CN117908050A - 一种用于无人机导航的信标系统及导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机导航技术领域，具体涉及是一种用于无人机导航的信标系统及导航方法，通过设置包含距离信标、方位信标和平台无线接收器的用于无人机导航的信标系统，同时搭配相应的导航方法可在GNSS信号不良或不可用时提供本地定位和导航或与退化的GNSS信号融合以提供定位和导航功能；信标的位置数据通过无线电信号传输到平台无线接收器，平台接收信号并使用信号的强度来估计其自身的位置，实现了结构简单，制作成本低，布置方便易于实施，功耗低等技术效果。

Description

一种用于无人机导航的信标系统及导航方法

技术领域

本发明涉及无人机导航技术领域，具体涉及是一种用于无人机导航的信标系统及导航方法。

背景技术

经过数十年的研究发展，GNSS（Global Navigation Satellite System,GNSS）组合导航的基本理论与方法已经较为成熟，在一部分开阔的使用场景中，能够达到稳定的位置定位与辅助导航。

但是在一部分复杂使用场景中，如城市环境中周边楼宇、信号塔等可能会干扰和遮挡GNSS信号的正常接收，此外，一些地区也可能存在因GNSS信号覆盖不良而需要本地导航系统。已有技术通过使用 802.11 接入点、全球移动通信系统蜂窝塔和蓝牙模块或者光学等策略为GNSS不良情况下提供定位服务，但这些方法较高的实施成本，进一步推广应用的代价较大。

发明内容

本发明针对以上问题，提供一种用于无人机导航的信标系统及导航方法。

采用的技术方案是，一种用于无人机导航的信标系统，包括距离信标、方位信标和平台无线接收器；

所述距离信标以时间间隔ΔT向外发送载波频率为f MHz数据包的信号，内容包括唯一ID标识、信标类型、自身三维坐标、信号发射功率P_T、发射全向天线增益α_T以及校验码；

所述方位信标以时间间隔ΔT向外发送载波频率为f MHz数据包的信号，内容包括唯一ID标识、信标类型、自身三维坐标、转动的角度和角速度、信号发射功率P_T、发射全向天线增益α_T以及校验码；

所述平台无线接收器接收距离信标和方位信标发送的信号，并使用信号的强度来估计自身的位置。

可选的，平台无线接收器包括第一全向天线、第一无线信号收发模块、第一微控制器模块和第一PCB电路板；

所述第一PCB电路板提供一个或多个供电稳压电路，用于第一无线信号收发模块和第一微控制器模块供电；

所述第一无线信号收发模块能基于LoRa扩频技术和串口通信，并与第一全向天线和第一微控制器模块信号连接。

可选的，距离信标包括第二全向天线、第二无线信号收发模块和第二PCB电路板；

所述第二PCB电路板上设置有供电稳压电路及外接直流电源接口，并对第二全向天线、第二无线信号收发模块供电；

所述第二无线信号收发模块通过第二全向天线以时间间隔ΔT向外发送载波频率为f MHz数据包的信号。

可选的，方位信标包括定向天线、第三无线信号收发模块、旋转编码器模块、步进电机、连接轴、连接件、第二微控制器模块和第三PCB电路板；

所述第三PCB电路板上设置有功率放大电路和供电稳压电路，第三PCB电路板为第三无线信号收发模块、第二微控制器模块、步进电机和旋转编码器模块供电；

所述第三无线信号收发模块能基于LoRa扩频技术和串口通信，并与定向天线和第二微控制器模块信号连接，第三无线信号收发模块以时间间隔ΔT向外发送载波频率为fMHz数据包的信号；

所述定向天线一端通过连接轴与步进电机的转子连接；

所述旋转编码器模块内设置有通过连接件连接的转轴；

所述第二微控制器模块通过PWM波的占空比控制步进电机驱动所连接的定向天线以恒定的角速度ω连续转动。

可选的，定向天线的转动角速度ω与第三无线信号收发模块收发时间间隔ΔT满足下式：

0.25*π/ω ≥ ΔT 或者 ω ≤ f_w*π/4

其中，f_w为收发频率且满足f_w = 1/ΔT。

本申请还提供了一种用于无人机导航的信标系统导航方法，包括以下步骤：

S1.距离信标和方位信标发送载波频率为f MHz数据包信号；

S2.平台无线接收器接收经由第一全向天线捕获的数据包信号；

S3.平台无线接收器判断数据包信号的来源，并进行导航。

可选的，S3中，当平台无线接收器捕获的是距离信标发送的载波频率为f MHz数据包信号时，包括以下步骤：

A1.测量并记录时刻接收端的信号功率P_R，同时解码数据包的内容，并计算信号发射源距离平台无线接收器的距离d，同时满足下式：

（算式1）

其中，α_R是平台无线接收器端的全向天线的信号增益，n是路径损耗指数，α_T和α_R分别为事先测得的接收和发射全向天线的增益；

A2.将距离信标的数据包发射频率设置为f_packHz，并在最大有效作用距离范围[0,R]内设置测试点；

A3.平台无线接收器记录对应的信号发射功率P_T、信号接收功率P_R，并代入算式1中求得量测距离值后，计算其与真实距离值量测误差，满足：

；

A4.对于每一个测试点，完成N次测试后，计算距离量测误差的标准方差σ满足：

；

A5.拟合距离量测误差的标准方差与对应量测距离之间的关系满足下式：

（算式2）

其中，β₀, β₁, β₂, β₃为多项式的系数。

可选的，S3中，当平台无线接收器捕获的是方位信标发送的载波频率为f MHz数据包信号时，包括以下步骤：

B1.根据方位信标的唯一ID标识，顺序的记录并查找转动角度增量360度范围内接收端信号功率的最大值max{P_R}及信号解码后所得转角θ_R；

B2.通过接收端信号功率的最大值max{P_R}、收端信号功率P_R和转角θ_R计算得到方位信标距离平台无线接收器的量测距离d。

可选的，B2中，计算规则为：

方位信标以恒定的角速度ω旋转定向天线，平台无线接收器按照时间间隔ΔT接收并记录接收端信号功率P_R及信号解码后所得转角θ_R，当θ_R的增量达到一个圆周时，即θ_R小于某个阈值 EPS或采样时间为2nπ/ω时，更新并输出接收端信号功率的峰值及其对应的转角< max{P_R}, θ_R >。

可选的，当平台无线接收器能够接收到N个信标的信号时，通过扩展卡尔曼滤波器进行滤波，平台无线接收器与N个信标之间的距离为：

（算式3）

其中，为平台无线接收器的当前位置状态估计，是第i个信 标的三维坐标，然后将平台无线接收器与信标之间的距离作为量测结果，使用扩展卡尔曼 滤波来处理平台无线接收器的位置和速度估计。

本发明的有益效果至少包括以下之一；

1、通过设置包含距离信标、方位信标和平台无线接收器的用于无人机导航的信标系统，同时搭配相应的导航方法可在GNSS信号不良或不可用时提供本地定位和导航或与退化的GNSS信号融合以提供定位和导航功能；信标的位置数据通过无线电信号传输到平台无线接收器，平台接收信号并使用信号的强度来估计其自身的位置，具有结构简单，制作成本低，布置方便易于实施，功耗低等特点。

2、可由无线电信号将信标的位置数据传输到载具，载具接收信号，并使用信号强度来估计其自身的位置，可在GNSS信号不良或不可用时提供本地定位和导航或与退化的GNSS信号融合以提供定位和导航功能。

3、解决了现有技术中一些地区也可能存在因GNSS信号覆盖不良而需要本地导航系统。已有技术通过使用 802.11 接入点、全球移动通信系统蜂窝塔和蓝牙模块或者光学等策略为GNSS不良情况下提供定位服务，但这些方法较高的实施成本，阻碍了进一步的推广应用的问题。

具体实施方式

以下通过具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种用于无人机导航的信标系统，包括距离信标、方位信标和平台无线接收器；

所述距离信标以时间间隔ΔT向外发送载波频率为f MHz数据包的信号，内容包括唯一ID标识、信标类型、自身三维坐标、信号发射功率P_T、发射全向天线增益α_T以及校验码；

所述方位信标以时间间隔ΔT向外发送载波频率为f MHz数据包的信号，内容包括唯一ID标识、信标类型、自身三维坐标、转动的角度和角速度、信号发射功率P_T、发射全向天线增益α_T以及校验码；

所述平台无线接收器接收距离信标和方位信标发送的信号，并使用信号的强度来估计自身的位置。

这样设计的目的在于，通过设置包含距离信标、方位信标和平台无线接收器的用于无人机导航的信标系统，同时搭配相应的导航方法可在GNSS信号不良或不可用时提供本地定位和导航或与退化的GNSS信号融合以提供定位和导航功能；信标的位置数据通过无线电信号传输到平台无线接收器，平台接收信号并使用信号的强度来估计其自身的位置，具有结构简单，制作成本低，布置方便易于实施，功耗低等特点，解决了现有技术中一些地区也可能存在因GNSS信号覆盖不良而需要本地导航系统。已有技术通过使用 802.11 接入点、全球移动通信系统蜂窝塔和蓝牙模块或者光学等策略为GNSS不良情况下提供定位服务，但这些方法较高的实施成本，阻碍了进一步的推广应用的问题。

在具体实施中，平台无线接收器包括一个全向天线，一个无线信号收发模块，一个微控制器模块和一个PCB电路板；PCB电路板提供一个或多个供电稳压电路，用于信号收发模块和微控制器模块等模块供电，一个外接直流电源的供电接口，一个与PC机通信的USB或UART接口，并为一个微控制器和一个信号收发模块的针脚连接提供布线；信号收发模块具有基于LoRa扩频技术和串口通信功能，并与一个全向天线连接。

同时，距离信标包括一个全向天线，一个无线信号收发模块和一个包含供电稳压电路及外接直流电源接口的PCB电路板；无线信号收发模块以时间间隔ΔT经由全向天线向外发（广播）载波频率为f MHz数据包的信号，内容包括：唯一ID标识、信标类型、自身三维坐标、信号发射功率P_T、发射全向天线增益α_T以及校验码等。

而方位信标则包括一个定向天线，一个无线信号收发模块，一个旋转编码器模块，一个步进电机，一个连接轴、一个连接件、一个微控制器模块和一个PCB电路板；PCB电路板提供一个功率放大电路和多个供电稳压电路，为信号收发模块、微控制器模块、步进电机和旋转编码器模块的供电，一个外接直流电源的供电接口，一个与PC机通信的USB或UART接口，并为一个微控制器和一个信号收发模块的针脚连接提供布线，一个支架用于固定步进电机、旋转编码器模块、连接轴和PCB电路板等；信号收发模块具有基于LoRa扩频技术和串口通信功能，并与一个定向天线连接；定向天线的一端通过连接轴与步进电机的转子固连，旋转编码器模块的转轴通过一个连接件与旋转编码器模块固连。方位信标工作时，微控制器通过PWM波的占空比控制步进电机驱动所连接的定向天线以以恒定的角速度ω连续转动，同时，无线信号收发模块以时间间隔ΔT经由全向天线向外发（广播）载波频率为f MHz数据包的信号，内容包括：唯一ID标识、信标类型、自身三维坐标、转动的角度和角速度、信号发射功率P_T、发射全向天线增益α_T以及校验码等。定向天线的转动角速度ω与无线信号收发时间间隔ΔT（或收发频率f_w = 1/ΔT）的关系应遵循：0.25*π/ω ≥ ΔT 或者 ω ≤f_w*π/4。

本申请还提供了，一种用于无人机导航的信标系统导航方法，包括以下步骤：

S1.距离信标和方位信标发送载波频率为f MHz数据包信号；

S2.平台无线接收器接收经由第一全向天线捕获的数据包信号；

S3.平台无线接收器判断数据包信号的来源，并进行导航。

而在具体实施中，如果接收到的信号是距离信标，则测量并记录时刻接收端的信号功率为P_R，同时解码数据包的内容和计算信号发射源距离平台无线接收器的距离d。

（算式1）

其中，α_R是平台无线接收器端的全向天线的信号增益，n是路径损耗指数，接收/发射全向天线的增益α_T和α_R由试验事先测得。

将距离信标的数据包发射频率设置为f_packHz，并在其最大有效作用距离范围[0,R]内设置一系列的测试点，例如：[0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8,0.9, 1.0]*R为已知的真实距离，放置平台接收器1~2分钟，记录对应的信号发射功率P_T、信号接收功率P_R等参数。由算式1并代入信号发射功率P_T、信号接收功率P_R等求得量测距离值后，计算其与真实距离值量测误差：

对于每一个测试点，完成N次测试后，计算距离量测误差的标准方差σ，即：

最后，拟合距离量测误差的标准方差与对应量测距离之间的关系，例如进行三阶多项式拟合，如算式2：

（算式2）

其中，β₀, β₁, β₂, β₃ 为多项式的系数。

而如果接收到的信号是由方位信标发送的，则根据方位信标的唯一ID标识，顺序的记录并查找转动角度增量360度范围内接收端信号功率的最大值max{P_R}及信号解码后所得转角θ_R，并由max{P_R}按前述方法解算得到方位信标距离平台无线接收器的量测距离d。其中，由接收端信号功率P_R和转角θ_R计算方位信标的角度的具体计算规则如下：

方位信标以恒定的角速度ω旋转定向天线，平台无线接收器按照一定的时间间隔ΔT接收并记录接收端信号功率P_R及信号解码后所得转角θ_R，当θ_R的增量达到一个圆周时（即θ_R小于某个阈值 EPS或采样时间为2nπ/ω时），更新并输出接收端信号功率的峰值及其对应的转角< max{P_R}, θ_R >。

方位信标提取max{P_R}及信号解码后所得转角θ_R的伪代码示例如下：

函数：量测所得信号功率P_m和转角θ_m = 方位信标信号处理模块（ID标识，当前功率P_R，当前转角θ_R）；

功能：持续处理接收端的信号功率P_R和转角θ_R，周期性地量测平台接收器与方位信标的距离d和方向角θ；

输入：ID标识，接收端信号的当前功率P_R和当前转角θ_R；

读取：根据ID标识，读取历史功率P_h，历史转角θ_h；

如果：当前转角θ_R < EPS；

峰值功率Po = 历史功率P_h;

峰值角度θo = 历史转角θ_h;

否则：

循环：{如果：历史功率P_h < 当前功率P_R { （更新）

历史功率P_h=当前功率P_R;

历史转角θ_h=当前转角θ_R}};

峰值功率Po = 历史功率P_h;

峰值角度θo = 历史转角θ_h;

保存（峰值功率Po, 峰值角度θo）

返回 （峰值功率Po, 峰值角度θo）。

当平台无线接收器能够接收到N个信标的信号时，通过扩展卡尔曼滤波器进行滤波，平台无线接收器与N个信标之间的距离为：

（算式3）

其中，为平台无线接收器的当前位置状态估计，是第i个信 标的三维坐标，然后将平台无线接收器与信标之间的距离作为量测结果，使用扩展卡尔曼 滤波来处理平台无线接收器的位置和速度估计。

同时，过程预测中的模型误差协方差由算式2的结果来给定，量测更新则将量测值融合到估计中以进行校正估计。

这样通过设置包含距离信标、方位信标和平台无线接收器的用于无人机导航的信标系统，同时搭配相应的导航方法可在GNSS信号不良或不可用时提供本地定位和导航或与退化的GNSS信号融合以提供定位和导航功能；信标的位置数据通过无线电信号传输到平台无线接收器，平台接收信号并使用信号的强度来估计其自身的位置，具有结构简单，制作成本低，布置方便易于实施，功耗低等特点。可由无线电信号将信标的位置数据传输到载具，载具接收信号，并使用信号强度来估计其自身的位置，可在GNSS信号不良或不可用时提供本地定位和导航或与退化的GNSS信号融合以提供定位和导航功能。解决了现有技术中一些地区也可能存在因GNSS信号覆盖不良而需要本地导航系统。已有技术通过使用 802.11 接入点、全球移动通信系统蜂窝塔和蓝牙模块或者光学等策略为GNSS不良情况下提供定位服务，但这些方法较高的实施成本，阻碍了进一步的推广应用的问题。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于无人机导航的信标系统，其特征在于，包括距离信标、方位信标和平台无线接收器；

所述距离信标以时间间隔ΔT向外发送载波频率为f MHz数据包的信号，内容包括唯一ID标识、信标类型、自身三维坐标、信号发射功率P_T、发射全向天线增益α_T以及校验码；

所述方位信标以时间间隔ΔT向外发送载波频率为f MHz数据包的信号，内容包括唯一ID标识、信标类型、自身三维坐标、转动的角度和角速度、信号发射功率P_T、发射全向天线增益α_T以及校验码；

所述平台无线接收器接收距离信标和方位信标发送的信号，并使用信号的强度来估计自身的位置。

2.根据权利要求1所述的一种用于无人机导航的信标系统，其特征在于，所述平台无线接收器包括第一全向天线、第一无线信号收发模块、第一微控制器模块和第一PCB电路板；

所述第一PCB电路板提供一个或多个供电稳压电路，用于第一无线信号收发模块和第一微控制器模块供电；

所述第一无线信号收发模块能基于LoRa扩频技术和串口通信，并与第一全向天线和第一微控制器模块信号连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于无人机导航的信标系统，其特征在于，所述距离信标包括第二全向天线、第二无线信号收发模块和第二PCB电路板；

所述第二PCB电路板上设置有供电稳压电路及外接直流电源接口，并对第二全向天线、第二无线信号收发模块供电；

所述第二无线信号收发模块通过第二全向天线以时间间隔ΔT向外发送载波频率为fMHz数据包的信号。

4.根据权利要求3所述的一种用于无人机导航的信标系统，其特征在于，所述方位信标包括定向天线、第三无线信号收发模块、旋转编码器模块、步进电机、连接轴、连接件、第二微控制器模块和第三PCB电路板；

所述第三PCB电路板上设置有功率放大电路和供电稳压电路，第三PCB电路板为第三无线信号收发模块、第二微控制器模块、步进电机和旋转编码器模块供电；

所述第三无线信号收发模块能基于LoRa扩频技术和串口通信，并与定向天线和第二微控制器模块信号连接，第三无线信号收发模块以时间间隔ΔT向外发送载波频率为f MHz数据包的信号；

所述定向天线一端通过连接轴与步进电机的转子连接；

所述旋转编码器模块内设置有与转轴连接的连接轴；

所述第二微控制器模块通过PWM波的占空比控制步进电机驱动所连接的定向天线以恒定的角速度ω连续转动。

5.根据权利要求4所述的一种用于无人机导航的信标系统，其特征在于，所述定向天线的转动角速度ω与第三无线信号收发模块收发时间间隔ΔT满足下式：

ω ≤ f_w*π/4或者0.25*π/ω ≥ ΔT；

其中，f_w为收发频率且满足f_w = 1/ΔT。

6.一种用于无人机导航的信标系统导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.距离信标和方位信标发送载波频率为f MHz数据包信号；

S2.平台无线接收器接收经由第一全向天线捕获的数据包信号；

S3.平台无线接收器判断数据包信号的来源，并进行导航。

7.根据权利要求6所述的一种用于无人机导航的信标系统导航方法，其特征在于，所述S3中，当平台无线接收器捕获的是距离信标发送的载波频率为f MHz数据包信号时，包括以下步骤：

A1.测量并记录时刻接收端的信号功率P_R，同时解码数据包的内容，并计算信号发射源距离平台无线接收器的距离d，同时满足下式：

（算式1）

其中，α_R是平台无线接收器端的全向天线的信号增益，n是路径损耗指数，α_T和α_R分别为事先测得的接收和发射全向天线的增益；

A2.将距离信标的数据包发射频率设置为f_packHz，并在最大有效作用距离范围[0, R]内设置测试点；

A3.平台无线接收器记录对应的信号发射功率P_T、信号接收功率P_R，并代入算式1中求得量测距离值后，计算其与真实距离值量测误差，满足：

；

A4.对于每一个测试点，完成N次测试后，计算距离量测误差的标准方差σ满足：

；

A5.拟合距离量测误差的标准方差与对应量测距离之间的关系满足下式：

（算式2）

其中，β₀, β₁, β₂, β₃为多项式的系数。

8.根据权利要求7所述的一种用于无人机导航的信标系统导航方法，其特征在于，所述S3中，当平台无线接收器捕获的是方位信标发送的载波频率为f MHz数据包信号时，包括以下步骤：

B1.根据方位信标的唯一ID标识，顺序的记录并查找转动角度增量360度范围内接收端信号功率的最大值max{P_R}及信号解码后所得转角θ_R；

B2.通过接收端信号功率的最大值max{P_R}、收端信号功率P_R和转角θ_R计算得到方位信标距离平台无线接收器的量测距离d。

9.根据权利要求8所述的一种用于无人机导航的信标系统导航方法，其特征在于，所述B2中，计算规则为：

方位信标以恒定的角速度ω旋转定向天线，平台无线接收器按照时间间隔ΔT接收并记录接收端信号功率P_R及信号解码后所得转角θ_R，当θ_R的增量达到一个圆周时，即θ_R小于某个阈值 EPS或采样时间为2nπ/ω时，更新并输出接收端信号功率的峰值及其对应的转角<max{P_R}, θ_R >。

10.根据权利要求9所述的一种用于无人机导航的信标系统导航方法，其特征在于，当平台无线接收器能够接收到N个信标的信号时，通过扩展卡尔曼滤波器进行滤波，平台无线接收器与N个信标之间的距离为：

（算式3）

其中，为平台无线接收器的当前位置状态估计，/>是第i个信标的三维坐标，然后将平台无线接收器与信标之间的距离作为量测结果，使用扩展卡尔曼滤波来处理平台无线接收器的位置和速度估计。