徐越

摘 要：在無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中，一套載波相位差分的建立，可以通過修改開源軟件以及數(shù)據(jù)移植完成。本文針對(duì)高精度差分導(dǎo)航的研究和在無人機(jī)上的應(yīng)用研究，將從高精度差分導(dǎo)航概述入手，結(jié)合改善定位精度的技術(shù)方法，對(duì)高精度無人機(jī)系統(tǒng)的搭建過程進(jìn)行論述。希望本文的研究，能為建立一套基于載波相位差分的高精度無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)提供參考性建議。

關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng) 載波相位差分 高精度飛行 無人機(jī)

中圖分類號(hào)：V47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（c）-0015-02

要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的高精度飛行，需要在嵌入式平臺(tái)當(dāng)中，搭建起流動(dòng)站系統(tǒng)及高精度差分基準(zhǔn)站系統(tǒng)。然后，再將差分軟件嵌入到無人機(jī)對(duì)應(yīng)的軟件當(dāng)中。在符合無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中，對(duì)其飛行精度進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。事實(shí)證明，高精度差分系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)的高精度飛行中發(fā)揮顯著優(yōu)勢(shì)。因此，加強(qiáng)高精度差分導(dǎo)航的研究和在無人機(jī)上的應(yīng)用研究具有重要意義。

1 高精度差分導(dǎo)航系統(tǒng)概述

高精度差分導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?qū)\(yùn)動(dòng)載體的航跡進(jìn)行精確測(cè)量。該系統(tǒng)主要由兩部分組成，即基準(zhǔn)站與流動(dòng)站。其中，基準(zhǔn)站的功能是播發(fā)高精度的導(dǎo)航差分改正信息，對(duì)CMR、RTCA、RTCM等多種產(chǎn)分協(xié)議進(jìn)行支持。流動(dòng)站則是對(duì)不同的差分改正信息進(jìn)行支持和接收，并結(jié)合系統(tǒng)需要，對(duì)差分模式進(jìn)行設(shè)置[1]。無論是基準(zhǔn)站，還是流動(dòng)站都具有一定的自主診斷功能。在無人機(jī)開始工作之前，系統(tǒng)的這兩個(gè)部分能夠通過對(duì)專門的診斷軟件，對(duì)其診斷端口進(jìn)行連接，并對(duì)當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行報(bào)告，為飛行系統(tǒng)的維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。流動(dòng)站的設(shè)備需要采取特殊材料，保證工作溫度變化的情況下，仍然能夠滿足無人機(jī)環(huán)境溫度要求。

另外，高精度差分導(dǎo)航系統(tǒng)支持兩種工作模式，即正向差分與逆向差分。系統(tǒng)在對(duì)實(shí)時(shí)差分進(jìn)行更改時(shí)，仍然保存這對(duì)原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。其最大容量可以達(dá)到2個(gè)GB，并可以支持CF類型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理之后，可以獲取更高精度標(biāo)準(zhǔn)位置和速度，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行事后分析[2]。整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在更新率方面可以達(dá)到100Hz，采用了高動(dòng)態(tài)的導(dǎo)航芯片組，可以滿足無人機(jī)運(yùn)用工作范圍。

2 改善定位精度的技術(shù)方法

改善定位精度的技術(shù)方法有很多，比如使用差分定位方法、使用精密單點(diǎn)定位、電離層影響消除方法、多徑影響消除方法、多星座與多頻率高精度板方法等，但是，這些方法不是每一種都能夠應(yīng)用到無人機(jī)領(lǐng)域。在無人機(jī)平臺(tái)中，其應(yīng)用場(chǎng)合具有特殊性。對(duì)于普通的航拍航測(cè)無人機(jī)而言，其載重量只有不到10kg，因此應(yīng)當(dāng)考慮高精度測(cè)量板卡的重量性質(zhì)。從經(jīng)濟(jì)角度看，若是采用價(jià)格較高的測(cè)量板卡，具有不必要性，采用笨重的測(cè)量板卡也無法滿足無人機(jī)航拍要求。因此，根據(jù)目前的專業(yè)級(jí)測(cè)量板卡類型，可以選用NOVATELO EM6系列，其定位精度可設(shè)置在0.75m，此精度范圍完全符合無人機(jī)平臺(tái)要求[3]。

另外，精密單點(diǎn)定位方法，是借助了地面跟蹤站的測(cè)量數(shù)據(jù)，采用雙頻率接收機(jī)，對(duì)衛(wèi)星鐘差進(jìn)行計(jì)算，以此消除電離層的影響。然后，結(jié)合觀測(cè)相位數(shù)值進(jìn)行精確定位。差分定位，是動(dòng)態(tài)載波相位差分定位技術(shù)的一種，是充分利用了流動(dòng)與基準(zhǔn)站特性，消除存在的誤差。在求解出載波相位的模糊度后，達(dá)到高精度相對(duì)定位的，在距離小于40km情況下，可以做到的定位精度為20cm。而且，本項(xiàng)目具有自主研發(fā)特性，其基準(zhǔn)站系統(tǒng)符合無人機(jī)平臺(tái)要求，即使在野外快速架設(shè)情況進(jìn)行使用時(shí)，無人機(jī)系統(tǒng)也通過了高精度定位測(cè)試，并證明其具有可靠性[4]。

3 高精度無人機(jī)系統(tǒng)的搭建

3.1 高精度無人機(jī)基準(zhǔn)站的搭建及性能測(cè)試

在實(shí)現(xiàn)差分導(dǎo)航系統(tǒng)的搭建中，基準(zhǔn)站系統(tǒng)是一項(xiàng)重要前提，具有測(cè)試衛(wèi)星信號(hào)，發(fā)送校驗(yàn)信息的作用。在發(fā)送差分信息的平臺(tái)中，應(yīng)用最多的基準(zhǔn)站平臺(tái)類型NOVA-TEL OEM系列。但是，這種型號(hào)在價(jià)格上較為昂貴。因此，可以采用自主研發(fā)類型的基準(zhǔn)站系統(tǒng)進(jìn)行替代，在功能上同樣可以滿足要求。另外，無人機(jī)系統(tǒng)對(duì)自主研發(fā)的基準(zhǔn)站具有野外便攜使用的要求。在對(duì)便攜基準(zhǔn)站系統(tǒng)與諾瓦泰板卡進(jìn)行對(duì)比測(cè)試中，使用了不同差分?jǐn)?shù)據(jù)格式。其中，廉價(jià)的基準(zhǔn)站系統(tǒng)在進(jìn)行載波相位差分定位時(shí)，其功能上與專業(yè)的板卡最為相似。而使用RTCM3差分電文系統(tǒng)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)換延遲的現(xiàn)象，這種延遲方面的誤差，會(huì)大大降低測(cè)量精度。因此，其差分格式根據(jù)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。

3.2 高精度無人機(jī)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

在無人機(jī)平臺(tái)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要包括硬件與軟件設(shè)計(jì)兩部分。其中，硬件設(shè)計(jì)中涉及到的內(nèi)容主要包括處理器單元的設(shè)計(jì)、傳感器的設(shè)計(jì)等。在系統(tǒng)通用性性質(zhì)的考慮下，無人機(jī)的處理器單元采用的平臺(tái)，是實(shí)時(shí)LINUX系統(tǒng)基礎(chǔ)上的嵌入式平臺(tái)，屬于樹莓派式平臺(tái)。在軟件設(shè)計(jì)中，涉及到的內(nèi)容為開源APM無人機(jī)軟件與RTKILIB軟件。除此之外，軟件設(shè)計(jì)中的另外一個(gè)重要部分，就是無人機(jī)軟件與RTKILIB軟件之間的信息互通設(shè)計(jì)。為了軟件之間不會(huì)發(fā)生耦合等現(xiàn)象，需要在進(jìn)程及通信中，使用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。另外，無人機(jī)的主控硬件，與基站硬件設(shè)計(jì)在很大程度上具有相似性，在使用標(biāo)準(zhǔn)的NMEA協(xié)議下，導(dǎo)航數(shù)據(jù)可以被交換，再加上系統(tǒng)硬件間的相似設(shè)計(jì)，可以有效降低設(shè)計(jì)成本，實(shí)現(xiàn)一套硬件設(shè)備的兩方面使用。在基站被使用的過程中，無人機(jī)的傳感器也可以視情況而去除。

3.3 高精度無人機(jī)平臺(tái)的野外測(cè)試

無人機(jī)的作業(yè)范圍，一般在人們可視的范圍內(nèi)，這同時(shí)也是短基線進(jìn)行測(cè)試的范圍。首先，無人機(jī)系統(tǒng)在靜止的狀態(tài)時(shí)，可以選擇不同場(chǎng)景進(jìn)行分析。野外測(cè)試的過程中，要將天線的抗多徑能力考慮在內(nèi)。若系統(tǒng)抗多徑能力較弱，就是給差分鎖定功能造成影響，使載波相位的模糊度求解無法進(jìn)行。若天線具備克服多經(jīng)影響的功能，就可以完整整數(shù)模糊求解，但與此同時(shí)，差分鎖定的同時(shí)也會(huì)帶來系統(tǒng)誤差。另外，在多徑干擾少的情況下，比如地點(diǎn)較為空曠，此時(shí)使用廉價(jià)流動(dòng)站或基站，就可以得到良好的效果。因此，無人機(jī)并不適合在城市等多徑嚴(yán)重的地區(qū)進(jìn)行作業(yè)，比較適合在空曠野外作業(yè)，其定位精度也更為準(zhǔn)確。

4 結(jié)語

為了搭建起高精度差分基準(zhǔn)站系統(tǒng)與流動(dòng)站系統(tǒng)，本文將高精度差分導(dǎo)航的研究和在無人機(jī)上的應(yīng)用作為主要研究?jī)?nèi)容，在對(duì)高精度差分導(dǎo)航概述進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，從高精度無人機(jī)基準(zhǔn)站的搭建及性能測(cè)試、高精度無人機(jī)平臺(tái)的設(shè)計(jì)、高精度無人機(jī)平臺(tái)的野外測(cè)試等系統(tǒng)搭建流程方面進(jìn)行了系統(tǒng)探究。研究結(jié)果表明，現(xiàn)階段，我國改善定位精度的技術(shù)方法有很多，比如使用精密單點(diǎn)定位、電離層影響。多頻率高精度板卡等方法，但是并不是每種方法都適用于無人機(jī)的精度定位應(yīng)用中。因此，在未來，還需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)高精度差分導(dǎo)航的研究和在無人機(jī)上的應(yīng)用研究，使高精度差分系統(tǒng)在無人機(jī)領(lǐng)域發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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