CN116430425A - 一种抗干扰无人机组合导航授时系统及授时方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种导航授时系统及授时方法，具体涉及一种抗干扰无人机组合导航授时系统及授时方法，解决传统的无人机导航系统在强电磁干扰环境下不可靠，且在强电子对抗环境下自主导航能力差的技术问题。该抗干扰无人机组合导航授时系统，包括GNSS/长波一体化天线、GNSS模块、eLoran模块、高度计模块及信号处理模块；GNSS/长波一体化天线的输出端分别与GNSS模块的输入端、eLoran模块的输入端连接；GNSS模块、eLoran模块均与信号处理模块通信连接；高度计模块与信号处理模块连接。本发明抗干扰无人机组合导航授时方法，可增强无人机导航授时系统的抗干扰能力，提高无人机在强电子对抗环境下的自主导航能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种导航授时系统及授时方法，具体涉及一种抗干扰无人机组合导航授时系统及授时方法。
背景技术
无人机导航系统的主要功能是获取无人机实时速度、位置等相关信息，引导无人机按照规划航线飞行并完成任务。在靶场试验中，利用无人机平台搭载各类载荷，可实现着靶过程监测、落点定位、毁伤场景观测以及残骸搜寻等。由于靶场电磁环境复杂，有时会对无人机施加有意干扰，导致无人机导航系统在强电磁干扰环境下的不可靠。
目前无人机多采用GNSS(Global Navigation Satellite System，卫星导航系统)和惯性导航作为基本导航方式。GNSS信号弱，北斗信号到达地面时功率仅为-130dBm，载波为高频，穿透能力弱，容易受到压制干扰和欺骗干扰，然而现有的抗干扰技术无法从根本上弥补GNSS原理上的缺陷。惯性导航在长时间、长航程使用中会有较大的误差积累，每次使用之前还需要长时间的初始对准，因此不能提供精准的时间信息，且惯性导航体积、重量相对较大，成本也较高。
eLoran(增强罗兰导航系统)利用长波信号传输稳定的特点来完成导航、授时，且其采用的是双曲线定位原理，在差分增强下，定位精度可达10～20m，采用地波授时时，授时精度为±1μs，在差分增强下，授时精度可提高到100ns以内，但是eLoran不能提供高程信息，eLoran载波频率为100kHz，其波长较长，信号电平高，很难实施有意干扰。
综上所述，传统的无人机导航系统在强电磁干扰环境下不可靠，特别是强电子对抗环境下的自主导航能力差。
发明内容
本发明的目的是解决传统的无人机导航授时系统在强电磁干扰环境下不可靠，且在强电子对抗环境下自主导航授时能力差的技术问题，而提供一种抗干扰无人机组合导航授时系统及授时方法，可增强无人机导航授时系统的抗干扰能力，提高无人机在强电子对抗环境下的自主导航能力。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种抗干扰无人机组合导航授时系统，用于设置在无人机上，其特殊之处在于：包括GNSS/长波一体化天线、GNSS模块、eLoran模块、高度计模块及信号处理模块；
GNSS/长波一体化天线的输出端分别与GNSS模块的输入端、eLoran模块的输入端连接；GNSS模块、eLoran模块均与信号处理模块通信连接；
高度计模块与信号处理模块连接；
GNSS/长波一体化天线用于接收卫星导航系统中的GNSS信号和接收eLoran系统各发射站的eLoran信号，并将eLoran信号进行带通滤波、陷波滤波、增益控制预处理；
GNSS模块用于处理GNSS/长波一体化天线接收的GNSS信号，完成GNSS信号捕获和解算，生成GNSS导航授时数据；
eLoran模块用于处理GNSS/长波一体化天线接收的长波eLoran信号，完成长波eLoran信号捕获、跟踪、锁定和解算，测量计算长波eLoran信号的包周差、信噪比、场强与频域信息，生成eLoran导航授时数据；
高度计模块用于将测量的气压和温度换算成海拔高度，提供高程信息；
信号处理模块用于完成GNSS模块及eLoran模块配置、完成GNSS导航授时数据与eLoran导航授时数据有效性评价，以及将GNSS导航授时数据按照设定格式生成并输出导航授时信息，或者将eLoran导航授时数据及高程信息结合，按照设定格式生成并输出导航授时信息。
进一步地，所述GNSS/长波一体化天线中GNSS天线采用的是高介电常数的微带天线，长波天线采用全向磁天线；
GNSS模块采用多模GNSS授时导航模块；
高度计模块采用MEMS压力传感器，其测量精度为≤0.5m；
信号处理模块采用ARM芯片。
同时，本发明还提供了一种抗干扰无人机组合导航授时方法，基于上述一种抗干扰无人机组合导航授时系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)配置GNSS模块的参数和eLoran模块的参数；
2)设定导航授时信息的格式；
3)使信号处理模块接收GNSS模块产生的GNSS导航授时数据、eLoran模块产生的eLoran导航授时数据和高度计模块提供的高程信息；
4)信号处理模块根据GNSS模块的参数和eLoran模块的参数，判断GNSS导航授时数据和eLoran导航授时数据的有效性；
如果GNSS导航授时数据有效，则由信号处理模块将GNSS导航授时数据按照步骤2)中设定的导航授时信息格式生成并输出导航授时信息；
如果GNSS导航授时数据无效，eLoran导航授时数据有效，则由信号处理模块将eLoran导航授时数据和高程信息融合后，按照步骤2)中设定的导航授时信息格式生成并输出导航授时信息；
如未接收的GNSS导航授时数据和eLoran导航授时数据，或接收的GNSS导航授时数据和eLoran导航授时数据均无效，则返回步骤3)，直至信号处理模块输出导航授时信息。
进一步地，步骤1)具体为：
1.1、配置GNSS模块的参数：
将GNSS导航授时源设置为BD、GPS、GLONASS以及Galileo中的任意一个单一源，或者将BD、GPS、GLONASS以及Galileo任意组合；设置GNSS导航授时源的输出时间基准，并选择坐标系；
1.2、配置eLoran模块的参数：
设置跟踪eLoran系统各发射站的台站信息，台站信息包括台站号、台站时延、信号增益，设置GNSS/长波一体化天线时延、连接电缆时延和eLoran模块时延。
进一步地，步骤2)具体为：
设定导航授时信息的格式为NMEA 0183。
进一步地，步骤3)中，eLoran导航授时数据为经纬度信息。
进一步地，步骤4)中，GNSS导航授时数据有效的判断依据为覆盖重数、几何精度因子与完好性；
eLoran导航授时数据有效的判断依据为包周差、信噪比、场强与频域信息。
进一步地，步骤4)中，高程信息采用高度计模块提供。
进一步地，步骤1)中，配置GNSS模块的参数和eLoran模块的参数之前还包括：
将GNSS模块、eLoran模块与信号处理模块分别进行初始化。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
(1)本发明抗干扰无人机组合导航授时系统，采用eLoran模块和高度计模块的信号融合生成三维导航信息(即导航授时信息)，与GNSS模块可以进行优势互补，能够增强无人机导航授时系统的抗干扰能力，提高了无人机在复杂电磁环境下，特别是强电子对抗环境下的自主导航授时能力。
(2)本发明抗干扰无人机组合导航授时方法，利用GNSS模块与eLoran模块的技术特点，其发射站分别处于天基和地基，载波频率分别为高频和低频，两者采用不同的技术原理，具有不同的物理特性，具备良好的互补性。
附图说明
图1为本发明抗干扰无人机组合导航授时系统的结构示意图；
图2为本发明抗干扰无人机组合导航授时方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种抗干扰无人机组合导航授时系统，用于设置在无人机上，包括GNSS/长波一体化天线、GNSS模块、eLoran模块、高度计模块及信号处理模块；
GNSS/长波一体化天线的输出端分别与GNSS模块的输入端、eLoran模块的输入端连接；GNSS模块、eLoran模块均与信号处理模块通信连接；
高度计模块与信号处理模块连接；
GNSS/长波一体化天线用于接收卫星导航系统中的GNSS信号和接收eLoran系统各发射站的eLoran信号，并将eLoran信号进行带通滤波、陷波滤波、增益控制预处理；
GNSS模块用于处理GNSS/长波一体化天线接收的GNSS信号，完成GNSS信号捕获和解算，生成GNSS导航授时数据；
eLoran模块用于处理GNSS/长波一体化天线接收的长波eLoran信号，完成长波eLoran信号捕获、跟踪、锁定和解算，测量计算长波eLoran信号的包周差、信噪比、场强与频域信息，生成eLoran导航授时数据；
高度计模块用于将测量的气压和温度换算成海拔高度，提供高程信息；
信号处理模块用于完成GNSS模块及eLoran模块配置、完成GNSS导航授时数据与eLoran导航授时数据有效性评价，以及将GNSS导航授时数据按照设定格式生成并输出导航授时信息，或者将eLoran导航授时数据及高程信息结合，按照设定格式生成并输出导航授时信息。
优选地，GNSS/长波一体化天线中GNSS天线采用的是高介电常数的微带天线，长波天线采用全向磁天线；GNSS模块采用多模GNSS授时导航模块，型号为u-blox F9T；高度计模块采用MEMS压力传感器，其测量精度为≤0.5m；信号处理模块采用ARM芯片。
如图2所示，本发明还提供了一种抗干扰无人机组合导航授时方法，基于上述的一种抗干扰无人机组合导航授时系统，包括以下步骤：
1)将GNSS模块、eLoran模块与信号处理模块分别进行初始化；配置GNSS模块的参数和eLoran模块的参数；
1.1、配置GNSS模块的参数：
将GNSS导航授时源设置为BD、GPS、GLONASS以及Galileo中的任意一个单一源，或者将BD、GPS、GLONASS以及Galileo任意组合；设置GNSS导航授时源的输出时间基准，并选择坐标系；
1.2、配置eLoran模块的参数：
设置跟踪eLoran系统各发射站的台站信息，台站信息包括台站号、台站时延、信号增益，设置GNSS/长波一体化天线时延、连接电缆时延和eLoran模块时延。
2)设定导航授时信息的格式为NMEA 0183；
3)使信号处理模块接收GNSS模块产生的GNSS导航授时数据、eLoran模块产生的eLoran导航授时数据和高度计模块提供的高程信息；本实施例中，eLoran导航授时数据为经纬度信息；信号处理模块采用ARM芯片；
4)信号处理模块根据GNSS模块的参数和eLoran模块的参数，判断GNSS导航授时数据和eLoran导航授时数据的有效性；
如果GNSS导航授时数据有效，则由信号处理模块将GNSS导航授时数据按照步骤2)中设定的导航授时信息格式生成并输出导航授时信息；
如果GNSS导航授时数据无效，eLoran导航授时数据有效，则由信号处理模块将eLoran导航授时数据和高程信息融合后，按照步骤2)中设定的导航授时信息格式生成并输出导航授时信息；
如未接收的GNSS导航授时数据和eLoran导航授时数据，或接收的GNSS导航授时数据和eLoran导航授时数据均无效，则返回步骤3)，直至信号处理模块输出导航授时信息。
本实施例中，GNSS导航授时数据有效的判断依据为覆盖重数、几何精度因子与完好性；eLoran导航授时数据有效的判断依据为包周差、信噪比、场强与频域信息。高程信息采用高度计模块提供；判断GNSS导航授时数据和eLoran导航授时数据是否有效，并无先后顺序。
Claims (9)
1.一种抗干扰无人机组合导航授时系统，用于设置在无人机上，其特征在于：包括GNSS/长波一体化天线、GNSS模块、eLoran模块、高度计模块及信号处理模块；
所述GNSS/长波一体化天线的输出端分别与GNSS模块的输入端、eLoran模块的输入端连接；所述GNSS模块、eLoran模块均与信号处理模块通信连接；
所述高度计模块与信号处理模块连接；
所述GNSS/长波一体化天线用于接收卫星导航系统中的GNSS信号和接收eLoran系统各发射站的eLoran信号，并将eLoran信号进行带通滤波、陷波滤波、增益控制预处理；
所述GNSS模块用于处理GNSS/长波一体化天线接收的GNSS信号，完成GNSS信号捕获和解算，生成GNSS导航授时数据；
所述eLoran模块用于处理GNSS/长波一体化天线接收的长波eLoran信号，完成长波eLoran信号捕获、跟踪、锁定和解算，测量计算长波eLoran信号的包周差、信噪比、场强与频域信息，生成eLoran导航授时数据；
所述高度计模块用于将测量的气压和温度换算成海拔高度，提供高程信息；
所述信号处理模块用于完成GNSS模块及eLoran模块配置、完成GNSS导航授时数据与eLoran导航授时数据有效性评价，以及将GNSS导航授时数据按照设定格式生成并输出导航授时信息，或者将eLoran导航授时数据及高程信息结合，按照设定格式生成并输出导航授时信息。
2.根据权利要求1所述的一种抗干扰无人机组合导航授时系统，其特征在于：
所述GNSS/长波一体化天线中GNSS天线采用的是高介电常数的微带天线，长波天线采用全向磁天线；
所述GNSS模块采用多模GNSS授时导航模块；
所述高度计模块采用MEMS压力传感器，其测量精度为≤0.5m；
所述信号处理模块采用ARM芯片。
3.一种抗干扰无人机组合导航授时方法，基于上述权利要求1或2所述的一种抗干扰无人机组合导航授时系统，其特征在于，包括以下步骤：
1)配置GNSS模块的参数和eLoran模块的参数；
2)设定导航授时信息的格式；
3)使信号处理模块接收GNSS模块产生的GNSS导航授时数据、eLoran模块产生的eLoran导航授时数据和高度计模块提供的高程信息；
4)信号处理模块根据GNSS模块的参数和eLoran模块的参数，判断GNSS导航授时数据和eLoran导航授时数据的有效性；
如果GNSS导航授时数据有效，则由信号处理模块将GNSS导航授时数据按照步骤2)中设定的导航授时信息格式生成并输出导航授时信息；
如果GNSS导航授时数据无效，eLoran导航授时数据有效，则由信号处理模块将eLoran导航授时数据和高程信息融合后，按照步骤2)中设定的导航授时信息格式生成并输出导航授时信息；
如未接收的GNSS导航授时数据和eLoran导航授时数据，或接收的GNSS导航授时数据和eLoran导航授时数据均无效，则返回步骤3)，直至信号处理模块输出导航授时信息。
4.根据权利要求3所述的一种抗干扰无人机组合导航授时方法，其特征在于，步骤1)具体为：
1.1、配置GNSS模块的参数：
将GNSS导航授时源设置为BD、GPS、GLONASS以及Galileo中的任意一个单一源，或者将BD、GPS、GLONASS以及Galileo任意组合；设置GNSS导航授时源的输出时间基准，并选择坐标系；
1.2、配置eLoran模块的参数：
设置跟踪eLoran系统各发射站的台站信息，所述台站信息包括台站号、台站时延、信号增益，设置GNSS/长波一体化天线时延、连接电缆时延和eLoran模块时延。
5.根据权利要求4所述的一种抗干扰无人机组合导航授时方法，其特征在于，步骤2)具体为：
设定导航授时信息的格式为NMEA 0183。
6.根据权利要求5所述的一种抗干扰无人机组合导航授时方法，其特征在于：
步骤3)中，所述eLoran导航授时数据为经纬度信息。
7.根据权利要求6所述的一种抗干扰无人机组合导航授时方法，其特征在于：
步骤4)中，所述GNSS导航授时数据有效的判断依据为覆盖重数、几何精度因子与完好性；
所述eLoran导航授时数据有效的判断依据为包周差、信噪比、场强与频域信息。
8.根据权利要求7所述的一种抗干扰无人机组合导航授时方法，其特征在于，步骤4)中，所述高程信息采用高度计模块提供。
9.根据权利要求8所述的一种抗干扰无人机组合导航授时方法，其特征在于，步骤1)中，配置GNSS模块的参数和eLoran模块的参数之前还包括：
将GNSS模块、eLoran模块与信号处理模块分别进行初始化。
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