UAV抗GNSS失效定位定向接收机及其应用方法与流程

本发明涉及gnss(globalnavigationsatellitesystem)、uav(uav，unmannedaerialvehicle)、惯性导航(ins，inertialnavigationsystem)以及组合导航的技术领域，尤其涉及uav抗gnss失效定位定向接收机及其应用方法。

背景技术

gnss导航系统具有对载体姿态、速度进行实时测量及全天候、全球性的连续精密三维定位能力。目前，在飞行器、战车、舰船等领域，gnss导航系统已经得到了广泛应用，甚至在一些军事领域，也将gnss导航定位作为主要的导航定位方法。但是当下的民用无人机的主要导航方式主要是依靠gnss导航，由于gnss导航依赖于可观测卫星的状态，存在各种不可控的因素，比如植保无人机作业环境防风林遮挡、高压输电线的电磁干扰、大功率基站发射塔台的频段串扰、可观测卫星状态、大气电离层活跃程度等，均影响到机载端gnss导航设备的正常工作。所以单纯的gnss作为机载端的定位定向导航设备存在gnss随时失效的可能，一旦gnss失效就会导致失去位置导航信息，致使无人机飞行过程的无法进行及时姿态调整、位置更新、高度变化，继而无法继续导航任务，相继失去相应的主动控制权，从而造成无人机丢失或者炸机，造成不同程度的经济损失或者危害到地面人员的伤害。

针对无人机的定位定向导航技术的研究，在中国专利cn103353601a中阐述了一种基于gnss实时差分技术的无人机基准导航系统和方法，在问题提到主要技术为实时差分(rtk)导航技术应用和使用方法，实现了无人机的导航定位功能，并没有实际地指出该技术的定向功能。虽然rtk技术应用到无人机上可以提高gnss定位的精度，但是目前使用该技术方法会存在一定的风险，比如本文提到的gnss失效问题，无法给无人机提供连续可靠的地理位置信息，还有文中该技术未提出可以给机载端提供定向功能。

在高精度的无人机定位系统中《农业植保无人机高精度定位系统研究与设计》一文提到，利用gnss/gprs实现了无人机的高精度定位，该技术是gnss+gprs(generalpacketradioservice，通用分组无线服务)技术的融合，给无人机系统提高了定位精度。但是针对于一些偏远山区，如果网络信号覆盖不好，那么gprs的lbs(移动基站定位)将无法满足提供到该融合算法。相当于此方法缺少了辅助定位功能，完成不了精准导航定位。

在中国专利cn106352872a中提到了解决无人机gnss失效的方法，当卫星信号丢失时，利用各个姿态传感器给无人机进行路径的规划和导航，实现卫星失锁情况下，完成自主飞行。但是此专利中未提到进行mems姿态与gnss技术的融合，进行解决卫星信息丢失的方法。定位结果出现短时间丢失或跳变，gnss接收机需要接收到至少4颗卫星的信号才能实现定位，一旦卫星信号被遮挡，比如无人机穿过防护林、飞到高楼附近等，将导致gnss接收机接收到的卫星信号减少甚至失锁，无法完成定位。

在另一份专利cn201410197198a中提到的是一种抗gnss失效固定翼无人机定向方法，文中提到观点为抗gnss失效的固定翼无人机，主要对象为固定翼无人机，功能为抗gnss失效以及定向。文中提到的方法为利用惯性器件的数据运用捷联导航算法，给固定翼无人机计算出航向姿态。所述的抗gnss失效定向方法为gnss失效后惯性单元通过kalman滤波器信息融合算法进行推算出来的航向信息。此专利面向的固定翼无人机，只是单方面的应用。并且gnss失效后，使用的纯惯导随着时间的推移会存在发散性较快，系统误差增大，姿态信息精度方面会出现跳变和不可控性。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供uav抗gnss失效定位定向接收机及其应用方法，旨在解决现有技术在gnss失效时失去位置导航信息，致使无人机飞行过程的无法进行及时姿态调整、位置更新、高度变化，继而无法继续导航任务，造成无人机丢失或者炸机，带来不同程度的经济损失或者危害到地面人员的伤害的问题。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种uav抗gnss失效定位定向接收机，包括gnss接收器、惯性导航单元、差分链路模块、导航数据解算单元；其中，

导航数据解算单元分别与gnss接收器、惯性导航单元、差分链路模块连接；

差分链路模块接收地面基准站的可观测卫星信息、基准站参数、天线参数、相位观测量、卫星星历信息，将差分电文发送到gnss接收器；

gnss接收器接收到卫星信号，与差分电文进行实时载波相位差分解算，对gnss数据进行修正，并将修正后的gnss数据发送到导航数据解算单元；以及在完成卫星信号的锁定后，输出秒脉冲信号到导航数据解算单元；

惯性导航单元获取无人机的惯导数据并发送到导航数据解算单元；

导航数据解算单元利用秒脉冲信号对gnss数据和惯导数据进行时间同步和数据融合解算，给无人机控制系统实时提供融合解算后的高精度导航定位定向数据，所述高精度导航定位定向数据包括无人机的定位、定向、航姿信息；以及，

在gnss接收器失效后，根据上一整秒的惯导数据进行推算，输出无人机的航姿信息；

在gnss接收器恢复后，通过当前时刻的惯导数据与gnss数据进行拟合计算，保持无人机的航姿信息的平滑过渡。

在上述实施例的基础上，优选的，差分链路模块包括电台模块和/或网络模块；

电台模块接收到地面基准站的差分电文，将接收到的差分电文透传到gnss接收器；电台模块的传输方式为短基线传输；或者，

网络模块通过网络获取到差分电文，将差分电文透传到gnss接收器；以及，将无人机的当前位置姿态信息回传到服务器中，进行无人机的状态管理；网络模块的传输方式为基于gprs的数据流量传输、短基线传输或者长基线传输。

在上述任意实施例的基础上，优选的，gnss接收器采用3星7频双天线接收器。

在上述任意实施例的基础上，优选的，惯性导航单元包括3轴加速度计、3轴磁力计、3轴陀螺仪；

3轴加速度计获取3个正交方向的重力加速度值；

3轴磁力计获取3个正交方向的磁偏角值；

3轴陀螺仪获取3个正交方向的瞬间变化的角偏值；

惯导数据包括3个正交方向的重力加速度值、3个正交方向的磁偏角值、3个正交方向的瞬间变化的角偏值。

在上述任意实施例的基础上，优选的，导航数据解算单元还实现对外用户数据的分发和数据请求，用以实现无人机用户之间的数据交互。

一种uav抗gnss失效定位定向接收机的应用方法，包括：

差分步骤，差分链路模块接收地面基准站的可观测卫星信息、基准站参数、天线参数、相位观测量、卫星星历信息，将差分电文发送到gnss接收器；

gnss步骤，gnss接收器接收到卫星信号，与差分电文进行实时载波相位差分解算，对gnss数据进行修正，并将修正后的gnss数据发送到导航数据解算单元；以及在完成卫星信号的锁定后，输出秒脉冲信号到导航数据解算单元；

惯性步骤，惯性导航单元获取无人机的惯导数据并发送到导航数据解算单元；

输出步骤，导航数据解算单元利用秒脉冲信号对gnss数据和惯导数据进行时间同步和数据融合解算，给无人机控制系统实时提供融合解算后的高精度导航定位定向数据，所述高精度导航定位定向数据包括无人机的定位、定向、航姿信息；以及，

在gnss接收器失效后，根据上一整秒的惯导数据进行推算，输出无人机的航姿信息；

在gnss接收器恢复后，通过当前时刻的惯导数据与gnss数据进行拟合计算，保持无人机的航姿信息的平滑过渡。

在上述任意实施例的基础上，优选的，所述导航数据解算单元利用秒脉冲信号对gnss数据和惯导数据进行时间同步的步骤，具体为：

导航数据解算单元利用秒脉冲信号对惯性导航单元的频率计数进行置零并将惯性导航单元观测值的时间置为整秒；非整秒时刻惯性导航单元观测值的时间利用整秒时间加上频率计数乘采样间隔进行计算

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明公开了uav抗gnss失效定位定向接收机及其应用方法，利用姿态惯性导航测量运算技术与gnss导航定位技术的融合，解决单纯的gnss导航定位技术受卫星信号质量、大气电离层、信号传输介质、地面站广播的差分信号质量、可观测卫星状态、公共卫星数量、机载端天线可视环境等影响，导致机载端gnss接收机无法捕获到卫星信号，造成gnss接收机卫星信号丢失，无法解算地理坐标位置，定位结果输出出现丢点、跳点等异常，无法满足无人机在作业过程中的导航定位的问题。

ins和gnss结合很大程度上减少了单独系统的缺陷，并且提高是导航设备的精度和实时有效性。随着时间逐渐增长的惯性导航系统误差可以通过gnss确定的位置和速度信息进行削弱，并且惯性导航单元的误差亦可以由gnss确定的位置和速度信息进行估测。gnss的信号丢失问题能够利用惯性导航系统在高数据更新速率下提供的短周期高精度导航信息解决。

本发明是一个独立的系统，不需要外部信号的测量，在较高的数据传输和速率下，能够提供到短期的高精度的位置信息、速度和姿态信息。

本发明能够维持gnss短时失锁时导航定位的连续性，对gnss跳点进行探测和剔除，提高可靠性。在gnss正常情况下，ins和gnss数据通过接收机板卡的pps(pps，秒脉冲信号的缩写)进行时间同步信息，完成惯性导航单元数据推算融合，保证每一次整秒时刻信息匹配，达到位置信息的及时更新。在gnss失效的情况下，立即响应惯性导航单元推算数据，延续gnss失效pps时刻数据进行推算，完善无gnss信号时导航定位定向的更新。惯性导航技术测量的是载体的物理量，不需要外部观测值作为输入，是全自主的导航定位技术，当gnss失锁，没有导航定位结果输出时，可以依靠惯性导航定位技术维持导航定位的连续性，因为惯性导航是依靠对角速度和加速度的积分来推算载体的位置，反应的是载体的真实运动状态，所以不会存在定位结果跳变的情况，因此可以依据惯性导航的定位结果来对gnss跳点进行探测并剔除。

本发明能够缓解gnss卫星信号恢复时位置、速度、定向的突变。当卫星信号恢复之后，由于从失效态到稳定态过程捕获到的初始卫星信号解算信息会存在一定的位置信息跳变、高度突变情况，通过惯性导航器件输出的姿态信号与gnss坐标位置进行拟合计算。逐渐平滑到gnss坐标点以及相对的高度值，不至于造成无人机在gnss信号恢复后，因为高度值的突变，致使无人机瞬间抬升或者下降。以及地理坐标的恢复，导致无人机瞬间完成前后左右的运动。不至于造成无人机的姿态瞬间运动而损毁。

本发明所带来的好处包括：

1、本发明基于pps秒脉冲信号实现了gnss+ins时间同步，是通过gnss接收器输出的pps秒脉冲，以惯性导航单元的采样率为基础实现高频输出(>＝100hz)，导航定位结果的实时性优于10毫秒，同时也极大的提高了对载体的动态跟踪能力，而现有的gnss导航定位技术因为接收机跟踪环路的性能限制，按照固定频率输出导航定位结果，实时性一般大于20毫秒，且因为输出频率低，对载体的动态跟踪能力差。

2、本发明利用gps+ins实现时间同步之后，惯性导航数据的高速率的更新。当gnss失效之后，gnss接收器无数据输出，惯导数据会根据上一整秒数据进行数据的推算，输出高精度的无人机位置、航向、速度、高度导航数据信息，维持无人正常作业条件。当gnss卫星信号恢复之后，通过mcu内部数据处理单元实现数据的平滑，避免提供给无人机数据突变，造成毁灭性的灾难。

与现有技术相比较，本发明在gnss信号正常情况下具有良好动态性能、优化gnss位置突变的优点；在gnss失效情况下具有位置刷新连续性好、可靠性高和三维姿态输出的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出了本发明实施例提供的一种uav抗gnss失效定位定向接收机的结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的一种uav抗gnss失效定位定向接收机的应用方法的流程示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

具体实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种uav抗gnss失效定位定向接收机，包括gnss接收器、惯性导航单元、差分链路模块、导航数据解算单元；其中，

导航数据解算单元分别与gnss接收器、惯性导航单元、差分链路模块连接；

差分链路模块接收地面基准站的可观测卫星信息、基准站参数、天线参数、相位观测量、卫星星历信息，将差分电文发送到gnss接收器；

gnss接收器接收到卫星信号，与差分电文进行实时载波相位差分解算，对gnss数据进行修正，并将修正后的gnss数据发送到导航数据解算单元；以及在完成卫星信号的锁定后，输出秒脉冲信号到导航数据解算单元；

惯性导航单元获取无人机的惯导数据并发送到导航数据解算单元；

导航数据解算单元利用秒脉冲信号对gnss数据和惯导数据进行时间同步和数据融合解算，给无人机控制系统实时提供融合解算后的高精度导航定位定向数据，所述高精度导航定位定向数据包括无人机的定位、定向、航姿信息；以及，

在gnss接收器失效后，根据上一整秒的惯导数据进行推算，输出无人机的航姿信息；

在gnss接收器恢复后，通过当前时刻的惯导数据与gnss数据进行拟合计算，保持无人机的航姿信息的平滑过渡。

本发明实施例对无人机的航姿信息不做限定，优选的，其可以包括无人机的位置、航向、速度、高度。

本发明实施例利用姿态惯性导航测量运算技术与gnss导航定位技术的融合，解决单纯的gnss导航定位技术受卫星信号质量、大气电离层、信号传输介质、地面站广播的差分信号质量、可观测卫星状态、公共卫星数量、机载端天线可视环境等影响，导致机载端gnss接收机无法捕获到卫星信号，造成gnss接收机卫星信号丢失，无法解算地理坐标位置，定位结果输出出现丢点、跳点等异常，无法满足无人机在作业过程中的导航定位的问题。在gnss信号正常情况下具有良好动态性能、优化gnss位置突变的优点；在gnss失效情况下具有位置刷新连续性好、可靠性高和三维姿态输出的优点。

优选的，差分链路模块可以包括电台模块和/或网络模块。电台模块和网络模块是独立工作的，可采用2选1工作方式，都可以进行差分电文传输。电台模块接收到地面基准站的差分电文，将接收到的差分电文透传到gnss接收器；电台模块的传输方式可以为短基线传输，传输的范围可以在3～7km以内。网络模块通过网络获取到差分电文，将差分电文透传到gnss接收器；以及，将无人机的当前位置姿态信息回传到服务器中，进行无人机的状态管理；网络模块的传输方式为基于gprs的数据流量传输、短基线传输或者长基线传输。网络模块的传输方式是一个备份数据链路，网络基站传输方式依靠于gprs数据流量传输，利用网络数据传输，登录专用的cors服务器，或者千寻服务，通过网络获取到cors、千寻、服务器等差分电文，可以达到大面积的覆盖传输，便于网络化、平台化管理，优化架设移动基站的复杂流程。

优选的，gnss接收器可以采用3星7频双天线接收器。这样做的好处是，能够利用gnss接收器的双天线效应，完成无人机的定向功能。与现有的定向方式差别是，传统的航向信息主要来自于磁力计计算的航姿信息，该磁力计在强磁(富含铁矿地区)环境和电磁干扰(高压传输线)环境下，地磁场容易发生改变，磁力计输出的航向信息容易受到此类环境干扰，导致航向信息会出现毁灭性的灾难。使用gnss接收器的双天线进行航向计算，不会造成以上的问题，只要天线能接收到卫星信号，gnss接收器就能完成相关的航向解算，不受到地磁的影响。

gnss接收器主要是为无人机提供实时定位定向信息。主要用于接收卫星信号，通过设置相应的指令，进行请求导航数据，来实现无人机的定位定向功能。在接收器完成卫星信号的锁定之后，接收器会自主的通过pps引脚输出秒脉冲信号，该秒脉冲是本发明的至关重要信号，是完成gps+ins数据融合的关键点，也是时间同步的重中之重。

优选的，惯性导航单元可以包括3轴加速度计、3轴磁力计、3轴陀螺仪；3轴加速度计获取3个正交方向的重力加速度值；3轴磁力计获取3个正交方向的磁偏角值；3轴陀螺仪获取3个正交方向的瞬间变化的角偏值；惯导数据包括3个正交方向的重力加速度值、3个正交方向的磁偏角值、3个正交方向的瞬间变化的角偏值。

惯性导航单元主要是实时给无人机提供惯导姿态信息，实现gps+ins数据融合的基础。主要由3轴加速度计、3轴磁力计、3轴陀螺仪组成，其中加速度计主要是提供3个正交方向的重力加速度值；磁力计主要是提供3个正交方向的磁偏角；陀螺仪主要是提供3个正交方向的瞬间变化的角偏值。通过读取这三个姿态传感器的数值，完成时间同步信息，在导航数据解算单元mcu里面完成导航数据的融合计算，对外输出无人机需要的航姿信息。

优选的，导航数据解算单元还可以实现对外用户数据的分发和数据请求，用以实现无人机用户之间的数据交互。

导航数据解算单元是整个接收机数据处理核心，使用导航数据解算单元实现惯导数据与gnss数据进行数据的融合。导航数据解算单元接收到gnss接收器的pps信号，传到定时器，触发定时器，实现惯导推算的数据与gnss输出的数据进行时间同步。导航数据解算单元同时该处理担任着对外用户数据的分发与数据请求，便于无人机用户进行数据的交互。

在上述的具体实施例一中，提供了uav抗gnss失效定位定向接收机，与之相对应的，本申请还提供uav抗gnss失效定位定向接收机的应用方法。由于方法实施例基本相似于系统实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。下述描述的方法实施例仅仅是示意性的。

具体实施例二

如图2所示，本发明实施例提供了一种uav抗gnss失效定位定向接收机的应用方法，包括：

差分步骤s101，差分链路模块接收地面基准站的可观测卫星信息、基准站参数、天线参数、相位观测量、卫星星历信息，将差分电文发送到gnss接收器；

gnss步骤s102，gnss接收器接收到卫星信号，与差分电文进行实时载波相位差分解算，对gnss数据进行修正，并将修正后的gnss数据发送到导航数据解算单元；以及在完成卫星信号的锁定后，输出秒脉冲信号到导航数据解算单元；

惯性步骤s103，惯性导航单元获取无人机的惯导数据并发送到导航数据解算单元；

输出步骤s104，导航数据解算单元利用秒脉冲信号对gnss数据和惯导数据进行时间同步和数据融合解算，给无人机控制系统实时提供融合解算后的高精度导航定位定向数据，所述高精度导航定位定向数据包括无人机的定位、定向、航姿信息；以及，

在gnss接收器失效后，根据上一整秒的惯导数据进行推算，输出无人机的航姿信息；

在gnss接收器恢复后，通过当前时刻的惯导数据与gnss数据进行拟合计算，保持无人机的航姿信息的平滑过渡。

本发明实施例利用姿态惯性导航测量运算技术与gnss导航定位技术的融合，解决单纯的gnss导航定位技术受卫星信号质量、大气电离层、信号传输介质、地面站广播的差分信号质量、可观测卫星状态、公共卫星数量、机载端天线可视环境等影响，导致机载端gnss接收机无法捕获到卫星信号，造成gnss接收机卫星信号丢失，无法解算地理坐标位置，定位结果输出出现丢点、跳点等异常，无法满足无人机在作业过程中的导航定位的问题。在gnss信号正常情况下具有良好动态性能、优化gnss位置突变的优点；在gnss失效情况下具有位置刷新连续性好、可靠性高和三维姿态输出的优点。

优选的，所述导航数据解算单元利用秒脉冲信号对gnss数据和惯导数据进行时间同步的步骤，可以具体为：导航数据解算单元利用秒脉冲信号对惯性导航单元的频率计数进行置零并将惯性导航单元观测值的时间置为整秒；非整秒时刻惯性导航单元观测值的时间利用整秒时间加上频率计数乘采样间隔进行计算。

对惯导数据和gnss数据进行时间同步的工作场景可以是：惯性导航单元通过内部时钟晶振控制采样和输出，所以惯性导航单元的观测数据只有频率计数，即相对开始工作时刻的时间增量，是相对时间；gnss采用的是gps系统时间，与utc时间是一一对应的，是绝对时间；所以惯导和gnss观测数据的时间是不一致的，无法进行数据融合，需要对两者进行时间同步，本发明基于gnss接收器输出的pps信号对惯导数据进行同步，pps信号是对应于gps系统的整秒时刻，精度为20纳秒，完全满足时间同步的精度要求，利用pps秒脉冲信号对惯性导航单元的频率计数进行置零并将惯性导航单元观测值的时间置为整秒，非整秒时刻惯性导航单元观测值的时间利用整秒时间加上频率计数乘采样间隔进行计算，从而实现惯导数据和gnss数据的时间同步和数据融合。

本发明从使用目的上，效能上，进步及新颖性等观点进行阐述，其具有的实用进步性，己符合专利法所强调的功能增进及使用要件，本发明以上的说明及附图，仅为本发明的较佳实施例而己，并非以此局限本发明，因此，凡一切与本发明构造，装置，待征等近似、雷同的，即凡依本发明专利申请范围所作的等同替换或修饰等，皆应属本发明的专利申请保护的范围之内。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。