CN117192590A - 一种在拒止环境下的无人艇导航定位方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在拒止环境下的无人艇导航定位方法与装置，涉及无人艇导航领域，方法包括：移动端的一体化通导设备控制无人艇上搭载的全向天线与基站的定向天线通信获取测距测角信息，全向天线接收定向天线发送的RTK报文、控制指令和导航信息，定向天线接收全向天线发送的GNSS信息和IMU信息；基站端的一体化通导设备通过GNSS和IMU信息，叠加基站端与移动端之间的测距测角信息推算移动端的位置信息并与GNSS信息比对得到测距测角信息的误差；在普通环境下，移动端通过接收到的RTK报文修正GNSS信息进行导航；在导航拒止环境下，移动端将IMU信息与测距测角信息发送至基站端进行融合解算得到导航信息，基站端向移动端发送指令进行导航。

Description

一种在拒止环境下的无人艇导航定位方法与装置

技术领域

本发明涉及无人艇导航的技术领域，具体而言，涉及一种在拒止环境下的无人艇导航定位方法与装置。

背景技术

无人艇在工作中需要与基站通信，提高通信距离常常采用卫星通信、中继通信、无线电中继等技术，扩大无人船的通信范围，为了加强定位的精度，常常采用多传感器融合导航技术，将GPS、惯性导航、伺服天线定向等数据进行融合，但是无人船在海上运行时，GPS信号会受到干扰，导致定位精度下降，无法准确掌握无人船的位置和航向。

GPS信号不稳定时通常采用惯导模式继续导航，但惯导模式没有较为可靠的外部参考源，随时间流逝其定位误差会不断增大。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够在拒止环境下具有较高导航精确度的导航方法及其配套装置。

本发明的技术方案是：提供了一种在拒止环境下的无人艇导航定位方法，基站与无人艇各自安装一体化通导设备，基站端使用定向天线，无人艇即移动端使用全向天线，该方法包括：移动端的一体化通导设备控制无人艇上搭载的全向天线与基站的定向天线通信获取测距测角信息，测距测角信息为无人艇与基站之间的距离和方向信息，全向天线接收定向天线发送的RTK报文、控制指令和导航信息，定向天线接收全向天线发送的无人艇状态信息，无人艇状态信息包括GNSS信息和无人艇的IMU信息；

基站端根据测距测角信息控制定向天线对准移动端；基站端的一体化通导设备通过GNSS信息和IMU信息，叠加基站端与移动端之间的测距测角信息推算移动端的位置信息并与GNSS信息比对得到测距测角信息的误差，利用误差对之后的测距测角信息进行修正；

在普通环境下，移动端通过接收到的RTK报文修正GNSS信息进行导航；在导航拒止环境下，移动端将IMU信息与测距测角信息发送至基站端进行融合解算得到导航信息，基站端向移动端发送指令进行导航。

上述任一项技术方案中，进一步地，融合解算包括四个输入源：RTK报文、GNSS信息、IMU信息和测距测角信息；

基站端的一体化通导设备将GNSS信息、IMU信息和测距测角信息一同输入数据缓冲层中，数据缓冲层将这些来源不同的数据缓存并按照时间顺序进行排列，将IMU信息线性内插入其他类型数据中保证时间同步；在通信稳定的良好环境下利用GNSS信息对无人艇进行导航初始化，并利用GNSS信息中包括的1pps信息对无人艇的所有设备进行统一的授时同步。

上述任一项技术方案中，进一步地，当无人艇进入导航拒止环境后，无法再接收GNSS信息，移动端的一体化通导设备向基站端的一体化通导设备通报情况，基站端暂停发送RTK报文，基站端采用INS及测距测角的融合解算方式导航，将解算的位置信息经过数据滤波，滤掉偏差大于预设值的选点后输出至移动端。

上述任一项技术方案中，进一步地，利用测距测角信息推算移动端定位信息的方法如下：

基站端的一体化通导设备读取基站端的纬度φ₁和经度L₁，根据定向天线与全向天线收发信号的时间差计算出两者之间的距离s，读取两者之间的前向角度α₁，通过以下公式计算移动端的纬度φ₂和经度L₂：

σ₁＝arctan2[(1-F)tanφ₁,cosα₁]；

b＝(1-f)a；

其中，σ₁为移动端与赤道之间的角距，f为椭球率，a为赤道半径，b为极点半径，u、A、B为计算过程的中间值；

令基站端和移动端之间的角距σ＝s/(b·A)，利用以下公式进行循环迭代直到σ的值不再显著变化：

2σ_m＝2σ₁+σ；

其中，σ_m为基站端与移动端连线的中点与赤道之间的角距；

令arctan[(1-f)tanφ₁]＝C， arctan2(sinσsinα₁,cosCcosσ-sinCsinσcosα₁)＝λ，将移动端的经纬度表示为：

L₂＝L₁+λ-(1-D)fcosC sinα₁{σ+Dsinσ(cos[2σ_m]+Dcosσ[2cos²(2σ_m)-1])}。

还提供了一种基于上述任一项在拒止环境下的无人艇导航定位方法的装置，装置包括：基站端和移动端；

移动端搭载在无人艇上，基站端搭载在基站；

基站端的设备包括：伺服云台、转接板、一体化通导设备、天线盖板、天线箱体、定向天线、通信线缆和导航线缆；

伺服云台安装在基站的空旷地带，一体化通导设备通过转接板连接在伺服云台顶部，天线箱体顶端安装定向天线，天线箱体侧面用天线盖板封装，天线盖板的外侧与一体化通导设备连接固定，一体化通导设备通过导航线缆与定向天线电连接，一体化通导设备通过通信线缆与天线箱体内的通信模块电连接；

移动端的设备包括：移动端的一体化通导设备和全向天线，移动端的一体化通导设备安装在无人艇上，移动端的一体化通导设备通过线缆与全向天线电连接。

本发明的有益效果是：

本发明中的技术方案中基站端使用定向天线与无人艇进行通讯，配合一体化通导设备输出的测距测角信息，时刻保持定向天线对准无人艇，充分利用定向天线的波束增益特性，提升通信质量；

在IMU信息以外，利用测距测角信息推算无人艇的坐标作为参考信息，对导航内容进行大幅修正，弥补卫星导航信号失效的情况下惯性导航定位误差随时间变大的问题。

附图说明

本发明的上述和附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的在拒止环境下的无人艇导航定位方法的执行结构图；

图2是根据本发明的一个实施例的在拒止环境下的无人艇导航定位方法的一体化通导设备结构图；

图3是根据本发明的一个实施例的在拒止环境下的无人艇导航定位方法的融合解算流程图；

图4是根据本发明的一个实施例的在拒止环境下的无人艇导航定位方法的在纯惯导模式下视觉/惯性定位的位置误差序列图；

图5是根据本发明的一个实施例的在拒止环境下的无人艇导航定位方法的在融合导航下视觉/惯性定位的位置误差序列图；

图6是根据本发明的一个实施例的在拒止环境下的无人艇导航定位方法的在纯惯导模式下视觉/惯性定位的姿态误差序列图；

图7是根据本发明的一个实施例的在拒止环境下的无人艇导航定位方法的在融合导航下视觉/惯性定位的姿态误差序列图。

其中，1-伺服云台、2-转接板、3-一体化通导设备、4-天线盖板、5-天线箱体、6-定向天线、7-通信线缆、8-导航线缆。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

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，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

无人艇上搭载本发明提供的移动端的一体化通导设备以及全向天线，基站上搭载基站端的一体化通导设备以及定向天线，如图2所示，基站端的设备包括：伺服云台1、转接板2、一体化通导设备3、天线盖板4、天线箱体5、定向天线6、通信线缆7和导航线缆8。

伺服云台1安装在基站的空旷地带，一体化通导设备3通过转接板2连接在伺服云台1顶部，天线箱体5顶端安装定向天线6，侧面用天线盖板4封装，天线盖板4的外侧与一体化通导设备3连接固定，一体化通导设备3通过导航线缆8与定向天线6电连接，一体化通导设备3通过通信线缆7与天线箱体5内的通信模块电连接。

具体地，伺服云台1可使上方搭载的设备转动，在通信过程中将定向天线6对准移动端设备；一体化通导设备3可用于测量角度和距离信息，叠加先验位置信息可以得到的无人艇定位信息。

另外，移动端的设备包括：一体化通导设备和全向天线，一体化通导设备安装在无人艇上，一体化通导设备通过线缆与全向天线电连接。

如图1所示，本实施例提供了一种在拒止环境下的无人艇导航定位方法，该方法包括：

基站端与移动端的一体化通导设备上电开机，移动端的一体化通导设备控制无人艇上搭载的全向天线与基站的定向天线通信获取无人艇与基站之间的距离和方向信息(以下简称为“测距测角信息”)，全向天线接收定向天线发送的RTK报文、控制指令和导航信息；定向天线接收全向天线发送的无人艇状态信息；其中，RTK报文是在RTK系统中用到的概念，RTK系统是一种全球定位系统中常用的差分定位技术，通过参考站(基站)与移动设备(无人艇)建立通信，利用两者接收到卫星信号的差异消除大部分环境影响、提高定位的精度，RTK报文是由参考站(基站)发送给移动设备(无人艇)的，包含有关卫星信号、时钟校准、信号延迟等信息，用于修正移动设备(无人艇)的卫星导航信息(GNSS)。

具体地，基站端根据测距测角信息控制伺服云台转动，使定向天线对准移动端，充分利用定向天线的波束增益特性，提升通信质量；基站端的一体化通导设备通过定向天线接收移动端发送来的卫星导航信息(GNSS)和无人艇搭载的惯性导航器件(IMU)的运行信息，基站端的一体化通导设备通过GNSS和IMU信息，叠加基站端与移动端之间的测距测角信息解算移动端的位置信息。

在导航拒止环境下(例如桥梁下方、敌对恶意干扰导航信号等卫星导航信号难以接收到的环境)，无人艇接收不到卫星导航信号，无法给出卫星导航信息(GNSS)，也就不能使用RTK系统进行导航，此时通常只能依靠惯性导航器件(IMU)使用惯性导航系统(INS)进行导航，但惯性导航系统(INS)输出的惯性导航信息伴随时间的增加，误差逐步扩大，通常一分钟的误差就达到十几米以上，在弯道航行中误差累计速度更快，一分钟误差可达几十米，难以实现长时间高精度的导航信息输出。

本实施例通过在使用惯性导航系统(INS)的基础上叠加测距测角信息进行融合解算，为无人艇提供长时间较为准确的导航定位信息；其中测距测角信息是实时更新的，其误差不会随着时间累计，通常是一个固定值，融合测距测角信息的该定位方法能够在导航拒止环境下提供可靠的定位精度。

具体地，如图3所示，无人艇的导航过程包括四个输入源：RTK报文、GNSS信息、IMU信息(包括加速度、角速度、角增量、速度增量)、测距测角信息，其中RTK报文和测距测角信息是基站发送来的，GNSS信息和IMU信息为无人艇自身搭载的设备收集到的。

GNSS信息、IMU信息和测距测角信息一同输入数据缓冲层中，数据缓冲层将这些来源不同的数据缓存并按照时间顺序进行排列，将IMU信息线性内插入其他类型数据中保证时间同步，内插的具体实现方式是将IMU信息完整复制到与当前IMU信息同一时刻的其他信息的末端，相当于将IMU信息作为定时同步的基准；在通信稳定的良好环境下利用GNSS信息进行导航初始化，并利用卫星导航信号来进行统一的授时同步；在能够接收到卫星信号的环境中，移动端向基站端反馈GNSS信息、IMU信息，基站端通过测距测角信息推算移动端所在位置、通过IMU信息与上一时刻移动端位置信息推算当前时刻移动端所在位置，并将两个推算位置信息与GNSS信息所指示的移动端位置作差，得到测距测角方式与INS方式推算位置的误差，也得到测距以及测角的误差。

当无人艇进入导航拒止环境后，无法再接收GNSS信息，移动端的一体化通导设备向基站端的一体化通导设备通报情况，基站端暂停发送RTK报文，基站端采用INS及测距测角的融合解算方式导航，将解算的位置信息经过数据滤波，滤掉偏差大于预设值的选点后输出至移动端。

上述使用测距测角信息推算移动端定位信息的方法如下：

基站端的一体化通导设备读取基站端的纬度φ₁和经度L₁，根据定向天线与全向天线收发信号的时间差计算出两者之间的距离s，读取两者之间的前向角度α₁，通过以下公式计算移动端的纬度φ₂和经度L₂：

σ₁＝arctan2[(1-f)tanφ₁,cosα₁]；

b＝(1-f)a；

其中，σ₁为移动端与赤道之间的角距，f为椭球率，a为赤道半径，b为极点半径，u、A、B为计算过程的中间值。

令基站端和移动端之间的角距σ＝s/(b·A)，利用以下公式进行循环迭代直到σ的值不再显著变化：

2σ_m＝2σ₁+σ；

其中，σ_m为基站端与移动端连线的中点与赤道之间的角距。

令arctan[(1-f)tanφ₁]＝C， arctan2(sinσsinα₁,cosCcosσ-sinCsinσcosα₁)＝λ，将移动端的经纬度表示为：

L₂＝L₁+λ-(1-D)fcosCsinα₁{σ+Dsinσ(cos[2σ_m]+Dcosσ[2cos²(2σ_m)-1])}；

具体地，推算移动端的经纬度信息后，在存在卫星导航信号的情况下与真实的经纬度信息进行比较获取解算值与真实值的误差，统计长时间的误差后，利用误差对无卫星导航信号情况下推算的经纬度信息进行补偿，供融合导航系统进行使用，提升定位精度。

为了验证本发明提出的面向无人艇的通信导航融合定位方法在复杂环境下的定位精度和可靠性，通过搭建数据测试平台，对常规的组合导航设备和采用融合定位设计的设备进行对比分析，通过结果来验证本发明提出的方式方法的有效性。

如图4至图7所示，在纯惯导条件下，仅200秒时间内，MEMS级别惯导的定位结果显著发散，最终定位误差超过3km，引入视觉进行视觉/惯性里程计定位可以很有效的抑制惯导的发散，定位精度显著高于纯惯导推算，不过由于缺乏外部观测的引入，整体的结果依然是呈现发散的趋势；本发明提出的融合导航方法展现了更高的精确度。

根据具体测算，此次进行对比分析的纯惯导推算，200秒内视觉/惯性里程计定位结果北-东-地三个方向最大发散误差为-1416.3m、-3412.4m、-40.6m，定位误差漂移高达479.8％；而融合导航方法在200秒内视觉/惯性里程计定位结果北-东-地三个方向最大发散误差为-2.594m、4.209m、1.578m，即3维方向最大发散误差5.190m，定位误差漂移仅约0.67％，显著好于纯惯导推算，证明本发明提出的方法可以有效帮助船舶在海洋环境下进行有效的无卫星导航信号的定位航行。

综上所述，本发明提出了一种在拒止环境下的无人艇导航定位方法，该方法包括：移动端的一体化通导设备控制无人艇上搭载的全向天线与基站的定向天线通信获取测距测角信息，所述测距测角信息为无人艇与基站之间的距离和方向信息，全向天线接收定向天线发送的RTK报文、控制指令和导航信息，定向天线接收全向天线发送的无人艇状态信息，所述无人艇状态信息包括GNSS信息和无人艇的IMU信息。

基站端根据测距测角信息控制定向天线对准移动端；基站端的一体化通导设备通过GNSS信息和IMU信息，叠加基站端与移动端之间的测距测角信息推算移动端的位置信息并与GNSS信息比对得到测距测角信息的误差。

在普通环境下，移动端通过接收到的RTK报文修正GNSS信息进行导航；在导航拒止环境下，移动端将IMU信息与测距测角信息发送至基站端进行融合解算得到导航信息，基站端向移动端发送指令进行导航。

本发明还提出了一种基于上述在拒止环境下的无人艇导航定位方法的装置，该装置包括：基站端和移动端。

所述移动端搭载在无人艇上，所述基站端搭载在基站。

所述基站端的设备包括：伺服云台1、转接板2、一体化通导设备3、天线盖板4、天线箱体5、定向天线6、通信线缆7和导航线缆8。

所述伺服云台1安装在基站的空旷地带，所述一体化通导设备3通过所述转接板2连接在所述伺服云台1顶部，所述天线箱体5顶端安装所述定向天线6，所述天线箱体5侧面用所述天线盖板4封装，所述天线盖板4的外侧与所述一体化通导设备3连接固定，所述一体化通导设备3通过所述导航线缆8与所述定向天线6电连接，所述一体化通导设备3通过所述通信线缆7与所述天线箱体5内的通信模块电连接。

所述移动端的设备包括：移动端的一体化通导设备和全向天线，所述移动端的一体化通导设备安装在无人艇上，所述移动端的一体化通导设备通过线缆与所述全向天线电连接。

本发明中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。

本发明装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。

尽管参考附图详地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (5)

1.一种在拒止环境下的无人艇导航定位方法，基站与无人艇各自安装一体化通导设备，基站端使用定向天线，无人艇即移动端使用全向天线，其特征在于，所述方法包括：移动端的一体化通导设备控制无人艇上搭载的全向天线与基站的定向天线通信获取测距测角信息，所述测距测角信息为无人艇与基站之间的距离和方向信息，全向天线接收定向天线发送的RTK报文、控制指令和导航信息，定向天线接收全向天线发送的无人艇状态信息，所述无人艇状态信息包括GNSS信息和无人艇的IMU信息；

基站端根据测距测角信息控制定向天线对准移动端；基站端的一体化通导设备通过GNSS信息和IMU信息，叠加基站端与移动端之间的测距测角信息推算移动端的位置信息并与GNSS信息比对得到测距测角信息的误差，利用所述误差对之后的测距测角信息进行修正；

在普通环境下，移动端通过接收到的RTK报文修正GNSS信息进行导航；在导航拒止环境下，移动端将IMU信息与测距测角信息发送至基站端进行融合解算得到导航信息，基站端向移动端发送指令进行导航。

2.如权利要求1所述的在拒止环境下的无人艇导航定位方法，其特征在于，所述融合解算包括四个输入源：RTK报文、GNSS信息、IMU信息和测距测角信息；

基站端的一体化通导设备将GNSS信息、IMU信息和测距测角信息一同输入数据缓冲层中，数据缓冲层将这些来源不同的数据缓存并按照时间顺序进行排列，将IMU信息线性内插入其他类型数据中保证时间同步；在通信稳定的良好环境下利用GNSS信息对所述无人艇进行导航初始化，并利用GNSS信息中包括的1pps信息对所述无人艇的所有设备进行统一的授时同步。

3.如权利要求1所述的在拒止环境下的无人艇导航定位方法，其特征在于，当所述无人艇进入导航拒止环境后，无法再接收GNSS信息，移动端的一体化通导设备向基站端的一体化通导设备通报情况，基站端暂停发送RTK报文，基站端采用INS及测距测角的融合解算方式导航，将解算的位置信息经过数据滤波，滤掉偏差大于预设值的选点后输出至移动端。

4.如权利要求1所述的在拒止环境下的无人艇导航定位方法，其特征在于，利用所述测距测角信息推算移动端定位信息的方法如下：

基站端的一体化通导设备读取基站端的纬度φ₁和经度L₁，根据定向天线与全向天线收发信号的时间差计算出两者之间的距离s，读取两者之间的前向角度α₁，通过以下公式计算移动端的纬度φ₂和经度L₂：

σ₁＝arctan2[(1-f)tanφ₁，cosα₁]；

b＝(1-f)a；

其中，σ₁为移动端与赤道之间的角距，f为椭球率，a为赤道半径，b为极点半径，u、A、B为计算过程的中间值；

令基站端和移动端之间的角距σ＝s/(b·A)，利用以下公式进行循环迭代直到σ的值不再显著变化：

2σ_m＝2σ₁+σ；

其中，σ_m为基站端与移动端连线的中点与赤道之间的角距；

令 arctan2(sinσsinα₁，cosCcosσ-sinCsinσcosα₁)＝λ，将移动端的经纬度表示为：

L₂＝L₁+λ-(1-D)fcosC sinα₁{σ+Dsinσ(cos[2σ_m]+Dcosσ[2cos²(2σ_m)-1])}。

5.一种基于上述权利要求1至4所述的在拒止环境下的无人艇导航定位方法的装置，其特征在于，所述装置包括：基站端和移动端；

所述移动端搭载在无人艇上，所述基站端搭载在基站；

所述基站端的设备包括：伺服云台(1)、转接板(2)、一体化通导设备(3)、天线盖板(4)、天线箱体(5)、定向天线(6)、通信线缆(7)和导航线缆(8)；

所述伺服云台(1)安装在基站的空旷地带，所述一体化通导设备(3)通过所述转接板(2)连接在所述伺服云台(1)顶部，所述天线箱体(5)顶端安装所述定向天线(6)，所述天线箱体(5)侧面用所述天线盖板(4)封装，所述天线盖板(4)的外侧与所述一体化通导设备(3)连接固定，所述一体化通导设备(3)通过所述导航线缆(8)与所述定向天线(6)电连接，所述一体化通导设备(3)通过所述通信线缆(7)与所述天线箱体(5)内的通信模块电连接；

所述移动端的设备包括：移动端的一体化通导设备和全向天线，所述移动端的一体化通导设备安装在无人艇上，所述移动端的一体化通导设备通过线缆与所述全向天线电连接。