曹勇

摘要； 采用具有ARM9內(nèi)核的NXPIMX28實(shí)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)載高精度差分系統(tǒng)，通過Septentrio M2高精度定位定向板卡獲取高精度的無人機(jī)航向與定位數(shù)據(jù)，結(jié)合無人機(jī)機(jī)載攝像機(jī)與GNSS EVENT事件接口能夠獲取無人機(jī)拍照瞬時(shí)的位置信息，從而為后續(xù)無人機(jī)航測提供高精度定位數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于采用高精度定向板卡的RTK（實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位技術(shù)）功能為無人機(jī)提供高精度的定位數(shù)據(jù)，同時(shí)采用PPK（動(dòng)態(tài)測量后處理）技術(shù)結(jié)合GNSS板卡EVENT事件功能獲取拍照瞬間的位置信息，能夠有效的滿足市場無人機(jī)對(duì)高精度定位定向和高精度航測的需求。

【關(guān)鍵詞】定位定向 實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)技術(shù) 動(dòng)態(tài)測量后處理技術(shù) 無人機(jī)航測

隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，精確的位置信息變得越來越重要，能讓無人機(jī)實(shí)現(xiàn)真正的無人自動(dòng)飛行等智能應(yīng)用。因此，RTK（實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位技術(shù)）定位技術(shù)逐漸被應(yīng)用到無人機(jī)領(lǐng)域中。正是因?yàn)镽TK賦予了無人機(jī)實(shí)時(shí)獲取高精度空間位置信息的能力，無人機(jī)在未來的行業(yè)應(yīng)用中將更精準(zhǔn)的完成更復(fù)雜的任務(wù)。這也是區(qū)分航拍無人機(jī)與行業(yè)無人機(jī)的重要指標(biāo)之一。目前高質(zhì)量的RTK在小范圍或者開闊的區(qū)域，理想作業(yè)半徑可以達(dá)到lOkm，但在實(shí)際作業(yè)中，由于受到電臺(tái)功率及數(shù)據(jù)鏈傳輸質(zhì)量的影響，有效距離比標(biāo)稱的要小很多，所以在大范圍無人機(jī)航測工作中，RTK的優(yōu)勢就不太明顯，動(dòng)態(tài)測量數(shù)據(jù)后處理PPK技術(shù)（Post Processing Kinematic）因此應(yīng)運(yùn)而生。作為RTK技術(shù)的重要發(fā)展，PPK采用快速求整周模糊度的技術(shù)，利用2-5個(gè)歷元觀測值就可以得到厘米級(jí)的三維坐標(biāo)，不受通訊及地形的限制，且作業(yè)半徑可以達(dá)到60km以上。機(jī)載后差分系統(tǒng)配合無人機(jī)航姿系統(tǒng)和影像采集系統(tǒng)組成高精度無人機(jī)高精度航測系統(tǒng)，可以在極少的相控點(diǎn)情況下完成1：500比例尺的高精度航測任務(wù)，極大地提高無人機(jī)高精度航測的工作效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理

無人機(jī)機(jī)載后差分系統(tǒng)由ARM9硬件平臺(tái)、高精度GNSS板卡、電臺(tái)通信電路、以及數(shù)碼相機(jī)拍照同步電路等部分組成。系統(tǒng)的工作原理為：利用3星6頻GNSS板卡的高精度定位技術(shù)與Events Mark技術(shù)，結(jié)合航測相機(jī)的閃光燈信號(hào)特點(diǎn)獲取航測相機(jī)拍照瞬間對(duì)應(yīng)的高精度位置信息，即照片的位置信息，從而通過后處理技術(shù)獲取航空攝影測量厘米級(jí)精度。GNSS高精度板卡通過CORS網(wǎng)絡(luò)或電臺(tái)獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)源進(jìn)行差分為無人機(jī)提供厘米級(jí)高精度定位信息，同時(shí)板卡能提供高達(dá)100HZ原始數(shù)據(jù)供后處理軟件使用；航空相機(jī)拍照通過有線同步閃光燈可以實(shí)現(xiàn)與照片的微秒級(jí)高速同步，拍照瞬間閃光燈信號(hào)是一個(gè)1.8V的邊沿觸發(fā)上升沿信號(hào)，本系統(tǒng)采用的Septentrio板卡擁有Events Mark技術(shù)，板卡Events端口可以捕獲上升沿信號(hào)并結(jié)合定位衛(wèi)星時(shí)間提供觸發(fā)瞬間納秒級(jí)時(shí)間信息，通過閃光燈信號(hào)與板卡EVENT端口連接，拍照瞬間板卡就會(huì)輸出信號(hào)觸發(fā)的時(shí)間，即航空拍照相片的時(shí)間，閃光燈觸發(fā)的時(shí)間結(jié)合板卡的原始數(shù)據(jù)利用PPK動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)就可以解算出照片的成片瞬間的位置信息，為后續(xù)的航空攝影空三處理提供照片準(zhǔn)確的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)高精度的航測任務(wù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)

NXP（恩智浦）的ARM9 IM28系列高性能數(shù)字信號(hào)控制器被廣泛應(yīng)用于汽車電子，醫(yī)療器械，便攜式檢測儀表等領(lǐng)域。IMX28具有ARM9內(nèi)核，運(yùn)行頻率454MHz，128K字節(jié)的內(nèi)嵌SRAM和ROM，支持205MHz的DDR2外部內(nèi)存，可以外接大容量的MLCnand flash和TF卡，芯片擁有帶有PHY的USB2.0接口，可以外接GNSS板卡實(shí)現(xiàn)100HZ的原始數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)，配合良好的開發(fā)環(huán)境和最高可達(dá)85℃的運(yùn)行環(huán)境溫度，故本系統(tǒng)選擇IM28X作為主控器控制器芯片。在設(shè)計(jì)IM28X的最小系統(tǒng)時(shí)采用USB下載編程，通過MFG上位機(jī)軟件完成代碼的燒寫與更新。

2.2 拍照同步電路

拍照同步電路主要是信號(hào)電平轉(zhuǎn)換和降噪。本部分電路的設(shè)計(jì)本著小型化的原則，選用SN74LVC2G34和PI4ULS5V202芯片。PI4ULS5V202是是一款2位可配置的雙電源雙自適應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了閃光燈與板卡之間1.8V和3.3V的電平轉(zhuǎn)換，相機(jī)的閃光燈信號(hào)是1.8V，板卡Event接口輸入電壓需要3.3V，所以需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。SN74LVC2G34S是德州儀器的一款增強(qiáng)型雙路緩沖器邏芯片，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的降噪，芯片采用節(jié)省空間的8引腳SOIC封裝；功耗低，在輸入電壓3.3V下功耗典型值可低至69uW。此部分電路經(jīng)過室內(nèi)和機(jī)艙環(huán)境下長時(shí)間的測試，可以有效地去除噪聲，穩(wěn)定地接收閃光燈信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)給GNSS板卡識(shí)別和處理。具體電路如圖1。

相機(jī)閃光時(shí)間設(shè)為1/128閃光，所以脈沖的時(shí)間為

T= 1/34000秒

經(jīng)過校準(zhǔn)后此系統(tǒng)的曝光信號(hào)滿足相機(jī)設(shè)置精度。

2.3 GNSS板卡電路

GNSS板卡采用Septentrio的M2板卡，板卡支持GPS，BDS，GLONASS。三星的Ll，L2頻段，具有抗干擾電路，能有效屏蔽外界對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的干擾，板卡可以實(shí)現(xiàn)100Hz原始數(shù)據(jù)的采集和本地存儲(chǔ)，同時(shí)支持USB接口的數(shù)據(jù)收發(fā)。M2板卡被廣泛第應(yīng)用無人機(jī)航測系統(tǒng)和工程施工系統(tǒng)中，有著極強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定，有利地解決了無人機(jī)機(jī)載電磁復(fù)雜環(huán)境下的高精度定位問題，板卡的運(yùn)行問題在-20℃-85℃，保障了無人機(jī)正常環(huán)境的下運(yùn)行。GNSS板卡電路包含板卡的供電電路和接口輸入輸出電路，板卡供電電路需要提供3.3V的模塊電源和5.ov的外接天線電源，輸入和輸出接口電路包含USB接口以及板卡配置和輸出的串口電路，以及板卡復(fù)位接口。USB接口用于板卡原始數(shù)據(jù)和Event事件時(shí)間包數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)本地存儲(chǔ)和外部存儲(chǔ)雙存儲(chǔ)機(jī)制，保障數(shù)據(jù)的安全。

串口電路完成板卡的信息配置，板卡差分?jǐn)?shù)據(jù)的輸出，以及提供飛控系統(tǒng)差分后端定位數(shù)據(jù)，復(fù)位接口用于調(diào)試板卡時(shí)進(jìn)行帶電復(fù)位。

具體電路如圖2所示。

2.4 電臺(tái)通信模塊

無人機(jī)系統(tǒng)需要利用電臺(tái)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與地面站的實(shí)時(shí)通信，以及GNSS差分?jǐn)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，本系統(tǒng)采用的Microhard廠家生產(chǎn)的900MHZ的P900電臺(tái)。P900電臺(tái)擁有四級(jí)濾波高效抗干擾功能，空中速率達(dá)到276kbps，有效空中傳播距離高達(dá)60KM，被工業(yè)無人機(jī)行業(yè)廣泛使用。電臺(tái)通信電路包括數(shù)據(jù)收發(fā)串口和電源輸入，具體電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體軟件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)配置軟件和PPK后處理解算軟件?；贗MX28平臺(tái)基于LINUX開發(fā)系統(tǒng)的配置軟件，主要功能模塊：GNSS板卡初始化與配置，GNSS板卡數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)，電臺(tái)數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)，以及系統(tǒng)用戶交互模塊。具體系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示。

后處理軟件的工作步驟為，首先需要導(dǎo)入無人機(jī)板卡輸出的原始數(shù)據(jù)包，Event事件時(shí)間包與姿態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，以及地面靜態(tài)接收機(jī)同步記錄的原始數(shù)據(jù)，軟件完成導(dǎo)入數(shù)據(jù)的校驗(yàn)后輸出初步的航跡航點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后客戶輸入無人機(jī)的機(jī)體和天線的位置偏差信息以及相機(jī)的基本延時(shí)屬性后進(jìn)行三星聯(lián)合PPK后處理差分解算，結(jié)算出板卡原始數(shù)據(jù)歷元對(duì)應(yīng)的固定解坐標(biāo)值，最后利用內(nèi)插法解算出拍照時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置信息和姿態(tài)信息，并數(shù)據(jù)兼容常用空三軟件的數(shù)據(jù)報(bào)告。

三星聯(lián)合PPK后處理差分解算模塊是軟件系統(tǒng)的核心。后處理模塊采取模塊化設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)解算、自動(dòng)優(yōu)化、成果輸出等部分，由于軟件要求解算所有歷元解，所以軟件采取動(dòng)態(tài)相對(duì)定位解算來滿足要求。模型解算采取Kahnan濾波（軟件具體采用了擴(kuò)展Kalman濾波，即EKF）方法，逐歷元進(jìn)行解算。對(duì)于動(dòng)態(tài)相對(duì)定位模型解算，采用“單差模糊度估計(jì)”與“雙差模糊度固定”相結(jié)合的方式進(jìn)行解算，即：首先構(gòu)建基于單差模糊度參數(shù)估計(jì)的觀測模型，并采用Kalman濾波進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，得到一組單差模糊度，再選擇參考衛(wèi)星，通過投影變換得到相應(yīng)的雙差模糊度，再利用LAMBDA算法進(jìn)行模糊度固定。進(jìn)行模糊度固定，采用基于協(xié)因數(shù)陣的部分模糊度固定策略：

首先同樣對(duì)全部模糊度進(jìn)行LAMBDA固定，若不通過Ratio～F（n，n）檢驗(yàn)，則禁用協(xié)因數(shù)陣對(duì)角線元素最大的衛(wèi)星，重新進(jìn)行解算，并以此進(jìn)行迭代，直到通過Ratio～F（n，n）檢驗(yàn)；若可用衛(wèi)星少于5顆時(shí)，則認(rèn)為固定失敗。

本系統(tǒng)通過后PPK處理軟件解算固定率99%以上，滿足本系統(tǒng)需求精度。

4 結(jié)語

本課題介紹了基于ARM9實(shí)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)載差分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)基于相機(jī)的閃光燈高速同步信號(hào)和板卡的Event Mark功能，利用PPK后處理差分技術(shù)完成無人機(jī)機(jī)載差分系統(tǒng)的硬件電路和安全性設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)解算過程中，通過使用PPK動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，解決了無人機(jī)對(duì)高精度定位信息的實(shí)時(shí)需求，同時(shí)也解決無人機(jī)航測系統(tǒng)相片與高精度位置信息的同步問題，為無人機(jī)高精度航測應(yīng)用提供技術(shù)保障。

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