高精度差分導航的研究和在無人機上的應用

徐越

摘 要：在無人機導航系統中，一套載波相位差分的建立，可以通過修改開源軟件以及數據移植完成。本文針對高精度差分導航的研究和在無人機上的應用研究，將從高精度差分導航概述入手，結合改善定位精度的技術方法，對高精度無人機系統的搭建過程進行論述。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導航系統提供參考性建議。

關鍵詞：全球定位系統 載波相位差分 高精度飛行 無人機

中圖分類號：V47 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0015-02

要實現無人機的高精度飛行，需要在嵌入式平臺當中，搭建起流動站系統及高精度差分基準站系統。然后，再將差分軟件嵌入到無人機對應的軟件當中。在符合無人機系統運行環境中，對其飛行精度進行實際測試。事實證明，高精度差分系統能夠實現無人機的高精度飛行中發揮顯著優勢。因此，加強高精度差分導航的研究和在無人機上的應用研究具有重要意義。

1 高精度差分導航系統概述

高精度差分導航系統，能夠對運動載體的航跡進行精確測量。該系統主要由兩部分組成，即基準站與流動站。其中，基準站的功能是播發高精度的導航差分改正信息，對CMR、RTCA、RTCM等多種產分協議進行支持。流動站則是對不同的差分改正信息進行支持和接收，并結合系統需要，對差分模式進行設置[1]。無論是基準站，還是流動站都具有一定的自主診斷功能。在無人機開始工作之前，系統的這兩個部分能夠通過對專門的診斷軟件，對其診斷端口進行連接，并對當前工作狀態進行報告，為飛行系統的維護提供科學依據。流動站的設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環境溫度要求。

另外，高精度差分導航系統支持兩種工作模式，即正向差分與逆向差分。系統在對實時差分進行更改時，仍然保存這對原始數據的存儲。其最大容量可以達到2個GB，并可以支持CF類型數據存儲。原始數據經過軟件處理之后，可以獲取更高精度標準位置和速度，并對整個系統進行事后分析[2]。整個系統的實時數據在更新率方面可以達到100Hz，采用了高動態的導航芯片組，可以滿足無人機運用工作范圍。

2 改善定位精度的技術方法

改善定位精度的技術方法有很多，比如使用差分定位方法、使用精密單點定位、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用到無人機領域。在無人機平臺中，其應用場合具有特殊性。對于普通的航拍航測無人機而言，其載重量只有不到10kg，因此應當考慮高精度測量板卡的重量性質。從經濟角度看，若是采用價格較高的測量板卡，具有不必要性，采用笨重的測量板卡也無法滿足無人機航拍要求。因此，根據目前的專業級測量板卡類型，可以選用NOVATELO EM6系列，其定位精度可設置在0.75m，此精度范圍完全符合無人機平臺要求[3]。

另外，精密單點定位方法，是借助了地面跟蹤站的測量數據，采用雙頻率接收機，對衛星鐘差進行計算，以此消除電離層的影響。然后，結合觀測相位數值進行精確定位。差分定位，是動態載波相位差分定位技術的一種，是充分利用了流動與基準站特性，消除存在的誤差。在求解出載波相位的模糊度后，達到高精度相對定位的，在距離小于40km情況下，可以做到的定位精度為20cm。而且，本項目具有自主研發特性，其基準站系統符合無人機平臺要求，即使在野外快速架設情況進行使用時，無人機系統也通過了高精度定位測試，并證明其具有可靠性[4]。

3 高精度無人機系統的搭建

3.1 高精度無人機基準站的搭建及性能測試

在實現差分導航系統的搭建中，基準站系統是一項重要前提，具有測試衛星信號，發送校驗信息的作用。在發送差分信息的平臺中，應用最多的基準站平臺類型NOVA-TEL OEM系列。但是，這種型號在價格上較為昂貴。因此，可以采用自主研發類型的基準站系統進行替代，在功能上同樣可以滿足要求。另外，無人機系統對自主研發的基準站具有野外便攜使用的要求。在對便攜基準站系統與諾瓦泰板卡進行對比測試中，使用了不同差分數據格式。其中，廉價的基準站系統在進行載波相位差分定位時，其功能上與專業的板卡最為相似。而使用RTCM3差分電文系統出現的轉換延遲的現象，這種延遲方面的誤差，會大大降低測量精度。因此，其差分格式根據原始數據進行測試。

3.2 高精度無人機平臺的設計

在無人機平臺的設計當中，主要包括硬件與軟件設計兩部分。其中，硬件設計中涉及到的內容主要包括處理器單元的設計、傳感器的設計等。在系統通用性性質的考慮下，無人機的處理器單元采用的平臺，是實時LINUX系統基礎上的嵌入式平臺，屬于樹莓派式平臺。在軟件設計中，涉及到的內容為開源APM無人機軟件與RTKILIB軟件。除此之外，軟件設計中的另外一個重要部分，就是無人機軟件與RTKILIB軟件之間的信息互通設計。為了軟件之間不會發生耦合等現象，需要在進程及通信中，使用統一的網絡協議。另外，無人機的主控硬件，與基站硬件設計在很大程度上具有相似性，在使用標準的NMEA協議下，導航數據可以被交換，再加上系統硬件間的相似設計，可以有效降低設計成本，實現一套硬件設備的兩方面使用。在基站被使用的過程中，無人機的傳感器也可以視情況而去除。

3.3 高精度無人機平臺的野外測試

無人機的作業范圍，一般在人們可視的范圍內，這同時也是短基線進行測試的范圍。首先，無人機系統在靜止的狀態時，可以選擇不同場景進行分析。野外測試的過程中，要將天線的抗多徑能力考慮在內。若系統抗多徑能力較弱，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行。若天線具備克服多經影響的功能，就可以完整整數模糊求解，但與此同時，差分鎖定的同時也會帶來系統誤差。另外，在多徑干擾少的情況下，比如地點較為空曠，此時使用廉價流動站或基站，就可以得到良好的效果。因此，無人機并不適合在城市等多徑嚴重的地區進行作業，比較適合在空曠野外作業，其定位精度也更為準確。

4 結語

為了搭建起高精度差分基準站系統與流動站系統，本文將高精度差分導航的研究和在無人機上的應用作為主要研究內容，在對高精度差分導航概述進行分析的基礎上，從高精度無人機基準站的搭建及性能測試、高精度無人機平臺的設計、高精度無人機平臺的野外測試等系統搭建流程方面進行了系統探究。研究結果表明，現階段，我國改善定位精度的技術方法有很多，比如使用精密單點定位、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的精度定位應用中。因此，在未來，還需進一步加強對高精度差分導航的研究和在無人機上的應用研究，使高精度差分系統在無人機領域發展優勢。

參考文獻

[1] 王立兵，高宏，任曦明，等.基于北斗衛星導航系統的高精度差分信息生成方法：CN104407368A[P].2015.

[2] 劉宏，萬立健，陸亞英.基于北斗衛星導航系統的遠距離海洋工程高精度定位技術[J].測繪通報，2017，19（5）：62-66.

[3] 高銘陽.基于GBAS的高精度進近著陸組合導航方法研究[D].哈爾濱工業大學，2015.

[4] 石穎，王衛星，陸健強，等.基于CORS技術的農業機械差分定位系統設計[J].農機化研究，2017，35（6）：120-123.