基于无人机飞行的北斗/GPS多模导航性能测试及对比

● 文 |张一钱闯,2刘晖,2李铁帅

1．武汉导航与位置服务工业技术研究院有限责任公司 2．武汉大学3．中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心

基于无人机飞行的北斗/GPS多模导航性能测试及对比

● 文 |张一1钱闯1,2刘晖1,2李铁帅3

1．武汉导航与位置服务工业技术研究院有限责任公司 2．武汉大学3．中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心

本文主要对于搭载到无人机上的北斗(BDS)/GPS多模导航设备进行试验和数据分析。分析采用对于存储的观测数据进行后处理和实时RTK的方法两种方式，对于BDS精度和GPS精度进行了对比分析，对于后处理算法和实时RTK算法精度也进行了对比。

卫星导航；BDS；后处理；RTK

一、引言

本文介绍一种在无人机上搭载北斗/GPS卫星导航定位系统，提供机载北斗/GPS双模差分设备及北斗高精度定位后处理，并进行试飞搭载试验，和地面差分站进行实时差分定位和后处理，以验证无人机搭载情况下的北斗高精度差分定位精度情况，判断能否准确测量无人机起飞、降落和整个飞行过程的经纬度。

二、北斗无人机高精度定位试验系统组成及介绍

1. 系统组成

北斗/GPS双模差分设备硬件由差分基准站、移动站（机载设备）和一套事后处理软件组成，如图1所示。其中基准站和移动站由同样的设备通过不同的软件配置完成。

2. 基准站接收机

根据北斗/GPS双模差分设备工作特点及功能要求，基准站由GNSS接收机、数传电台、中心控制模块、数据存储模块、接口控制模块、GNSS天线、电台天线、高能锂电池及DC/DC电源等功能模块组成。基准站系统整体设计图如图2所示。

3. 事后处理软件

根据北斗/GPS双模差分设备事后处理软件所需的功能以及各功能在事后数据处理不同阶段所起的作用，事后处理软件由数据加载模块、数据转换模块、参数配置模块、数据处理模块、坐标转换模块、数据输出模块等功能模块组成。事后处理软件整体设计如图3所示。

事后数据处理软件可以处理GPS双频原始观测数据，其核心模块是载波相位动态卡尔曼滤波器，该滤波器处理速度快、性能稳定可靠，具有可靠的动态模糊度解算；支持完整的双频数据处理。事后数据处理软件有两种电离层模型处理数据，即无电离层影响模型和相对模型，对于航空应用来说，如果初始化时基站距离很近，相对电离层模型非常有用。同时，设计时采用向前处理和向后处理：它能够按向前处理和向后处理两个方向处理数据，能组合这两种解或选择其中的一个解。速度解算方面，滤波器中包括L1多普勒测量选项，因此，它的速度处理精度很高并且能够处理高动态的数据。

三、实验过程及结果

1. 实验过程

将北斗/GPS多模导航系统搭载在无人机上，实时进行星地差分和原始数据记录，以便于进行后处理分析。

使用飞机机型是中国商飞北研中心灵雀项目的自研飞机，飞机命名为灵雀一号。试验地点为郑州上街区通航机场，地形平坦，视野开阔。气象条件为微风，多云。

实验设备照片见图4（1）（2）。其飞行轨迹见图5（1）（2）。

2. 实验结果

为了验证事后解算的可靠性，后面对事后3种解算方法之间进行了对比，分析事后解算精度。图6为BDS系统与双系统固定解结果的比较，其中水平方向大于3cm或高程方向大于5cm的比例为4.2%。图7为GPS系统和双系统固定解结果的比较，其中水平方向大于3cm或高程方向大于5cm的比例为6.2%。由以上比较可知，在绝大部分历元，事后解算的精度是可靠的，固定解精度在厘米量级，而实时结果精度在分米量级。

为了对比实时解算和事后解算结果，将事后单GPS系统的固定解部分与实时结果进行了对比，画出实时与后处理对比结果见图8。从图中可以看出，定位精度在分米量级。而后处理结果在厘米量级。

四、结论

本文采用的北斗/GPS多模导航设备在飞行时段，解算全部固定，精度较好，较好地达到了实验效果。分别使用了后处理算法和实时RTK方法进行了对比，处理结果表明，后处理算法效果较好，实时结果精度在分米级，事后处理精度在厘米量级。而且计算的单北斗系统精度优于GPS。该设备和算法完全可以满足测量该无人机起飞、降落和整个飞行过程的要求。

[1]李亚军，谢云开，徐晓晗. 基于北斗+GPS+GSM的远程目标无线监控系统[J].科学技术与工程.2012(14).

[2]沈鹏，徐景硕，张建忠.北斗导航系统及其在无人机上的应用[J].航空电子技术.2007(02).

[3]程鹏飞，李玮，秘金钟. 北斗导航卫星系统测距信号的精度分析[J].测绘学报.2012(05).

[4]高星伟，过静珺，程鹏飞. 基于时空系统统一的北斗与GPS融合定位[J].测绘学报. 2012(05).