基于高精度差分定位的無人機(jī)系統(tǒng)研究

李庭威 王峰 黃祖德 夏佩 龍保任

摘要：RTK實時動態(tài)差分技術(shù)采用了載波相位動態(tài)實時差分方法，基于實時處理兩個觀測站點的載波相位，能夠?qū)崟r監(jiān)測出觀測點的三維坐標(biāo)，可以做到厘米級別的高精度。設(shè)計基于RTK技術(shù)的基站，將RTK技術(shù)與無人機(jī)相結(jié)合，可以實現(xiàn)無人機(jī)的高精度飛行。

關(guān)鍵詞：載波相位差分技術(shù)；基站；python服務(wù)器；無人機(jī)；飛控

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）07-0258-03

Abstract：Based on the real-time processing of the carrier phase of two stations， real - time kinematic technology can provide the three-dimensional coordinates of the observation point in real time and reach the centimeter level of high precision. Based on the RTK technology design of the base station， the RTK technology and unmanned aerial vehicles combine to achieve high-precision UAV flight.

Key words： Real Time Kinematic；Base station；python server；UAV；flight control

1 引言

GPS（Global Position System）全球定位系統(tǒng)具有全球范圍覆蓋、全天候、高精度的特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界的各行各業(yè)。在GPS差分系統(tǒng)中，將GPS信號接收機(jī)安裝在已知坐標(biāo)位置點上，并作為基準(zhǔn)站接收機(jī)，基準(zhǔn)站接收機(jī)接收到GPS衛(wèi)星信號后，計算出差分矯正量，并將此差分矯正量發(fā)送給在此基準(zhǔn)站服務(wù)范圍內(nèi)的用戶（也叫作流動站）接收機(jī)，提高用戶接收機(jī)的定位精度。根據(jù)差分方式的不同，差分GPS可以分為基于位置的差分、基于偽距的差分、載波相位經(jīng)過平滑后的偽距差分和基于載波相位的差分四種。基于載波相位的差分系統(tǒng)往往能夠達(dá)到最高的定位精度，最高能達(dá)到毫米級，可以用來實現(xiàn)精密定位。無人機(jī)（UAV）是利用無線設(shè)備以及自帶的程序進(jìn)行控制操縱的不載人的飛機(jī)。在危險環(huán)境中或者執(zhí)行危險任務(wù)時，相較于載人飛機(jī)，無人機(jī)優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的無人機(jī)使用GPS單點定位，定位精度在10m左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高精度作業(yè)的精度要求。而將載波相位差分技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)上，則可以提高無人機(jī)的定位精度，對于無人機(jī)在旅游、導(dǎo)航、比賽、表演方面有很大的現(xiàn)實意義。

2 載波相位差分技術(shù)

GPS接收機(jī)如要實現(xiàn)定位，必須要解決兩個問題：一是要獲得可見衛(wèi)星在空間坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確位置，二是要測得各顆可見衛(wèi)星到接收機(jī)的距離。由于在傳播過程中，電磁波會受到電離層、大氣層的干擾，所以這個距離會和真實的距離有些偏差，稱為偽距。GPS信號中含有各種定位信息，不同類型的接收機(jī)提供的觀測量會有所不同，載波相位測量是其中的一個基本觀測量。

載波相位差分定位技術(shù)首先需要在基準(zhǔn)站上安裝一臺GPS信號接收機(jī)，對衛(wèi)星進(jìn)行持續(xù)不斷的觀測，并使用無線電實時地將觀測得到的數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站的位置坐標(biāo)信息發(fā)送給流動站；流動站一邊接收衛(wèi)星信號，一邊通過無線電接收基準(zhǔn)站的信息，根據(jù)載波相位差分相對定位原理實時處理數(shù)據(jù)，并以厘米級別的精度計算出流動站的三維坐標(biāo)。載波相位差可以分有單差、雙差以及三差三種模型。這里介紹常用的單差和雙差模型。

3 搭建基站和無人機(jī)平臺

3.1 搭建基準(zhǔn)站服務(wù)器

基站部分主要由GPS模塊、中央處理單元、電源和天線等組成。傳統(tǒng)的諾瓦泰基站性能好，但價格昂貴，且重量較大，移動不方便，所以本項目的GPS模塊部分選用ublox導(dǎo)航芯片。u-blox芯片是瑞士U- blox公司研發(fā)的一款芯片，體積小，功耗低，性能出色。穩(wěn)定的電源是系統(tǒng)能夠正常工作的前提，電源設(shè)計應(yīng)考慮功率、抗干擾性能、電平等基本問題。選用AMS1117三端穩(wěn)壓電源，其芯片內(nèi)部具有過熱保護(hù)和限流電路，保證了芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定。天線部分選用右旋極化陶瓷介質(zhì)天線，主要組成比分還有低噪聲信號模塊、接頭、線纜。這種天線的信號接收能力取決于陶瓷的分配，低噪聲信號模塊也叫LNA，能夠?qū)⑿盘栠M(jìn)行放大并同時進(jìn)行濾波處理。

Python是一門面向?qū)ο蟮闹弊g式的程序語言。它擁有了一組功能強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)庫，能夠輕松完成許多常規(guī)的任務(wù)。Twisted是用Python實現(xiàn)的基于事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)引擎框架。在基于樹莓派的Linux系統(tǒng)上，選用python Twisted框架，能快速搭建支持多進(jìn)程并發(fā)的差分服務(wù)器。

3.2 搭建無人機(jī)平臺

無人機(jī)設(shè)計可以分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。硬件板卡設(shè)計主要是采用樹莓派linux平臺做底板，重復(fù)利用設(shè)計好的ublox模塊作為GPS，再加上氣壓計、加速度計傳感器等設(shè)計頂板，底板加頂板組成飛控板。飛行控制器采用STM32為中央處理器，主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、姿態(tài)解算、組合導(dǎo)航、實驗數(shù)據(jù)傳輸、控制量輸出等功能。慣性測量單元采用MPU9250芯片，MPU9250芯片是一個9軸姿態(tài)傳感芯片，其中包含了3軸加速度傳感器、3軸角速度傳感器以及3軸磁力計。無人計選用最常見的四旋翼飛行器。飛行器機(jī)體的前后、左右四個方向是飛行器的四個旋翼，這四個旋翼位于同一水平高度上，而且四個旋翼的大小和設(shè)計都一樣，飛行器的支架端安裝著動力裝置——四個電機(jī)，支架的中間部分安裝著飛行控制計算機(jī)樹莓派，實物圖如圖3。

RTKLIB是日本東京海洋大學(xué)（Tokyo University of Marine Science and Technology）開發(fā)的開源程序包，供標(biāo)準(zhǔn)的GNSS全球?qū)Ш较到y(tǒng)使用。在基于樹莓派的Linux系統(tǒng)上下載安裝RTKLIB，，編譯運行后可以實時得到基站或流動站的經(jīng)緯高坐標(biāo)。通過編寫socket套接字，讓定位的rtklib軟件與無人機(jī)軟件實現(xiàn)進(jìn)程間通信，這樣就可以在無人機(jī)上得到位置信息。

圖4是基站服務(wù)器系統(tǒng)與無人機(jī)差分系統(tǒng)結(jié)合的基本框架。基準(zhǔn)站系統(tǒng)對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并通過4G模塊實時地將觀測得到的數(shù)據(jù)和基站坐標(biāo)信息發(fā)送給無人機(jī)差分系統(tǒng)；無人機(jī)差分系統(tǒng)一邊接收衛(wèi)星信號，一邊通過4G接收模塊接收基準(zhǔn)站信息，根據(jù)載波相位差分相對定位原理實時處理數(shù)據(jù)并以厘米級的精度計算出無人機(jī)的三維坐標(biāo)，根據(jù)Mavlink無人機(jī)控制協(xié)議通過數(shù)傳電臺將坐標(biāo)傳給地面站，并實時顯示在電腦上。

圖5左邊部分是單點定位的精度效果，右邊部分是使用基站后差分定位的精度效果。可以看到，在未使用差分技術(shù)前，在不同時刻定位出來的點比較分散，離實際位置較遠(yuǎn)。圖中一格代表2米，單點定位精度大概在10米左右。使用載波相位差分技術(shù)后，不同時刻的定位結(jié)果非常集中，都在離實際位置非常近的地方，定位精度達(dá)到分米級。

在無人機(jī)起飛前，還需要在電腦上安裝Mission Planner軟件。Mission Planner是無人機(jī)地面控制站軟件，適用于固定翼，旋翼機(jī)和地面車，僅僅在windows系統(tǒng)下工作。Mission Planner可給無人機(jī)提供配置工具或動力學(xué)控制，完成遙控校準(zhǔn)、加速度校準(zhǔn)和羅盤校準(zhǔn)。在完成各類參數(shù)的設(shè)定后，組裝飛機(jī)，完成各類安全檢查后試飛。

4 結(jié)束語

本論文分析了載波相位差分技術(shù)，設(shè)計了基于ublox的基準(zhǔn)站，并重復(fù)利用該基站搭建無人機(jī)平臺。此外，還設(shè)計了無人機(jī)硬件，使用APM飛控軟件，調(diào)節(jié)PID參數(shù)。將載波相位差分技術(shù)與無人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，具有較大的現(xiàn)實意義。

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