专利名称：用于室内飞艇的定位系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种室内的定位系统，尤其涉及一种能识别坐标和避开障碍物的用于室内飞艇的定位系统。
技术背景目前常用的飞艇飞控系统都是采用GPS获取高度与坐标信息，通过GPS的信息可以显示出飞艇的当前位置，可以记录和跟踪飞艇的航迹，此外还安装了高度气压计，飞控系统需要获知当前的大气压力，以换算成飞艇的空速和气压高度数据。因为飞艇在室内的环境下GPS定位技术由于信号受建筑物的影响而大大衰减到十分微弱的地步，要想达到与室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的，在室内受飞行高度的限制也无法使用高度气压计，导致室内飞艇自动驾驶仪系统需要独立开发飞控系统或者对GPS定位系统进行改造。通过采用UWB定位技术获取室内飞艇位置数据，并转换为虚拟GPS数据供飞控系统使用，但单独使用UWB超宽带定位技术仍存在当飞艇离地面过近时由于阻挡和反射等原因仍会造成UWB定位数据出现误差。
发明内容本实用新型为了解决目前飞艇在室内的环境下无法通过GPS定位技术达到与室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息，而单独使用UWB超宽带定位技术，存在当飞艇离地面过近时由于阻挡和反射等原因仍会造成UWB定位数据出现误差的技术问题，提供了一种用于室内飞艇的定位系统，该系统主要由UWB室内定位传感器，定位系统通信链路、UffB定位服务器、网络交换机及网络连接部分组成；所述UWB定位传感器是将至少四个传感器通过以太网连接到网络交换机上，将其中的一个指定为主传感器，其它为从传感器，每个从传感器的时间同步线通过屏蔽以太网线连接到主传感器上；每个所述UWB室内定位传感器，安装在飞艇飞行的有效室内空间里，对载有定位标签的飞艇进行定位；由地面站模块接收来自飞艇定位模块的信息；通过交换机与UWB定位服务器相连，由来获取飞艇定位信息。本实用新型的特点及有益效果采用超宽带无线通信技术与UWB室内定位传感器相结合及利用网络资源实现室内飞艇定位。提高了定位的精度和实时性。本实用新型使用UffB定位技术获取室内无人机位置数据，并转换为虚拟GPS数据供飞控系统使用的方法，同时为避免单独使用UWB超宽带定位技术因离地面过近时由于阻挡和反射等的原因造成的UffB定位数据误差，采用UWB定位技术和超声波传感器相结合的定位方式，超声波传感器起到补偿UWB定位中高度的误差的作用。具有的优势超高的定位精度、超快的数据更新速率和良好的抗干扰性。定位精度已经达到厘米级别，带宽达到将近10GHZ，数据更新频率达到了 IOHZ。具体表现在[0007]1.超宽的带宽使得UWB定位技术具有良好的穿透性，临时遮挡不影响定位，只要是在UWB定位系统作用域内都可以使用；2.输出的位置数据格式，UffB系统输出的数据格式是由人工定义空间内的相对位置坐标，对于室内区域不规则的应用环境具有坐标系设置灵活的优点；3，相比光跟踪定位和蓝牙定位技术，UffB定位系统设备价格低、组网简单；4，UffB定位系统的定位精度已经达到厘米级别，定位精度高，可靠性好。
图1本实用新型的结构示意图图2是图1中UWB室内定位传感器的工作原理图
具体实施方式
参看图1、图2，用于室内飞艇的定位系统，该系统主要由UWB室内定位传感器，定位系统通信链路、UffB定位服务器、网络交换机及网络连接部分组成，所述UWB定位传感器是将至少四个传感器通过以太网连接到网络交换机上，将其中的一个指定为主传感器，其它为从传感器，每个从传感器的时间同步线通过屏蔽以太网线连接到主传感器上；每个所述UWB室内定位传感器，安装在飞艇飞行的有效室内空间里，对载有定位标签的飞艇进行定位；由地面站模块接收来自飞艇定位模块的信息；通过交换机与UWB服务器相连，来获取飞艇定位信息。所述UWB室内定位传感器包含一个天线阵列和UWB信号接收器。每个所述UWB室内定位传感器位于室内有效空间的最高点，其工作面正中央朝向监控地面的中心位置。工作原理用于室内飞艇的定位系统，由UWB室内定位传感器，定位系统通信链路、UffB定位服务器、网络交换机及网络连接部分组成，该定位系统被安装在飞艇飞行的有效室内空间里用来对载有定位标签的飞艇进行定位，每个UWB室内定位传感器必须连接电源，网络和时间同步线。实时跟踪精确定位，给出室内飞艇的三维坐标数据。采用UWB实时检测室内艇载的坐标，UffB定位导航技术属于无线定位技术的一种，具有良好的穿透性，在 UffB定位系统作用域内都可以使用UWB室内定位传感器进行飞艇定位，它包含一个天线阵列和UWB信号接收器；可以通过检测定位标签发出的UWB信号，来计算该标签的实际空间位置。在工作过程中，每个传感器独立测定UWB信号的方向角和仰角(AOA)；而到达时间差信息(TDOA)则必须由一对传感器来测定，而且这两个传感器均部署了时间同步线；这种独特的A0A、TD0A相结合的测量技术，可以构建灵活而强大的定位系统。采用把GPS的全球绝对位置坐标转换为UWB相对坐标的算法，定位精度达到厘米级别，并将该算法嵌入到地面站控制软件中，模拟了 GPS接收机的数据输出。实施例UWB定位导航技术属于无线定位技术的一种，定位导航原理按其测量参数的不同， 主要分为基于到达角度检测方法(AOA)、基于到达时间检测方法(TOA)和到达时间差检测方法(TDOA)。基于到达角度检测方法是接收机(基站)通过阵列天线测出接收信号从移动台到两个以上基站的到达方向(电波的入射角)，然后进行交叉定位获得较好位置信息，基3/5页
于到达时间检测方法则是通过测量发送和接收信号之间的时延或时延差来进行定位。通过以上三种方法均可以获得精度高、可靠性强的飞艇当前三维位置坐标(X，y，ζ)。将本实用新型UWB室内定位系统分为UWB紧凑型定位标签模块、UffB定位传感器模块、定位系统通信链路模块及UWB定位服务器模块。UffB定位服务器模块使用了 UWB定位技术，从UWB紧凑型定位标签模块获取室内无人机位置数据，并转换为虚拟GPS数据供飞控系统使用，同时为避免单独使用UWB超宽带定位技术因离地面过近时由于阻挡和反射等的原因造成的UWB定位数据误差，UffB定位传感器模块采用UWB定位技术和超声波传感器相结合的定位方式，超声波传感器起到补偿UWB定位中高度的误差的作用，通过定位系统通信链路模块将UWB室内定位传感器、UWB定位服务器，经网络交换机与网络连接，很好地解决了现有室内飞艇系统的室内定位问题。一个典型的传感器单元的是边长10-30米的矩形场所，将传感器安装在单元在四个角，靠近天花板高度越高越好确保信号覆盖整个监控区域。传感器的正中央朝向监控地面的中心位置，确保传感器绝对水平位置。将四个传感器通过以太网连接到网络交换机，其中一个指定为主传感器，其它三个则为从传感器，每个从传感器的时间同步线通过屏蔽以太网线连接主传感器。传感器的位置需要确保绝对精确到5厘米从而保证系统的最佳性能，首先选择一个坐标原点，确定一个横向方向为坐标X轴，面向这个方向的则为Y轴，上下位置则为Z轴，利用这个建立的坐标系标出传感器的坐标位置。测量出每台传感器相对于原点的仰角和偏角，在某些情况下可能需要多个校准点。选用kries 7000系列UWB室内定位传感器进行飞艇定位，它包含一个天线阵列，以及UWB信号接收器；可以通过检测定位标签发出的UWB信号，来计算该标签的实际空间位置。在工作过程中，每个传感器独立测定UWB信号的方向角和仰角(AOA)；而到达时间差信息(TDOA)则必须由一对传感器来测定，而且这两个传感器均部署了时间同步线；这种独特的A0A、TD0A相结合的测量技术，可以构建灵活而强大的定位系统。该传感器是室内定位单元的最重要的组成部分，它被安装在飞艇飞行的有效室内空间里用来对载有定位标签的飞艇进行定位，它们必须连接电源，网络和时间同步线。UffB需要接受GPS传送回来的数据，把绝对的坐标转换为相对的坐标。UWB与GPS接收机通过RS232接口实现通讯，通信协议采用的是国际标准的NMEA-0183协议。NMEA-0183数据格式有十几种，UffB使用的是GPGGA和GPRMC格式，这两种格式提供了经度、纬度、速度、航向等信息。GPGGA是一帧GPS定位的主要数据，也是使用最广的数据，其格式如下$GPGGA, <1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>，<13>，<14>*<15><CRXLF><1>UTC 时间，格式为 hhmmss. sss ；<2>纬度，格式为ddmm. _nm(前导位数不足则补0)；<3>纬度半球，N或S (北纬或南纬)；<4>经度，格式为dddmm. mmmm(前导位数不足则补0)；<5>经度半球，E或W(东经或西经)；<6>定位质量指示，0 =定位无效，1 =定位有效；<7>使用卫星数量，从00到12 (前导位数不足则补0)；
5[0033]<8>水平精确度，0. 5到99. 9 ；<9>天线离海平面的高度，-9999. 9到9999. 9米；<10>高度单位，M表示单位米；<11>大地椭球面相对海平面的高度(-999. 9到9999. 9)；<12>高度单位，M表示单位米；<13>差分GPS数据期限(RTCM SC-104)，最后设立RTCM传送的秒数量；<14>差分参考基站标号，从0000到1023 (前导位数不足则补0)；<15> 校验和；GPRMC是一帧最小数据量的GPS信息，其格式如下$GPRMC, <1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh<CRXLF><1>UTC (Coordinated Universal Time)时间，hhmmss (时分秒)格式<2>定位状态，A =有效定位，V =无效定位<3>Latitude,纬度ddmm. _m(度分)格式(前导位数不足则补0)<4>纬度半球N (北半球)或S (南半球)<5>Longitude,经度dddmm. _m(度分)格式(前导位数不足则补0)<6>经度半球E (东经)或W (西经)<7>地面速率(000. 0-999. 9节，Knot,前导位数不足则补0)<8>地面航向(000. 0-359. 9度，以真北为参考基准，前导位数不足则补0) <9>UTC日期，ddmmyy (日月年)格式<10>Magnetic Variation,磁偏角(000. 0-180. 0 度，前导位数不足则补 0)<ll>Declination，磁偏角方向，E (东)或 W(西)<12>Mode hdicator，模式指示(仅NMEA0183 3. 00 版本输出，A =自主定位，D = 差分，E=估算，N=数据无效)<13> 校验和；从以上的数据帧格式可以看出，两帧数据分别提供了时间、纬度、经度、速度、航向、高度、磁偏角等信息，数据尾还采用了数据校验，使用的是异或校验。解决了定位问题，UffB的定位坐标数据是(X，Y，Z)，而GPS是经纬度数据格式。直角坐标转换为经纬度坐标的方法(I)GPS坐标转换GPS卫星定位输出的定位数据采用的是世界大地坐标系WGS84，而工程应用中大都采用国家或地方独立坐标系，使用的是地心坐标系，如国家大地坐标系(或北京坐标系)，因此在应用中就需要将WGS84定位数据转换到国家坐标系上。GPS卫星定位系统采集到的坐标数据是(B，L，H)，其中，坐标原点为地球质心，B为纬度，L为经度，H为海拔高度， 即是到WGS 84椭球面的高度，现将大地的经纬度转换为直角坐标用(X，Y，Z)来表示，其中， 直角坐标系原点位于地心；Z轴为极轴，向北为正；X轴穿过本初子午线与赤道的交点；Y轴穿过赤道与东经90°的交点，设定坐标系的零经线为格林威治子午线，公式如下其中a为椭球的长半轴，b为短半轴θ为经度，δ为纬度转换X = (v+h)cos δ cos θ ⑴Y = (v+h)cos δ sin θ(2)
6[0063]Z = ((l-e2)v+h)sin θ ⑶公式中ν为纬度δ处的曲率半径广=(1_一二2句。5⑷δ , θ分别为坐标点的纬度和经度，h为相对椭球面的高度，
以2 厶2e为椭球第一偏心率，一 =^1 = 2/-/2
a(5)上述公式是将经纬度转换为直角坐标，反之也可将直角坐标(X，Y，Z)转换为经纬度坐标，式中θ从格林威治本初子午线起算。公式如下
C. ^ _lrZ+e2vsmS
_9] 5 = tg [(χ2 +72)05 )]⑷0 = tg-l{^)(7)h = Xsec δ sec θ-ν (8)(2)转换参数因导航模块只使用GPS接收机采集到的经纬度数据，UffB定位系统输出的数据是直角坐标系中相对三维坐标，因此只需要进行平面坐标转换，即将经纬度(Θ，δ)转换成(X，Y)。进行不同坐标系统之间的转换，首先要求出坐标系统之间的转换参数，转换参数的具体算法如下地球的平均半径是6371. 3公里，求出地球表面的转换尺度为1 〃 = 0. 03088893公里=30. 88893米，由此表明GPS输出的经纬度数据理论精度能够达到厘米级，即0.001〃 = 3.088893厘米。假设UWB的有效区域长宽分别为30米和25米，根据上述公式计算得到它所对应的经纬度位置数据区间为0-0.9712217 " = 0.016187'和0-0. 8093514" = 0.0134819'，飞艇在室内平面内每个点的坐标就有唯一的经纬度坐标与其对应。
权利要求1.用于室内飞艇的定位系统，该系统主要由UWB室内定位传感器，定位系统通信链路、 UffB定位服务器、网络交换机及网络连接部分组成，其特征在于所述UWB定位传感器是将至少四个传感器通过以太网连接到网络交换机上，将其中的一个指定为主传感器，其它为从传感器，每个从传感器的时间同步线通过屏蔽以太网线连接到主传感器上；每个所述 UWB室内定位传感器，安装在飞艇飞行的有效室内空间里，对载有定位标签的飞艇进行定位；由地面站模块接收来自飞艇定位模块的信息；通过交换机与UWB服务器相连，来获取飞艇定位信息。
2.根据权利要求1所述的用于室内飞艇的定位系统，其特征在于所述UWB室内定位传感器包含一个天线阵列和UWB信号接收器。
3.根据权利要求1所述的用于室内飞艇的定位系统，其特征在于每个所述UWB室内定位传感器位于室内有效空间的最高点，其工作面正中央朝向监控地面的中心位置。
专利摘要用于室内飞艇的定位系统，是为解决飞艇在室内环境无法达到与室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息及单独使用UWB超宽带定位，存在飞艇离地面过近时UWB定位数据会出现误差的技术问题而设计的。该系统由UWB室内定位传感器，定位系统通信链路、UWB定位服务器、网络交换机及网络连接部分组成；UWB定位传感器通过以太网连到网络交换机上，一个为主传感器，其它为从传感器；每个从传感器的时间同步线通过屏蔽以太网线连接到主传感器上；每个UWB室内定位传感器安装在飞艇飞行的有效室内空间对载有定位标签的飞艇定位；由地面站接收来自飞艇定位信息；通过交换机与UWB定位服务器相连获取飞艇定位信息。有益效果采用超宽带无线通信技术与UWB室内定位传感器相结合及利用网络资源实现室内飞艇定位。提高了定位精度和实时性。
文档编号H04W4/02GK202178871SQ201120248759
公开日2012年3月28日 申请日期2011年7月14日 优先权日2011年7月14日
发明者吴星刚, 张森悦, 李一波, 胡为 申请人:沈阳航空航天大学