本發(fā)明涉及一種基于北斗差分定位的無人機航向測算系統(tǒng)及其測算方法，屬于智能檢測技術領域。

背景技術：

目前磁羅盤廣泛用于小型旋翼無人機進行航向角的計算，由于其具有成本低、動態(tài)響應快、啟動時間短、體積小、功耗低等優(yōu)點。但是磁羅盤在確定航向角度過程中，由于地磁偏角、軟/硬磁場羅差、標度因數(shù)誤差、三軸磁場分量耦合誤差以及量化誤差等干擾而出現(xiàn)航向誤差，進而影響無人機飛行的安全性能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種基于北斗差分定位的無人機航向測算系統(tǒng)及其測算方法，本方法采用北斗導航系統(tǒng)載波相位差分技術（RTKLIB）獲取無人機位置信息，得到無人機精確度較高的位置數(shù)據(jù)，由先后位置數(shù)據(jù)來估算高速飛行時的無人機航向。本發(fā)明能夠在磁羅盤受到干擾后，仍能夠輸出高精度航向，為無人機的安全飛行提供保障。

本發(fā)明采用的技術方案為：一種基于北斗差分定位的無人機航向測算系統(tǒng)，包括無人機組和地面站，所述無人機組包括無人機3及與無人機連接的磁羅盤2、慣性測量裝置4、無人機北斗信號接收機1，所述磁羅盤2利用地磁場固有的指向性測量空間姿態(tài)角度，用于測量載體航向，所述慣性測量裝置4包括加速度傳感器、角速度傳感器，加速度傳感器用來測量無人機3相對于地垂線的加速度分量，角速度傳感器用來測量無人機3的角度信息，融合計算后輸出無人機3的俯仰角與橫滾角；所述無人機北斗信號接收機1為北斗射頻接收機，包括無人機射頻前端電路9、導航解算系統(tǒng)10、無人機數(shù)傳模塊11；所述地面站包括地面站北斗信號接收機6，地面站北斗信號接收機6包括地面站射頻前端電路7、地面站數(shù)傳模塊8，無人機射頻前端電路9、地面站射頻前端電路7分別用于接收自身北斗載波相位數(shù)據(jù)，無人機數(shù)傳模塊11與地面站數(shù)傳模塊8無線通訊，所述的導航解算系統(tǒng)10采用載波相位差分技術-RTKLIB將無人機北斗信號接收機1、地面站北斗信號接收機6獲得的北斗載波相位數(shù)據(jù)進行差分處理，并與慣性測量裝置4檢測到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，獲得動態(tài)定位后計算無人機航向。

優(yōu)選地，所述的角速度傳感器采用型號為MPU6000的陀螺。

優(yōu)選地，所述的無人機北斗信號接收機1采用STM32F746作為主控芯片，M8T作為導航解算芯片，地面站北斗信號接收機6采用STM32F746作為主控芯片。

優(yōu)選地，所述的磁羅盤2的型號為HMC5983。

優(yōu)選地，所述無人機數(shù)傳模11塊采用CC1120無線收發(fā)芯片。

一種基于北斗差分定位的無人機航向測算系統(tǒng)的測算方法，包括如下步驟：

Step1、固定地面站位置，并安設地面站北斗信號接收機6，用于連續(xù)觀測全部可見衛(wèi)星，接收北斗載波相位數(shù)據(jù)，并利用地面站數(shù)傳模塊8將地面站實際基準位置數(shù)據(jù)和北斗載波相位數(shù)據(jù)傳到無人機數(shù)傳模塊11；

Step2、無人機數(shù)傳模塊11接收來自地面站的實際基準位置數(shù)據(jù)和北斗載波相位數(shù)據(jù)，并采集無人機自身北斗載波相位數(shù)據(jù)，采用載波相位差分技術-RTKLIB的軟件庫解算數(shù)據(jù)，得到當前狀態(tài)t1時刻相對于地面站解算后的精確位置；

Step3、當無人機運動到下一個運動狀態(tài)時，無人機系統(tǒng)內重復Step2，得到當前狀態(tài)t2時相對于地面站的精確位置；

Step4、利用無人機在t1時刻和t2時刻時的精確位置計算出無人機航向，t1時刻和t2時刻時的精確位置點的直線方向即為無人機航向，并校準由磁羅盤2數(shù)據(jù)計算出的航向。

本發(fā)明的有益效果是：應用載波相位差分技術（RTKLIB）得到無人機飛行狀態(tài)的精確位置，進而得到高速飛行時的無人機飛行航向，在磁羅盤受到干擾后依然能夠保證較低的航向誤差，保證了無人機的飛行安全。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明RTKLIB原理示意圖。

圖中各標號為：1-無人機北斗信號接收機，2-磁羅盤、3-無人機、4-慣性測量裝置、5-地面站、6-地面站北斗信號接收機、7-地面站射頻前端電路、8-地面站數(shù)傳模塊、9-無人機射頻前端電路、10-導航解算系統(tǒng)、11-無人機數(shù)傳模塊。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1：如圖1-2所示，一種基于北斗差分定位的無人機航向測算系統(tǒng)，包括無人機組和地面站，所述無人機組包括無人機3及與無人機連接的磁羅盤2、慣性測量裝置4、無人機北斗信號接收機1，所述磁羅盤2利用地磁場固有的指向性測量空間姿態(tài)角度，用于測量載體航向，所述慣性測量裝置4包括加速度傳感器、角速度傳感器，加速度傳感器用來測量無人機3相對于地垂線的加速度分量，角速度傳感器用來測量無人機3的角度信息，融合計算后輸出無人機3的俯仰角與橫滾角；所述無人機北斗信號接收機1為北斗射頻接收機，包括無人機射頻前端電路9、導航解算系統(tǒng)10、無人機數(shù)傳模塊11；所述地面站包括地面站北斗信號接收機6，地面站北斗信號接收機6包括地面站射頻前端電路7、地面站數(shù)傳模塊8，無人機射頻前端電路9、地面站射頻前端電路7分別用于接收自身北斗載波相位數(shù)據(jù)，無人機數(shù)傳模塊11與地面站數(shù)傳模塊8無線通訊，所述的導航解算系統(tǒng)10采用載波相位差分技術-RTKLIB將無人機北斗信號接收機1、地面站北斗信號接收機6獲得的北斗載波相位數(shù)據(jù)進行差分處理，并與慣性測量裝置4檢測到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，獲得動態(tài)定位后計算無人機航向。

進一步地，所述的角速度傳感器采用型號為MPU6000的陀螺。

進一步地，所述的無人機北斗信號接收機1采用STM32F746作為主控芯片，M8T作為導航解算芯片，地面站北斗信號接收機6采用STM32F746作為主控芯片。

進一步地，所述的磁羅盤2的型號為HMC5983。

進一步地，所述無人機數(shù)傳模塊11采用TI Chipcon的CC1120無線收發(fā)芯片設計，傳輸距離可達1000米。

一種基于北斗差分定位的無人機航向測算系統(tǒng)的測算方法，包括如下步驟：

Step1、固定地面站位置，并安設地面站北斗信號接收機6，用于連續(xù)觀測全部可見衛(wèi)星，接收北斗載波相位數(shù)據(jù)，并利用地面站數(shù)傳模塊8將地面站實際基準位置數(shù)據(jù)和北斗載波相位數(shù)據(jù)傳到無人機數(shù)傳模塊11；

Step2、無人機數(shù)傳模塊11接收來自地面站的實際基準位置數(shù)據(jù)和北斗載波相位數(shù)據(jù)，并采集無人機自身北斗載波相位數(shù)據(jù)，采用載波相位差分技術-RTKLIB的軟件庫解算數(shù)據(jù)，得到當前狀態(tài)t1時刻相對于地面站解算后的精確位置；

Step3、當無人機運動到下一個運動狀態(tài)時，無人機系統(tǒng)內重復Step2，得到當前狀態(tài)t2時相對于地面站的精確位置；

Step4、利用無人機在t1時刻和t2時刻時的精確位置計算出無人機航向，t1時刻和t2時刻時的精確位置點的直線方向即為無人機航向，并校準由磁羅盤2數(shù)據(jù)計算出的航向。

為了提高無人機航向的測量精度，采用載波相位差分技術（RTKLIB），是一種新的北斗高精度測量方法，以往的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK技術能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，由于采用了載波相位動態(tài)實時差分方法，是北斗應用的重大里程碑。采用載波相位差分技術（RTKLIB）能夠實時地提供無人機在指定坐標系中的三維定位結果并達到厘米級精度，即使在磁羅盤受到干擾無法精準獲得航向的情況下，依然可以實現(xiàn)無人機高精度的航向測算，為無人機的安全飛行提供保障。

所述RTKLIB差分算法采用日本東京海洋大學（Tokyo University of Marine Science and Technology）的RTKLIB開源軟件包；RTKLIB是全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS(global navigation satellite system)的標準&精密定位開源程序包，RTKLIB由日本東京海洋大學的高須知二（Tomoji Takasu）開發(fā)。RTKLIB由一個便攜式程序庫和多個AP（應用程序）工具庫組成。RTKLIB中應用的RTK算法是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分測量技術，是北斗測量技術與數(shù)據(jù)傳輸技術相結合而構成的組合系統(tǒng)。載波相位差分技術建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的，由基準站通過數(shù)據(jù)鏈實時將其載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶站，用戶站接收北斗衛(wèi)星的載波相位與來自基準站的載波相位，并組成相位差分觀測值進行實時處理，最終得到厘米級的定位結果。

本發(fā)明采用載波相位差分技術（RTKLIB）獲得差分定位數(shù)據(jù)與慣性測量裝置4的檢測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，其關鍵技術在于使用了北斗信號的載波相位觀測量，并利用了地面站和無人機3之間觀測誤差的空間相關性，通過差分的方式除去無人機端接收到觀測數(shù)據(jù)中的大部分誤差，并將差分后的位置信息與慣性測量裝置4獲得的位置信息進行融合，獲得高精度(厘米級)的動態(tài)定位后計算無人機3航向，實現(xiàn)高速飛行下的無人機航向測算。

舉例說明：如圖1所示，本發(fā)明包括無人機組和地面站；無人機組包括無人機3、磁羅盤2、慣性測量裝置4（IMU）、無人機北斗信號接收機1；慣性測量裝置4（IMU）利用三軸陀螺儀測量三軸角速度并積分出角度，采用加速度計測出的兩軸角度數(shù)據(jù)和陀螺儀數(shù)據(jù)融合獲得俯仰角和橫滾角，磁羅盤2利用地磁場固有的指向性測量空間姿態(tài)角度，測量載體航向，并融合陀螺儀測量的航向角進行融合。

選擇空曠地段安裝地面站，并記錄真實坐標位置信息；地面站北斗信號接收機6接收來自北斗導航衛(wèi)星的載波相位數(shù)據(jù)，將地面戰(zhàn)的真實坐標和接收到的載波相位數(shù)據(jù)通過地面站數(shù)傳模塊8發(fā)送到無人機數(shù)傳模塊11，無人機射頻前端電路9接受自身北斗導航衛(wèi)星信號，將北斗原始數(shù)據(jù)信號通過M8T傳輸給主控STM32F746，同時，主控接收來自地面數(shù)傳模塊8發(fā)來的地面站原始數(shù)據(jù)，利用RTKLIB對兩者的原始數(shù)據(jù)進行差分處理，得到較精確的無人機實時位置。

當磁羅盤2受到外界干擾時，無人機3依靠磁羅盤2和陀螺儀融合得到航向角已經(jīng)不準確。此時，無人機通過差分得到的實時位置與慣性測量裝置4檢測的數(shù)據(jù)融合后得到當前狀態(tài)的位置信息，并與上一狀態(tài)得到的位置信息進行對比，計算出無人機在此時的航向角，并利用計算出的航向角對磁羅盤2和陀螺儀得到的航向角進行矯正，獲得在磁羅盤受到干擾時的正確航向。

以上結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。