CN115113226A - 一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统 - Google Patents

一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统 Download PDF

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    • G01S19/43—Determining position using carrier phase measurements, e.g. kinematic positioning; using long or short baseline interferometry

Abstract

本发明公开了一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统，包括GNSS信号接收天线、陀螺仪和加速度计、通信模块、存储模块、FPGA模块、FPGA导航信息处理程序。陀螺仪和加速度计的信号输出端连接FPGA的UART通信接口1、2，通信模块的通信接口连接FPGA模块的UART通信接口3，存储模块连接FPGA模块的UART通信接口4，两个GNSS信号接收天线分别连接FPGA模块的A/D采集端口1、2。FPGA设备时刻采集GNSS信号，并把GNSS信号使用载波相位测量算法计算出作业设备的单点定位数据，再融合通信模块获取的RTK差分数据进行载波相位差分融合解算，得到高精度的位置信息数据，再使用插值算法，得到高频的位置数据输出，从而实现对作业设备的高频高精度定位。

Description

一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统
技术领域
本发明涉及LiDAR技术领域，特别涉及一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统。
背景技术
LiDAR采集激光回波数据时，由于激光频率高达5kHz，而POS输出频率最大为200Hz，导致每个激光回波无法与POS位置数据相匹配，为解决激光信号采集，无法与POS位置数据相匹配的问题，本发明提出了一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统，使用FPGA直接采集卫星天线接收的载波相位差分信号，做载波相位差分解算，得到单点定位信息，再做差分改正和插值处理，获得高频高精度位置信息。
发明内容
本发明公开了一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统，可实现5KHz以上的高频高精度位置信息输出频率，与LiDAR激光回波相匹配。
本发明的设计方案如下：
一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统，包括GNSS信号接收天线、陀螺仪和加速度计、通信模块、存储模块、FPGA模块、FPGA导航信息处理程序。陀螺仪和加速度计的信号输出端连接FPGA的UART通信接口1、2，通信模块的通信接口连接FPGA模块的UART通信接口3，存储模块连接FPGA模块的UART通信接口4，两个GNSS信号接收天线分别连接FPGA模块的A/D采集端口1、2。FPGA设备时刻采集GNSS信号，并把GNSS信号使用载波相位测量算法计算出作业设备的单点定位数据，再融合通信模块获取的RTK差分数据进行载波相位差分融合解算，得到高精度的位置信息数据，再使用插值算法，得到高频的位置数据输出，从而实现对作业设备的高频高精度定位。
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述GNSS信号接收天线为双馈点微带天线，所述双馈点微带天线用于接收电磁波微弱信号并将其转换为射频信号供FPGA模块作信号采集与处理，两个天线的间隔为1m。
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述通信模块，模块支持TCP/IP协议，动态域名和IP地址访问。
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述通信模块，支持移动、联通和电信手机卡，数据传输速率达到100Mbit/s，用于连接CORS服务器，获取差分改正数据来作后续融合解算。
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述FPGA模块中具有A/D采集端口，能把模拟信号转换为数字信号。
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述FPGA模块中具有高精度载波相位融合算法，能根据采集转换后的GNSS信号接收天线接收到的GNSS信号和通信模块获取的RTK差分数据进行融合解算，得到高精度的位置信息数据，得到的位置信息数据定位精度可达到厘米级。
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述FPGA模块中具有插值算法，能预测出区间内的缺失数值，得到高频位置信息。
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述加速度计和陀螺仪是三轴加速度计，三轴陀螺仪，可以测量各个方向的加速度，角速度。
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述存储模块包括SD卡驱动芯片，SD卡驱动电路和SD卡，由中央控制芯片控制存储处理后的数据。
本发明具有如下突出的实质性特点和显著进步：
本发明公开了一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统，可实现5KHz以上的高频高精度位置信息输出频率，与LiDAR激光回波相匹配。
附图说明
图1是本发明的原理展示图
图中标记：1-高速FPGA模块；2-GNSS信号接收天线1、2；3-通信模块；4-存储模块；5-陀螺仪；6-加速度计。
图2是本发明的模型展示图
图3是本发明的工作步骤。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下描述出一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统的具体实施细节，结合附图对本发明具体设计原理作进一步详细说明。
参照图1，本实施例，包括GNSS信号接收天线，陀螺仪和加速度计，FPGA模块，通信模块，存储模块，FPGA导航信息处理程序。陀螺仪和加速度计的信号输出端连接FPGA的UART通信接口1、2，通信模块的通信接口连接FPGA模块的UART通信接口3，存储模块连接FPGA模块的UART通信接口4，两个GNSS信号接收天线分别连接FPGA模块的A/D采集端口1、2。FPGA设备时刻采集GNSS信号，并把GNSS信号使用载波相位测量算法计算出作业设备的单点定位数据，再融合通信模块获取的RTK差分数据进行载波相位差分融合解算，得到高精度的位置信息数据，再使用插值算法，得到高频的位置数据输出，从而实现对作业设备的高频高精度定位。
硬件部分，具体的，各个部分的主要功能为：
GNSS信号接收单元，用于接收实时的GNSS信号，把卫星广播的电磁波转换成易于处理的电信号；并把接收到的信号发送给FPGA的信号采集端口。
FPGA板卡，用于采集GNSS信号接收单元发送过来的信号，并把模拟信号转换为数字信号，发送给通信模块。
陀螺仪和加速度计，用于获取作业设备在工作中的高频高精度的姿态信息，包括三轴加速度，三轴角速度。
通信模块是一种高可靠低时延通信(uRLLC)和海量机器类通信(mMTC)模块，支持移动4G/3G/2G、联通4G/3G/2G和电信4G手机卡，具有高速率、低延迟和无线数传的功能，这里用作作业设备获取差分改正数据，传输RTK差分改正数据给FPGA，可以更进一步提高系统的定位精度。
存储模块，使用SD卡和文件管理系统，实现对位置，姿态数据的存储。
软件部分，具体的，在本实施例中，要获取高频高精度定位数据，有如下几个步骤：
1.从FPGA采集的信号中，计算出平均角速度n、偏近点角Ek、平近角点Mk、真近点角Vk、升交点角距φk、归化时间tk、摄动改正项φk、摄动改正项δu,δr,δi。升交点经度Ωk等参数，其中计算偏近点角的超越方程为：
Ek＝Mk+esin Ek (1)
2.由上述参数计算出4课可见卫星的伪距和位置，根据公式：
Figure BDA0003716202040000041
其中，(xj,yj,zj)为4颗卫星的三维位置；C为光速，(xj,yj,zj,tu)为用户三维坐标和时钟差。
3.要求解上述方程，需要使用基于线性化的迭代方法，首先假设接收机的近似位置为
Figure BDA0003716202040000042
接收机的真实位置和近视位置之间的位置偏移表示为(Δxu,Δyu,Δzu),将公式(2)按泰勒级数展开，把位置偏移转换为已知坐标和伪距测量值的线性函数：
Δρ1＝αxjΔxu+αyjΔyu+αzjΔzu-C·Δtu (3)
其中：
Figure BDA0003716202040000043
Figure BDA0003716202040000051
Figure BDA0003716202040000052
Figure BDA0003716202040000053
令
Figure BDA0003716202040000054
Figure BDA0003716202040000055
式中N为可见的卫星个数，使用最小二乘法计算可得：
Δx＝(HTH)-1HTΔρ (7)
把解出来的Δx进行迭代计算即可得用户单点定位位置。
4.通过ppp模糊度算法来进行载波相位差分融合解算得出高精度的位置信息，通过GNSS非差双频无电离层组合载波和伪距观测方程可表达为：
Figure BDA0003716202040000056
Figure BDA0003716202040000057
其中：
Figure BDA0003716202040000058
上述方程中，
Figure BDA0003716202040000061
和
Figure BDA0003716202040000062
分别为改正了卫星时钟差、相对论效应、卫星和接收机天线相位中心改正、潮汐负荷形变(极潮、固体潮和海潮)、萨奈克效应(Sagnac effect)、卫星天线相位缠绕(仅对载波观测值)等的无电离层组合伪距和载波相位观测值；r，s和IF分别代表卫星、接收机和无电离层组合标识号；
Figure BDA0003716202040000063
表示卫星到接收机的几何距离；
Figure BDA0003716202040000064
为视线方向对流层斜延迟；tr为接收机钟差；ds和dr分别表示卫星和接收机伪距硬件延迟，相应地，
Figure BDA0003716202040000065
和
Figure BDA0003716202040000066
分别为卫星接收机相位硬件延迟；
Figure BDA0003716202040000067
为无电离层组合载波相位模糊度；f和c分别表示载波频率和真空中光速，f＝10.23MHz为基准频率；
Figure BDA0003716202040000068
和
Figure BDA0003716202040000069
分别为伪距和载波相位观测值对应的观测噪声和多路径效应等非建模综合误差。式中各变量的单位均为米。
其中，使用PPP模糊度解算可以分为以下几个步骤进行：
1)将无线电离层组合浮点模糊度
Figure BDA00037162020400000610
分解为宽巷和窄巷模糊度的线性组合,其中
Figure BDA00037162020400000611
和
Figure BDA00037162020400000612
分别为窄巷和宽巷浮点模糊度。
Figure BDA00037162020400000613
2)通过卫星间做差或者设定基准消除接收机端Br,WL的影响，利用外部产品来纠正卫星端
Figure BDA00037162020400000614
的影响由于宽巷波长较长，约86m，可以直接取整来固定宽巷模糊度。
Figure BDA00037162020400000615
3)通过卫星间做差或者设定基准来消除接收机端Br,NL的影响，利用外部产品来纠正卫星端
Figure BDA00037162020400000616
的影响，从而改正卫星端的数据，由于窄巷波长较短，约10m，不能直接取整来固定窄巷模糊度。
Figure BDA00037162020400000617
4)宽巷模糊度和窄巷模糊度固定后，即可得出无电离层组合的模糊度，利用更新后的模糊度来计算位置信息，可以使得定位的精度达到厘米级。
5.通过正则化三次样条插值算法，进行插值处理，得到高频的位置信息输出。
1)正则化处理
设(t1,x1),(t2,x2),……,(tn,xn)为一组时间序列数据，其中t1,t2,……,tn为等间隔的，为保证数值计算的精度和算法稳定性，将自变量t进行正则变换。
Figure BDA0003716202040000071
式中mean()和std()分别表示求平均值和标准差。处理过的时间序列数据为(τ1,x1),(τ2,x2),……,(τn,xn)。
2)使用三阶样条的数学模型如下：
Figure BDA0003716202040000072
三阶样条插值本身的数学性质：
Figure BDA0003716202040000073
3)利用三次样条本身的数学性质，并结合边界条件，得出式子(14)中的待定系数bn，cn，……,dn，得到三阶正则化样条插值函数,利用该函数，可以得到任意两个区间内的高频位置信息。
本实施例中：
所述的所述的GNSS信号接收单元为常规技术的GNSS接收传感器，具有接收信息及检测传送信息的功能；IMU惯性传感器2为常规技术的IMU惯性传感器，具有输出作业对象姿态信息的功能；高速FPGA模块3由FPGA芯片组成，包括常规技术的FPGA芯片外围接口电路和io控制端口组成；包括的FPGA模块中具有载波相位差分融合算法，能根据单点定位数据和通信模块获取的RTK差分数据进行融合解算，得到高精度的位置信息数据，得到的位置信息数据定位精度可达到厘米级。存储模块5由SD卡和存储电路芯片组成，包括常规使用的SD卡和存储控制芯片。参照图2，本实施例由中央控制芯片控制各个模块的工作，启动以及数据的收发。
本系统工作包含以下步骤：
(1)GNSS信号接收天线接收到卫星的电磁波信号，并发送到FPGA的A/D采集端口，供FPGA做后续信号处理。
(2)陀螺仪和加速度计测量作业设备的姿态信息，把得到的姿态信息发送给FPGA模块做解析处理。
(3)FPGA采集卫星的电磁波信号转换成数字信号后，使用载波相位测量算法计算出单点位置信息。
(4)使用PPP模糊度计算算法对单点位置信息和RTK差分信息进行融合解算，改正定位数据，得出高精度的位置信息。
(5)使用正则化三次样条插值算法，对每两个位置信息点进行插值，计算出高频的位置信息数据。
(6)FPGA解算出高精度高频位置信息后，发送给存储模块并使用UART通信接口输出，和激光LiDAR回波相匹配。
(7)存储模块把实时接收到的位置信息和姿态信息按一定的格式存储到SD卡中。
本发明公开了一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统，可实现5KHz以上的高频高精度位置信息输出频率，与LiDAR激光回波相匹配。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变形。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims (1)

1.一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统，其特征在于，该设备包括：
一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统，包括GNSS信号接收天线、陀螺仪和加速度计、通信模块、存储模块、FPGA模块、FPGA导航信息处理程序；陀螺仪和加速度计的信号输出端连接FPGA的UART通信接口1，通信模块的通信接口连接FPGA模块的UART通信接口2，存储模块连接FPGA模块的UART通信接口3，两个GNSS信号接收天线分别连接FPGA模块的A/D采集端口1；FPGA设备时刻采集GNSS信号，并把GNSS信号使用载波相位测量算法计算出作业设备的单点定位数据，再融合通信模块获取的RTK差分数据进行载波相位差分融合解算，得到高精度的位置信息数据，再使用插值算法，得到高频的位置数据输出，从而实现对作业设备的高频高精度定位；
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述GNSS信号接收天线为双馈点微带天线，所述双馈点微带天线用于接收电磁波微弱信号并将其转换为射频信号供FPGA模块作信号采集与处理；
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述通信模块，模块支持TCP/IP协议，动态域名和IP地址访问；
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述通信模块，支持移动、联通和电信手机卡，数据传输速率达到100Mbit/s，用于连接CORS服务器，获取差分改正数据来作后续融合解算；
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述FPGA模块中具有A/D采集端口，能把模拟信号转换为数字信号；
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，包括的FPGA模块中具有高精度载波相位融合算法，能根据采集转换后的GNSS信号接收天线接收到的GNSS信号和通信模块获取的RTK差分数据进行融合解算，得到高精度位置信息数据，得到的位置信息数据定位精度可达到厘米级；
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，包括的FPGA模块中具有插值算法，能预测出区间内的缺失数值，得到高频位置信息；
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述加速度计和陀螺仪是三轴加速度计，三轴陀螺仪，可以测量各个方向的加速度，角速度；
在所述一种用于机载LiDAR装置的高频POS系统中，所述存储模块包括SD卡驱动芯片，SD卡驱动电路和SD卡，由中央控制芯片控制存储处理后的数据。
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