高精度差分导航的研究和在无人机上的应用

徐越

摘 要：在无人机导航系统中，一套载波相位差分的建立，可以通过修改开源软件以及数据移植完成。本文针对高精度差分导航的研究和在无人机上的应用研究，将从高精度差分导航概述入手，结合改善定位精度的技术方法，对高精度无人机系统的搭建过程进行论述。希望本文的研究，能为建立一套基于载波相位差分的高精度无人机导航系统提供参考性建议。

关键词：全球定位系统 载波相位差分 高精度飞行 无人机

中图分类号：V47 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（c）-0015-02

要实现无人机的高精度飞行，需要在嵌入式平台当中，搭建起流动站系统及高精度差分基准站系统。然后，再将差分软件嵌入到无人机对应的软件当中。在符合无人机系统运行环境中，对其飞行精度进行实际测试。事实证明，高精度差分系统能够实现无人机的高精度飞行中发挥显著优势。因此，加强高精度差分导航的研究和在无人机上的应用研究具有重要意义。

1 高精度差分导航系统概述

高精度差分导航系统，能够对运动载体的航迹进行精确测量。该系统主要由两部分组成，即基准站与流动站。其中，基准站的功能是播发高精度的导航差分改正信息，对CMR、RTCA、RTCM等多种产分协议进行支持。流动站则是对不同的差分改正信息进行支持和接收，并结合系统需要，对差分模式进行设置[1]。无论是基准站，还是流动站都具有一定的自主诊断功能。在无人机开始工作之前，系统的这两个部分能够通过对专门的诊断软件，对其诊断端口进行连接，并对当前工作状态进行报告，为飞行系统的维护提供科学依据。流动站的设备需要采取特殊材料，保证工作温度变化的情况下，仍然能够满足无人机环境温度要求。

另外，高精度差分导航系统支持两种工作模式，即正向差分与逆向差分。系统在对实时差分进行更改时，仍然保存这对原始数据的存储。其最大容量可以达到2个GB，并可以支持CF类型数据存储。原始数据经过软件处理之后，可以获取更高精度标准位置和速度，并对整个系统进行事后分析[2]。整个系统的实时数据在更新率方面可以达到100Hz，采用了高动态的导航芯片组，可以满足无人机运用工作范围。

2 改善定位精度的技术方法

改善定位精度的技术方法有很多，比如使用差分定位方法、使用精密单点定位、电离层影响消除方法、多径影响消除方法、多星座与多频率高精度板方法等，但是，这些方法不是每一种都能够应用到无人机领域。在无人机平台中，其应用场合具有特殊性。对于普通的航拍航测无人机而言，其载重量只有不到10kg，因此应当考虑高精度测量板卡的重量性质。从经济角度看，若是采用价格较高的测量板卡，具有不必要性，采用笨重的测量板卡也无法满足无人机航拍要求。因此，根据目前的专业级测量板卡类型，可以选用NOVATELO EM6系列，其定位精度可设置在0.75m，此精度范围完全符合无人机平台要求[3]。

另外，精密单点定位方法，是借助了地面跟踪站的测量数据，采用双频率接收机，对卫星钟差进行计算，以此消除电离层的影响。然后，结合观测相位数值进行精确定位。差分定位，是动态载波相位差分定位技术的一种，是充分利用了流动与基准站特性，消除存在的誤差。在求解出载波相位的模糊度后，达到高精度相对定位的，在距离小于40km情况下，可以做到的定位精度为20cm。而且，本项目具有自主研发特性，其基准站系统符合无人机平台要求，即使在野外快速架设情况进行使用时，无人机系统也通过了高精度定位测试，并证明其具有可靠性[4]。

3 高精度无人机系统的搭建

3.1 高精度无人机基准站的搭建及性能测试

在实现差分导航系统的搭建中，基准站系统是一项重要前提，具有测试卫星信号，发送校验信息的作用。在发送差分信息的平台中，应用最多的基准站平台类型NOVA-TEL OEM系列。但是，这种型号在价格上较为昂贵。因此，可以采用自主研发类型的基准站系统进行替代，在功能上同样可以满足要求。另外，无人机系统对自主研发的基准站具有野外便携使用的要求。在对便携基准站系统与诺瓦泰板卡进行对比测试中，使用了不同差分数据格式。其中，廉价的基准站系统在进行载波相位差分定位时，其功能上与专业的板卡最为相似。而使用RTCM3差分电文系统出现的转换延迟的现象，这种延迟方面的误差，会大大降低测量精度。因此，其差分格式根据原始数据进行测试。

3.2 高精度无人机平台的设计

在无人机平台的设计当中，主要包括硬件与软件设计两部分。其中，硬件设计中涉及到的内容主要包括处理器单元的设计、传感器的设计等。在系统通用性性质的考虑下，无人机的处理器单元采用的平台，是实时LINUX系统基础上的嵌入式平台，属于树莓派式平台。在软件设计中，涉及到的内容为开源APM无人机软件与RTKILIB软件。除此之外，软件设计中的另外一个重要部分，就是无人机软件与RTKILIB软件之间的信息互通设计。为了软件之间不会发生耦合等现象，需要在进程及通信中，使用统一的网络协议。另外，无人机的主控硬件，与基站硬件设计在很大程度上具有相似性，在使用标准的NMEA协议下，导航数据可以被交换，再加上系统硬件间的相似设计，可以有效降低设计成本，实现一套硬件设备的两方面使用。在基站被使用的过程中，无人机的传感器也可以视情况而去除。

3.3 高精度无人机平台的野外测试

无人机的作业范围，一般在人们可视的范围内，这同时也是短基线进行测试的范围。首先，无人机系统在静止的状态时，可以选择不同场景进行分析。野外测试的过程中，要将天线的抗多径能力考虑在内。若系统抗多径能力较弱，就是给差分锁定功能造成影响，使载波相位的模糊度求解无法进行。若天线具备克服多经影响的功能，就可以完整整数模糊求解，但与此同时，差分锁定的同时也会带来系统误差。另外，在多径干扰少的情况下，比如地点较为空旷，此时使用廉价流动站或基站，就可以得到良好的效果。因此，无人机并不适合在城市等多径严重的地区进行作业，比较适合在空旷野外作业，其定位精度也更为准确。

4 结语

为了搭建起高精度差分基准站系统与流动站系统，本文将高精度差分导航的研究和在无人机上的应用作为主要研究内容，在对高精度差分导航概述进行分析的基础上，从高精度无人机基准站的搭建及性能测试、高精度无人机平台的设计、高精度无人机平台的野外测试等系统搭建流程方面进行了系统探究。研究结果表明，现阶段，我国改善定位精度的技术方法有很多，比如使用精密单点定位、电离层影响。多频率高精度板卡等方法，但是并不是每种方法都适用于无人机的精度定位应用中。因此，在未来，还需进一步加强对高精度差分导航的研究和在无人机上的应用研究，使高精度差分系统在无人机领域发展优势。

参考文献

[1] 王立兵，高宏，任曦明，等.基于北斗卫星导航系统的高精度差分信息生成方法：CN104407368A[P].2015.

[2] 刘宏，万立健，陆亚英.基于北斗卫星导航系统的远距离海洋工程高精度定位技术[J].测绘通报，2017，19（5）：62-66.

[3] 高铭阳.基于GBAS的高精度进近着陆组合导航方法研究[D].哈尔滨工业大学，2015.

[4] 石颖，王卫星，陆健强，等.基于CORS技术的农业机械差分定位系统设计[J].农机化研究，2017，35（6）：120-123.