一种基于RTK技术的多余度无人机导航系统和方法与流程

本发明涉及无人机导航领域，尤其是涉及一种基于RTK技术的多余度无人机导航系统和方法。

背景技术：

无人驾驶飞机简称无人机(Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV)，是一种利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。随着无人机技术的快速发展，无人机已经被广泛应用于城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业。

通常无人机包括飞行控制器、IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)模块、陀螺仪、高度测量模块(如气压计、超声波测距、雷达测距)等。

飞行控制器读取IMU模块、陀螺仪、高度测量模块等相关飞行数据，并利用来自RTK(real time kinematic，实时动态)移动基站卫星数据和来自RTK地面基站的数据的差分结果来控制无人机的飞行。

然而，在实际飞行控制过程中，RTK技术遇到的最大问题就是移动基站校正数据的有效作用距离。GPS误差的空间相关性随RTK移动基站和无人机距离的增加而逐渐失去线性，因此在较长距离下(单频>l0km，双频>30km)，经过差分处理后的无人机相关飞行数据仍然含有很大的观测误差，从而容易导致无人机的位置漂移，无法精确定位。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前存在的问题，提供一种基于RTK技术的多余度无人机导航系统和方法，通过本发明，使得RTK地面基站与机载移动基站在空地数据链通讯中断或通讯距离增加导致的位置数据发生瞬间离散性变化的情况下，依然能够实现精准可靠定位。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明的目的是提供一种基于RTK技术的多余度无人机导航系统，其包括：RTK地面基站、RTK机载移动基站和飞控计算机；其还包括：

独立设置在无人机上的普通GPS；

RTK机载移动基站、普通GPS和RTK地面基站均实时接收卫星数据；

RTK机载移动基站与RTK地面基站之间的数据通信通过飞控计算机与飞控地面控制站之间的无线传输数据链进行通信；普通GPS直接与飞控计算机进行通信；

飞控计算机包括数据传输模块、RTK工作模式判断模块、位置漂移判断模块、普通GPS工作状态识别模块和余度计算处理模块；

飞控计算机包括数据传输模块、RTK工作模式判断模块、位置漂移判断模块、普通GPS工作状态识别模块和余度计算处理模块；

所述数据传输模块，用于实时监听是否收到来自RTK机载移动基站的卫星数据和普通GPS的卫星数据；如果接收到来自RTK机载移动基站的卫星数据，则转给RTK工作模式判断模块；如果接收到来自普通GPS卫星数据，则转给普通GPS工作状态识别模块；

RTK工作模式判断模块，用于确定RTK机载移动基站是否处于RTK工作模式，若是，则将RTK机载移动基站的卫星数据转给位置漂移判断模块；如果RTK机载移动基站的工作模式已经不是RTK工作模式，则通知余度计算处理模块；

位置漂移判断模块，用于根据RTK机载移动基站的卫星数据判断无人机位置和普通GPS的卫星数据判断无人机是否发生位置漂移，并将结果告知所述余度计算处理模块；

普通GPS工作状态识别模块，用于根据普通GPS的卫星数据来确定普通GPS是否在稳定工作，并在确定普通GPS稳定工作时，通知位置漂移判断模块和所述余度计算处理模块；若确定普通GPS没有稳定工作，则通知所述余度计算处理模块直接采用RTK机载移动基站的卫星数据来导航；

所述余度计算处理模块，用于在确定无人机发生位置漂移且普通GPS稳定工作情况下，或，在RTK机载移动基站已经不在RTK工作模式且普通GPS稳定工作情况下，采用普通GPS的卫星数据中的POS坐标数据计算飞行参数并生成作动器控制信号来导航；在无人机位置未发生漂移且RTK机载移动基站在RTK工作模式情况下，使用RTK机载移动基站的卫星数据中的POS坐标数据计算飞行参数并生成作动器控制信号来导航。

本发明还提供一种基于RTK技术的多余度无人机导航方法，其包括：

步骤S100，飞控计算机实时监听是否收到来自RTK机载移动基站的卫星数据和普通GPS的卫星数据；

步骤S101，飞控计算机确认收到来自RTK机载移动基站的卫星数据；

步骤S102，根据RTK机载移动基站的卫星数据判断RTK机载移动基站的工作模式是否为RTK模式，若不是RTK模式，则转入步骤S103；若是RTK工作模式，则执行步骤S106；

步骤S103，根据收到的普通GPS的卫星数据判断普通GPS是否在高效稳定地工作，若是，则转入步骤S107；否则进入步骤S108；

步骤S106，根据RTK机载移动基站的卫星数据中的POS坐标与普通GPS最新卫星数据中的POS坐标数据的比对结果来确定无人机位置是否发生漂移；若无人机位置已经发生漂移，则进入步骤S107；若无人机位置未发生漂移，则转入步骤S108；

步骤S107，飞控计算机采用普通GPS卫星数据中的POS坐标数据，且从此刻后飞控计算机只采用普通GPS卫星数据中的POS坐标数据；

步骤S108，飞控计算机使用RTK机载移动基站的卫星数据中的POS坐标数据来导航；

以及，

步骤S104，飞控计算机确认收到来自普通GPS的卫星数据；

步骤S105，根据收到的普通GPS的卫星数据判断普通GPS是否在高效稳定的工作，若是转入步骤S106；否则进入步骤S108。

更优选地，所述步骤S103和步骤S105中判断普通GPS是否在高效稳定地工作的过程包括：

判断普通GPS的卫星数据中的有效卫星数量高于15颗且水平和垂直精度小于2米，若满足该条件，则确定普通GPS在高效稳定地工作；否则确定普通GPS没有稳定地工作。

更优选地，所述步骤S106中根据RTK机载移动基站的卫星数据中的POS坐标与普通GPS最新卫星数据中的POS坐标数据的比对结果来确定无人机位置是否发生漂移的过程包括：

比对RTK机载移动基站的卫星数据中的POS坐标是否位于以普通GPS最新卫星数据中的POS坐标数据为圆心的设定半径内，若是，则确定无人机位置没有发生漂移，否则确定无人机位置已经发生漂移。

更优选地，所述步骤S107还包括：

触发RTK机载移动基站的故障报警并进入自动返航模式。由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：

本申请通过在无人机导航定位系统中增设一个普通GPS装置，并在飞控计算机中增加余度计算处理模块，使得无人机由于RTK导航设备高度依赖外设地面设备出现问题时，通过余度运算处理，使用不需要对外设设备依赖的普通GPS装置对无人机进行导航定位，从而使得RTK地面基站与机载移动基站在空地数据链通讯中断或通讯距离增加导致的位置数据发生瞬间离散性变化的情况下，依然能够实现精准可靠定位，进而能够提高无人机的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的流程图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

实施例一：

本发明实施例一提供一种基于RTK技术的多余度无人机导航系统，其结构如图1所示，包括：

RTK地面基站、RTK机载移动基站(简称为RTK-GPS)、普通GPS、飞控计算机、IMU模块、陀螺仪和高度测量模块(如气压计、超声波测距、雷达测距等)。

普通GPS独立设置在无人机上。RTK机载移动基站、普通GPS和RTK地面基站均实时接收卫星数据。

RTK机载移动基站与RTK地面基站之间的数据通信通过飞控计算机与飞控地面控制站之间的无线传输数据链进行通信，以接收RTK地面基站的卫星数据，并将RTK地面基站的卫星数据与自己接收到的卫星数据进行差分处理，得到差分数据传给飞控计算机；

普通GPS直接与飞控计算机进行通信，以实时传输卫星数据给飞控计算机。

飞控计算机读取IMU模块、陀螺仪、高度测量模块采集的测量数据和RTK机载移动基站的差分数据等相关飞行数据，利用这些飞行数据和差分数据生成作动器控制信号，并提供给无人机作动器用于控制无人机飞行。

飞控计算机实时监听是否收到来自RTK机载移动基站的卫星数据和普通GPS的卫星数据。如果是来自RTK机载移动基站的卫星数据，则首先确定RTK机载移动基站的工作模式是否还是RTK工作模式，若RTK机载移动基站的工作模式是RTK工作模式，则继续判断无人机位置是否漂移，并在确定无人机位置漂移情况下及时切换到采用普通GPS的卫星数据中的POS坐标数据来导航；如果RTK机载移动基站的工作模式已经不是RTK工作模式，说明RTK机载移动基站的卫星数据链已经断开，此时则利用高效稳定工作的普通GPS卫星数据中的POS坐标数据以及读取到的IMU模块、陀螺仪、高度测量模块等相关飞行数据来计算并生成作动器控制信号，并提供给作动器用来控制无人机飞行。如果飞控计算机监听到收到来自普通GPS的卫星数据，则首先确定普通GPS是否在高效稳定的工作，然后通过比对RTK机载移动基站的卫星数据和普通GPS的卫星数据来确定无人机位置是否发生漂移，并在确定无人机位置发生漂移后利用普通GPS的卫星数据来导航；否则还是采用RTK机载移动基站的卫星数据来导航。飞控计算机的上述功能通过如下模块来实现：

数据传输模块、RTK工作模式判断模块、位置漂移判断模块、普通GPS工作状态识别模块和余度计算处理模块；

飞控计算机包括数据传输模块、RTK工作模式判断模块、位置漂移判断模块、普通GPS工作状态识别模块和余度计算处理模块；

所述数据传输模块，用于实时监听是否收到来自RTK机载移动基站的卫星数据和普通GPS的卫星数据；如果接收到来自RTK机载移动基站的卫星数据，则转给RTK工作模式判断模块；如果接收到来自普通GPS卫星数据，则转给普通GPS工作状态识别模块；

RTK工作模式判断模块，用于确定RTK机载移动基站是否处于RTK工作模式，若是，则将RTK机载移动基站的卫星数据转给位置漂移判断模块；如果RTK机载移动基站的工作模式已经不是RTK工作模式，则通知余度计算处理模块；

位置漂移判断模块，用于根据RTK机载移动基站的卫星数据判断无人机位置和普通GPS的卫星数据判断无人机是否发生位置漂移，并将结果告知所述余度计算处理模块；

普通GPS工作状态识别模块，用于根据普通GPS的卫星数据来确定普通GPS是否在稳定工作，并在确定普通GPS稳定工作时，通知位置漂移判断模块和所述余度计算处理模块；若确定普通GPS没有稳定工作，则通知所述余度计算处理模块直接采用RTK机载移动基站的卫星数据来导航；

所述余度计算处理模块，用于在确定无人机发生位置漂移且普通GPS稳定工作情况下，或，在RTK机载移动基站已经不在RTK工作模式且普通GPS稳定工作情况下，采用普通GPS的卫星数据中的POS坐标数据计算飞行参数并生成作动器控制信号来导航；在无人机位置未发生漂移且RTK机载移动基站在RTK工作模式情况下，使用RTK机载移动基站的卫星数据中的POS坐标数据计算飞行参数并生成作动器控制信号来导航。

实施例二：

本发明实施例二提供一种基于RTK技术的多余度无人机导航方法，该导航方法中，飞控计算机实时监听是否收到来自RTK机载移动基站的卫星数据和普通GPS的卫星数据，并根据收到的RTK机载移动基站的卫星数据或普通GPS的卫星数据比对情况确定导航采用的数据。具体实施如图2所示，包括如下步骤：

步骤S100，飞控计算机实时监听是否收到来自RTK机载移动基站的卫星数据和普通GPS的卫星数据；

步骤S101，飞控计算机收到来自RTK机载移动基站(RTK-GPS)的卫星数据；

步骤S102，判断RTK机载移动基站的工作模式是否为RTK模式，若不是RTK模式，则转入步骤S103；若是RTK工作模式，则执行步骤S106。

当RTK机载移动基站不再传输差分数据时，则认为RTK机载移动基站的工作模式不再是RTK模式，否则认为RTK机载移动基站的工作模式仍然是RTK模式。

步骤S103，判断是否满足如下条件：普通GPS的卫星数据中的有效卫星数量高于15颗且水平和垂直精度小于2米，若满足该条件，说明普通GPS在高效稳定地工作，则转入步骤S107；否则进入步骤S108。

步骤S106，比对RTK机载移动基站的卫星数据中的POS坐标是否位于以普通GPS最新卫星数据中的POS坐标数据为圆心的2米半径内；若否，说明无人机位置已经发生漂移，则进入步骤S107；若是，则转入步骤S108。

步骤S107，飞控计算机采用普通GPS卫星数据中的POS坐标数据，且从此刻后飞控计算机只采用普通GPS卫星数据中的POS坐标数据，触发RTK机载移动基站的故障报警并进入自动返航模式。

步骤S108，飞控计算机使用RTK机载移动基站的卫星数据中的POS坐标数据来导航。

上述流程是描述飞控计算机收到来自RTK机载移动基站(RTK-GPS)的卫星数据后的处理过程，如果飞控计算机收到来自普通GPS的卫星数据后，其处理流程则按照如下步骤执行：

步骤S104，飞控计算机收到来自普通GPS的卫星数据；

步骤S105，判断是否满足如下条件：普通GPS的卫星数据中的有效卫星数量高于15颗且水平和垂直精度小于2米，若满足，则说明普通GPS正在高效稳定的工作，于是转入步骤S106；否则进入步骤S108。

步骤S106，比对RTK机载移动基站的卫星数据中的POS坐标是否位于以普通GPS最新卫星数据中的POS坐标数据为圆心的2米半径内；若否，则进入步骤S107，即采用普通GPS的POS坐标数据，且从此刻后飞控计算机只采用普通GPS的POS坐标数据，触发故障报警并进入自动返航模式；若是，则转入步骤S108，即飞控计算机使用RTK机载移动基站卫星数据中的POS坐标数据。

由上述本发明的具体实施例的方案可以看出，本发明中飞控计算机收到RTK机载移动基站的卫星数据后，在确定RTK机载移动基站在RTK模式且无人机未发生位置漂移情况下，利用RTK机载移动基站的卫星数据来导航；确定RTK机载移动基站不为RTK模式且普通GPS工作稳定情况下，利用普通GPS卫星数据来导航；收到普通GPS卫星数据后，在普通GPS稳定工作且无人机未发生位置漂移情况下，或者在普通GPS没有稳定工作情况下，采用RTK机载移动基站的卫星数据来导航；在普通GPS稳定工作且无人机发生位置漂移情况下，利用普通GPS的卫星数据来导航。

由此可见，本发明通过在无人机导航定位系统中增设一个普通GPS装置，并在飞控计算机中增加余度计算处理模块，使得无人机由于RTK导航设备高度依赖外设地面设备出现问题时，通过余度运算处理，使用不需要对外设设备依赖的普通GPS装置对无人机进行导航定位，从而使得RTK地面基站与机载移动基站在空地数据链通讯中断或通讯距离增加导致的位置数据发生瞬间离散性变化的情况下，依然能够实现精准可靠定位，进而能够提高无人机的稳定性和可靠性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。