故需要添加外置惯导，安装在舰船上的地面惯导系统+GD30卫导系统便可以获取舰船的姿态速度航向信息，惯导选用芯片STM32F103，包含双余度的IMU传感器，CPU对IMU信息和GD30输出的舰船位置、双天线航向信息进行解算融合，然后按照协议回传舰船的三轴姿态，无人机和舰船的相对位置、舰船的航向和速度等信息到无线电台，进行远程输出。
具体地，对于GD30差分卫星导航系统及其外置惯导模块传输的信息，用以下算法进行使用：
首先、在无人机距离舰船较远时，利用动态对动态差分相对定位技术，得到两者的相对位置，经过坐标转换得到无人机与舰船在东北天坐标系下的相对距离。
然后、基于PID的控制律，将东北天坐标系下的无人机与舰船的相对位置，以及舰船的速度输入基于PID的控制律中，输出期望的东北天坐标系下的无人机速度。
具体为：
在移动平台跟踪降落过程中，采用基于前馈的内外环串级PID位置控制器，分别是外环位置到速度的P控制器，之后串联内环速度到加速度的PID控制器。
首先，在移动平台跟踪降落过程中，如果地面无人平台速度发生改变，则需要经过一定时间才能反映在位置误差上，单纯只由位置误差得到无人机期望速度显然实时性不够，所以选择舰船和无人机的实时相对位置直接作为无人机外环控制律的目标位置输入，同时引入地面舰船的速度作为PID控制器的前馈，加入速度前馈控制形式如下：
Figure BDA0003444050980000051
Figure BDA0003444050980000052
式中，Vx为x方向上的目标速度，Vy为y方向上的目标速度，Δt为时间微量，Kp为比例项系数，
Figure BDA0003444050980000053
为位置误差值，
Figure BDA0003444050980000054
分别为舰船的x轴方向速度和y轴方向速度。
其次，在无人机内环控制律中，引入当前地面舰船的速度作为速度前馈，加入速度前馈的内环位置控制器控制形式如下：
Figure BDA0003444050980000055
Figure BDA0003444050980000056
式中，Ax为x方向上的目标加速度，Ay为y方向上的目标加速度，Kp为比例项系数，
Figure BDA0003444050980000061
为速度误差值，Ki为积分项系数，
Figure BDA0003444050980000062
为速度误差积分项，Kd为微分项系数，
Figure BDA0003444050980000063
为速度误差微分项，
Figure BDA0003444050980000064
分别为舰船的x轴方向速度和y轴方向速度。
对于舰船航向，判断舰船的航行速度是否满足tarvel≥3m/s，如果是，令无人机的期望航向为舰船的速度矢量方向；否则，无人机的期望速度方向为无人机与舰船连线的矢量方向。
无人机定高飞行跟踪移动舰船，并缩小与移动舰船之间的相对位置，最后在追上移动舰船后稳定跟踪一段时间，降落过程中考虑船的横摇和艏摇，考虑风场的干扰，在舰面降落阶段时，根据外置惯导模块传输的舰船姿态信息，采用舰船甲板运动预估方法，预估出甲板运动静息期，控制舰载无人机在静息期内快速降高着舰；
同时水平方向继续保持跟踪移动平台，当相对高度小于1米后，无人机仅保持快速下降而水平方向不再保持跟踪，直到压力传感器测得的压力大于10N时，着舰成功，关闭发动机。
实施例：
GD30差分卫星导航系统有两种封装形式：较小的壳体(93×52mm，统称为M封装)一般用于移动站，但是在动差分或地面要求接入双天线等情况下，地面端也会采用该壳体作为封装。如图1所示，有4个Ф3.2mm的安装孔，孔距为87mm×46mm，用户可以直接利用该安装孔固定GD30。较大的壳体(125×133，统称为L封装)一般只用于基准站，有4个Ф4mm的安装孔，孔距为125mm×133mm，如图2所示，用户可以直接利用该安装孔固定GD30基准站。无论哪种封装的GD30，均无安装方向要求。
GD30选用芯片STM32F103作为CPU，如图3所示，Front GPS和Tail GPS为GPS天线接口(SMA母座)，当采用双天线定向时，Front GPS为飞机前天线，Tail GPS为飞机后天线，输出的方向为Tail GPS天线指向Front GPS天线的向量。当采用单天线时，仅接Tail GPS天线即可。DataLink为数传电台天线接口(SMA母座)，可外接840MHz天线或900MHz天线,(视内置电台频率确定)；当采用外接透传链路时，无需连接DataLink。
对外输出接口采用J30J-9ZK插座，接口定义如表1所示：
表1
Figure BDA0003444050980000065
Figure BDA0003444050980000071
具体地，如图4所示，在基准站，先由UB482高精度定位定向板卡获取舰船位置、双天线航向信息并发送至外置惯导；然后，惯导将自身IMU信息与舰船位置、双天线航向信息进行解算融合，并将融合后的姿态、位置、航向、速度信息回传至GD30差分卫星导航系统；最后，GD30通过外置链路接口将融合后的地面惯导信息及差分报文打包发送至空中移动站。
在空中移动站，如图5所示，通过外置链路接口接收报文后，将地面惯导信息通过232-1发送到飞控S60N的232-6，将差分修正报文通过DGPS发送到飞控S60N的DGPS。
进一步，对于GD30差分卫星导航系统及其外置惯导模块传输的信息，用以下算法进行使用：
在无人机距离舰船较远时，利用动态对动态差分相对定位技术，得到两者的相对位置，经过坐标转换得到无人机与舰船在东北天坐标系下的相对距离。
基于PID的控制律，输入为东北天坐标系下的无人机与舰船的相对位置和舰船的速度，输出为期望的无人机东北天坐标系的速度。
在移动平台跟踪降落过程中，选择引入地面舰船的速度作为PID控制器的前馈，如图6所示，加入速度前馈控制形式如下：
Figure BDA0003444050980000081
Figure BDA0003444050980000082
Figure BDA0003444050980000083
式中
Figure BDA0003444050980000084
分别为舰船的x轴方向速度和y轴方向速度。
对于舰船航向，如果舰船航行速度tarvel≥3m/s，令无人机的期望航向为舰船的速度矢量方向；否则，无人机的期望速度方向为无人机与舰船连线的矢量方向。
无人机定高飞行跟踪移动舰船，并缩小与移动舰船之间的相对位置，最后在追上移动舰船后稳定跟踪一段时间，在舰面降落阶段时，根据外置惯导模块传输的舰船姿态信息，采用舰船甲板运动预估方法，预估出甲板运动静息期，控制舰载无人机在静息期内快速降高着舰，同时水平方向继续保持跟踪移动平台，当相对高度小于1米后，无人机仅保持快速下降而水平方向不再保持跟踪，直到压力传感器测得的压力大于10N时，着舰成功，关闭发动机。
搭载本发明GD30差分卫星导航系统的多款舰载无人机已成功实现在移动舰船上的全流程飞行，如图7所示，尤其是移动起飞、移动降落过程平稳安全。此外，如图8所示，地面车辆或者地面自动无人机机场也可以搭载本发明实现无人机的车载移动起降。

Claims (7)

1.一种舰载无人机的差分卫星导航系统，其特征在于，包括内置定位定向板卡和无线电台的GD30差分卫星导航系统，链路通过内部综合管理CPU进行数据复合；
所述定位定向板卡自带双天线定向，通过差分解算提供厘米级精度的定位服务；
外置惯导安装在舰船上，用于获取舰船的姿态速度航向信息；
CPU对舰船位置、双天线航向信息进行解算融合，按照协议回传舰船的三轴姿态，无人机和舰船的相对位置，舰船的姿态速度航向信息到无线电台，进行远程输出。
2.如权利要求1所述的一种舰载无人机的差分卫星导航系统，其特征在于，所述的GD30差分卫星导航系统，分为移动站和基准站两种配置，二者组合使用，实现实时差分、后差分以及遥控遥测数据通讯功能；地面基准站内部集成Wifi功能，与飞控地面站实现无线连接。
3.如权利要求1所述的一种舰载无人机的差分卫星导航系统，其特征在于，所述的定位定向板卡选用北斗星通的UB482板卡跟踪卫星信号，支持动差分定位功能，同时支持双天线测向功能；将位姿信息输出到CPU。
4.如权利要求1所述的一种舰载无人机的差分卫星导航系统，其特征在于，所述的CPU选用芯片STM32F103，对外输出接口为一个J30J封装的9针航插，具有两路232串口、一路TTL串口和一路触发信号输入。
5.如权利要求1所述的一种舰载无人机的差分卫星导航系统，其特征在于，所述的外置惯导选用芯片STM32F103，包含双余度的IMU传感器。
6.如权利要求1所述的一种舰载无人机的差分卫星导航系统，其特征在于，所述的无人机在舰船着舰的过程具体为：
首先、在无人机距离舰船较远时，利用动态对动态差分相对定位技术，得到两者的相对位置，并坐标转换到东北天坐标系；
然后、将东北天坐标系下无人机与舰船的相对位置，以及舰船的速度输入基于PID的控制律中，输出期望的无人机速度；
接着，无人机定高按期望速度飞行跟踪移动舰船，并缩小与移动舰船之间的相对位置，在追上移动舰船后保持稳定跟踪；
最后，根据外置惯导模块传输的舰船甲板实时的姿态信息，采用舰船甲板运动预估方法，预估出甲板运动静息期，控制舰载无人机在静息期内快速降高着舰；同时水平方向继续保持跟踪移动，当相对高度小于1米后，无人机仅保持快速下降而水平方向不再保持跟踪，直到压力传感器测得的压力大于10N时，着舰成功，关闭发动机。
7.如权利要求6所述的一种舰载无人机的差分卫星导航系统，其特征在于，所述基于PID的控制律输出期望的无人机速度，是指：引入舰船速度作为无人机期望速度的前馈，将速度前馈加入PID控制器中，提升无人机跟踪舰船的响应速度；
PID控制器包括外环位置到速度的P控制器，串联内环速度到加速度的PID控制器；
具体为：
首先，舰船和无人机的实时相对位置直接作为无人机外环控制律的目标位置输入，同时需要加入舰船速度乘时间的位置前馈，加入地面舰船速度乘时间项前馈的外环位置控制器形式如下：
Figure FDA0003444050970000021
Figure FDA0003444050970000022
式中，Vx为x方向上的目标速度，Vy为y方向上的目标速度，Δt为时间微量，Kp为比例项系数，
Figure FDA0003444050970000023
为位置误差值，
Figure FDA0003444050970000024
分别为舰船的x轴方向速度和y轴方向速度；
其次，在无人机内环控制律中，引入当前地面舰船的速度作为速度前馈，加入速度前馈的内环位置控制器控制形式如下：
Figure FDA0003444050970000025
Figure FDA0003444050970000026
式中，Ax为x方向上的目标加速度，Ay为y方向上的目标加速度，Kp为比例项系数，
Figure FDA0003444050970000027
为速度误差值，Ki为积分项系数，
Figure FDA0003444050970000028
为速度误差积分项，Kd为微分项系数，
Figure FDA0003444050970000029
为速度误差微分项，
Figure FDA00034440509700000210
分别为舰船的x轴方向速度和y轴方向速度；
最后，判断舰船的航行速度是否满足tarvel≥3m/s，如果是，令无人机的期望航向为舰船的速度矢量方向；否则，无人机的期望速度方向为无人机与舰船连线的矢量方向。
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