高精度定位导航系统及方法与流程

本发明涉及定位导航领域，尤其涉及一种高精度定位导航系统及方法。

背景技术

随着现代信息技术的快速发展，无人机的应用已经渗透到安防监控、电力巡检、智能检修等各个行业场景。保证无人机精确的起降是实现安全飞行的前提，因此无人机必须具备感知、认知和行动三大功能，其中实现对环境的感知是无人机自主飞行的必要条件。由于无人机飞行过程复杂，并且飞行环境存在不可控因素，对无人机的精准定位对稳定飞行起着举足轻重的作用。

在行业大规模应用下，无人机的起降场地通常需要容纳数十架无人机，在起飞和降落时，为防止无人机发生碰撞，并且保障无人机能够按照设定的航线自主飞行，因此需要对无人机有高精度的定位。目前，无人机的户外定位主要依靠gps实现，民用gps定位精度为数米级，因此在无人机大规模应用时，起降场的运营效率过低；并且如果gps存在遮挡，定位精度会降至数十米，在无人机大规模应用时，由于位置信息不准确，存在碰撞的风险。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的第一个目的在于提供一种高精度定位导航系统。该系统具有不同的定位导航模式，并且能够根据物体的高度切换调整至适宜的导航模式。

本发明的第二个目的在于提供一种高精度定位导航方法。该方法能根据不同的情况切换不同的组合导航模式，能够提高定位导航系统的鲁棒性，即使在有干扰的情况下仍能够实现安全切换。

本发明的第三个目的在于提供一种设置有上述定位导航系统的无人机。

为实现上述第一个目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种近地面高精度定位导航系统，所述定位导航系统包括：

第一定位模块，

第二定位模块，

惯性测量模块，与第一定位模块配合使用组成第一导航模式，与第二定位模块配合使用组成第二导航模式，与第一定位模块和第二定位模块同时配合使用组成第三导航模式；以及

控制模块；

所述控制模块能够根据待导航物体所处的高度和位置信息控制所述定位导航系统在第一导航模式、第三导航模式、以及第二导航模式之间进行切换来定位和导航。

优选地，所述第一定位模块包括uwb模块。

优选地，所述uwb模块包括设置在环境中的多个uwb锚点，以及设置在待导航物体上的uwb标签。

优选地，所述第二定位模块包括gps模块。

优选地，所述惯性测量模块包括惯性测量单元。

优选地，当所述待导航物体位于近空领域时，所述定位导航系统处于第一导航模式；

当所述待导航物体位于高空领域时，所述定位导航系统处于第二导航模式；

当所述待导航物体位于近空领域与高空领域之间的过渡领域时，所述定位导航系统处于第三导航模式。

优选地，所述定位导航系统还包括：

通讯模块，用于向外部传输待导航物体的定位和导航信息，并接收来自外部的指令信息。

优选地，所述定位导航系统还包括：

地面控制站，根据待导航物体的定位和导航信息，发出控制指令，以实现对待导航物体的路径规划和/或编队控制。

为实现上述第二个目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种近地面高精度定位导航方法，所述方法包括如下步骤：

获取待导航物体的大致高度和位置信息；

根据待导航物体的大致高度和位置信息，判断待导航物体所处的空间领域，启动和/或切换到对应的导航模式进行定位和导航；

其中，包括

判断待导航物体是否位于第一空间位置，若是，启动和/或切换到第一导航模式；

判断待导航物体是否位于第二空间位置，若是，启动和/或切换到第二导航模式；

判断待导航物体是否位于第三空间位置，若是，启动和/或切换到第三导航模式。

优选地，所述第一导航模式包括imu/uwb导航模式。

优选地，所述第二导航模式包括imu/gps导航模式。

优选地，所述第三导航模式包括imu/uwb/gps导航模式。

优选地，所述第一空间位置包括近空领域。

优选地，所述第二空间位置包括高空领域。

优选地，所述第三空间位置包括过渡领域。

优选地，所述方法中，当从所述第一导航模式或者第二导航模式切换到第三导航模式时，运行大航向角对准模型完成第一导航模式的坐标系和第二导航模式的坐标系之间的对准。

优选地，所述方法中，利用卡尔曼滤波方程的状态方差作为导航模式之间切换的判断依据。

优选地，所述方法中，获取待导航物体的大致高度和位置信息的方法包括气压计测量、视觉装置测量、gps测量、tof测距。

优选地，所述待导航物体为无人机。

本发明还公开一种飞行器，所述飞行器上设置有上所述的近地面高精度定位导航系统。

本发明有益效果：

1、本发明的定位导航系统具有不同的定位导航模式，并且能够根据物体的高度切换调整至适宜的导航模式；

2、本发明的定位导航系统融合gps和uwb技术，将提供优于现有技术中基于gps的定位精度，定位精度高达约十厘米；

3、本发明的定位导航系统能够利用通讯设备将定位信息发送至地面控制站，地面控制站通过可视化界面显示所有物体的位置，并依此进行编队控制和路径规划；

4、本发明的定位导航方法，能够根据不同的情况切换不同的组合导航模式，提高定位系统的鲁棒性，即使在有干扰的情况下仍能够实现安全切换和定位；

5、本发明的定位导航方法，克服了目前民用gps定位精度过低的问题，能够在无人机大规模应用时提供可靠的位置信息，提高无人机起降场的运营效率，避免碰撞风险。

附图说明

图1示出了本发明实施例1中的一种近地面高精度定位导航系统组成示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。在这些附图中，对于相同或者相当的构成要素，标注相同标号。以下仅为本发明的最佳实施方式，本发明并不仅限于下述内容。

实施方式一

本实施方式涉及一种高精度定位导航系统，该定位导航系统包括：

第一定位模块，

第二定位模块，

惯性测量模块，其与第一定位模块配合使用组成第一导航模式，与第二定位模块配合使用组成第二导航模式，与第一定位模块和第二定位模块同时配合使用组成第三导航模式；以及

控制模块；

控制模块能够根据待导航物体所处的高度和位置信息控制定位导航系统在第一导航模式、第三导航模式、以及第二导航模式之间进行切换来定位和导航。

该定位导航系统中，第一定位模块与惯性测量模块配合使用，能够提供近空领域的高精度定位，保证该定位导航系统在近地面空间领域具有较高的精度定位。

作为本实施方式的一个具体例子，第一定位模块包括uwb模块。uwb模块包括设置在环境中的多个uwb锚点，以及设置在待导航物体上的uwb标签。当然，第一定位模块并不限于uwb模块，其他能够满足近空领域高精度定位的定位模块也能实现本实施方式的技术方案。

现有的户外定位主要依靠全球定位系统实现，通过嵌入gps模块获得经度、纬度和高度三维位置信息，同时利用多普勒效应测量三维速度。由于gps定位精度不高，特别有遮挡情况时，精度会急剧降至数十米，导致待导航物体的位置信息不可靠。

本实施方式中的uwb模块，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，适用于短距离无线通信，其定位精度可达到厘米极。其中，多个uwb锚点固定设置在近地面的环境中，优选为四个及以上uwb锚点固定设置在近地面的环境中，uwb锚点设置在待导航物体上。在地面附近的近空领域，uwb锚点接收uwb标签发射的电磁波，基于toa或tdoa原理以及uwb局部坐标系，解算出uwb标签至uwb锚点之间的距离。

该定位导航系统中，第二定位模块为能够提供高空领域定位的定位模块，其与惯性测量模块配合使用，能够保证该定位导航系统在高空领域的定位。

作为本实施方式的一个具体例子，第二定位模块包括通用的gps模块，其设置在待导航物体上，基于wgs84坐标系，提供待导航物体在高空领域中的经度、维度和高度。当然，第二定位模块并不限于gps模块，其他能够满足高空领域定位的定位模块也能实现本实施方式的技术方案，例如也可以为利用北斗系统、伽利略系统定位的定位模块。

在该导航系统中，惯性测量模块用于获取待导航物体的角速度和线加速度，递推解算出待导航物体的实时位置和姿态。其与第一定位模块和第二定位模块配合使用组成第一导航模式和第二导航模式。

作为本实施方式的一个具体例子，惯性测量模块为惯性测量单元(inertialmeasurementunit，简称imu)。该惯性测量单元与第一定位模块配合使用组成第一导航模式，记为imu/uwb导航模式；其与第二定位模块配合使用组成第二导航模式，记为imu/gps导航模式，其与第一导航模式和第二导航模式同时配合使用组成第三导航模式。

其中，在imu/uwb导航模式中，uwb模块的原始测量数据是uwb标签到uwb锚点的距离，uwb标签设置在物体上，uwb锚点是固定在某个已知位置的。要通过设计卡尔曼滤波算法，融合imu和uwb测量信息计算出物体的高精度位置信息。

在该导航系统中，控制模块用于根据待导航物体所处的高度和位置信息控制系统在第一导航模式、第三导航模式、以及第二导航模式之间进行切换来定位和导航。

作为本实施方式的一个具体例子，控制模块为微控制器(microcontrollerunit，简称mcu)，其用于处理不同的组合导航运算，提供近地面领域高达十厘米的定位精度。

具体地，当待导航物体位于近空领域时，微控制器控制定位导航系统处于第一导航模式，即imu/uwb导航模式；

当待导航物体位于高空领域时，微控制器控制定位导航系统处于第二导航模式，即imu/gps导航模式；

当待导航物体位于近空领域与高空领域之间的过渡领域时，微控制器控制定位导航系统处于第三导航模式，即imu/uwb/gps导航模式。

图1示出了本发明实施例1中的一种近地面高精度定位导航系统组成示意图。

如图1所示，该近地面高精度定位导航系统包括第一定位模块uwb模块，第二定位模块gps模块，惯性测量单元imu；uwb模块又包括四个固定设置在近地面环境中的uwb锚点，以及一个设置在待导航物体上的uwb标签。其中，uwb标签、gps模块以及imu均受到微控制器的控制。

当待导航物体位于近空领域时，微控制器控制定位导航系统处于imu/uwb导航模式，计算在uwb局部坐标系下的三维位置数据；

当待导航物体位于高空领域时，微控制器控制定位导航系统处于imu/gps导航模式，计算在wgs84坐标系下的经纬度和高度信息；

当待导航物体位于近空领域与高空领域之间的过渡领域时，微控制器控制定位导航系统处于imu/uwb/gps导航模式，运行大航向角对准模型(largeazimuthalignmentmodel)完成uwb局部坐标系与wgs84坐标系之间的对准，计算位置信息。同时并利用卡尔曼滤波方程的状态方差作为模态切换的判断依据。

为了对待导航物体进行快速定位和准确控制管理，该定位导航系统还包括：

通讯模块，用于向外部传输待导航物体的定位和导航信息，并接收来自外部的指令信息，以及

地面控制站，根据待导航物体的定位和导航信息，发出控制指令，以实现对待导航物体的路径规划和/或编队控制。

通讯模块将待导航物体的三维位置信息传输至地面控制站，地面控制站系统利用待导航物体的位置信息实现编队控制和路径规划。这样，地面控制站能够通过可视化界面显示所有物体的位置，便于对待导航物体进行快速定位和实时的控制和管理。

需要注意的是，上述“低空领域”的空间范围取决于第一定位模块的定位精度范围，凡是第一模块的定位精度能达到设定要求的空间范围均为低空领域。当第一定位模块为uwb模块时，其定位精度能够达到厘米级别的范围属于低空领域，此时，低空领域指从地面至高度距地面20-30米的空间范围。优选地，低空领域指从地面至高度距地面30米的空间范围。

相应的，“高空领域”的空间范围取决于第一定位模块和第二定位模块的定位精度范围，即超出第一定位模块的定位范围，而符合第二定位模块的定位精度范围的空间范围即为高空领域。当第一定位模块为uwb模块，第二定位模块为gps模块时，低空领域指高度为距地面35-50米以上的空间范围。优选地，高空领域指高于地面45米以上的空间范围。

与上述“低空领域”和“高空领域”相对应，“过渡领域”指位于低空领域和高空领域之间的空间范围。

上述定位导航系统应用于飞行器导航领域，优选应用于无人机导航领域。

实施方式二

本实施方式涉及一种高精度定位导航方法，该方法包括如下步骤：

获取待导航物体的大致高度和位置信息；

根据待导航物体的大致高度和位置信息，判断待导航物体所处的空间领域，启动和/或切换到对应的导航模式进行定位和导航；

其中，包括

判断待导航物体是否位于第一空间位置，若是，启动和/或切换到第一导航模式；

判断待导航物体是否位于第二空间位置，若是，启动和/或切换到第二导航模式；

判断待导航物体是否位于第三空间位置，若是，启动和/或切换到第三导航模式。

作为本实施方式的一个具体例子，上述第一空间位置包括近空领域；上述第二空间位置包括高空领域；上述第三空间位置包括过渡领域。

上述第一导航模式为能够提供近空领域的高精度定位导航的导航模式，能够保证待导航物体在近地面空间领域具有较高的精度定位。

作为本实施方式的一个具体例子，第一导航模式包括imu/uwb导航模式，即惯性测量单元imu和uwb模块的组合使用模式。

其中，uwb模块包括设置在环境中的多个uwb锚点，以及设置在待导航物体上的uwb标签，基于uwb局部坐标系，给出物体的三维数据。惯性测量单元imu用于获取待导航物体的角速度和线加速度，结合uwb模块获取的数据递推解算出待导航物体的实时精确位置和姿态，其定位精度可达到厘米级别。

上述第二导航模式为能够提供高空领域定位导航的导航模块，能够保证待导航物体在高空领域的定位。

作为本实施方式的一个具体例子，第二导航模式包括imu/gps导航模式，即惯性测量单元imu和gps模块的组合使用模式。

其中，gps模块基于wgs84坐标系，提供待导航物体在高空领域中的经度、维度和高度。惯性测量模块imu用于获取待导航物体的角速度和线加速度，结合gps模块获取的数据递推解算出待导航物体的实时位置和姿态。

作为本实施方式的一个具体例子，第三导航模式包括imu/uwb/gps导航模式。在该导航模式下，同时运行uwb模块和gps模块，结合两模块给出的位置信息，利用惯性测量单元imu得出精确具体的位置信息。

进一步地，当从第一导航模式或者第二导航模式切换到第三导航模式时，运行大航向角对准模型(largeazimuthalignmentmodel)完成第一导航模式的坐标系和第二导航模式的坐标系之间的对准。

优选为当从第一导航模式或者第二导航模式首次切换到第三导航模式时，运行大航向角对准模型完成坐标系间的对准。之后在同一区域，无需再运行对准模型，直接根据已有数据进行对准。

具体地，当从第一导航模式或者第二导航模式切换到第三导航模式时，都可以运行大航向角对准模型实现uwb坐标系和wgs84导航坐标系之间的对准。经过多次估算后，获得一组对准角估计值(比如20组～30组)，处理器对这组数据进行处理，获得最优估计，即为uwb坐标系和wgs84坐标系之间的对准角。此后在该区域内飞行，无需运行大航向角模型，直接利用已经估算的对准角，运行各个卡尔曼滤波算法实现各个导航模式下的定位。

本实施方式的惯性测量单元imu可以解算出短时间内可靠的位置信息，但为防止累积误差导致的发散，本实施方式的定位导航方法基于卡尔曼滤波设计imu/uwb、imu/gps和imu/uwb/gps三种组合导航定位模式。

本实施方式的方法，在不同的空中领域，启动不同的组合导航模式。

当待导航物体位于近空领域时，启动和/或切换至imu/uwb导航模式，计算在uwb局部坐标系下的三维位置数据。

具体地，在该导航模式下，基于卡尔曼滤波设计imu/uwb组合导航融合算法，方程状态量包括位置、速度、姿态、加速度计零漂和陀螺仪零漂，共计15个变量；在uwb测量更新未到达期间，仅仅运行卡尔曼滤波的一步预测运算，此期间待导航物体的位置和姿态由捷联惯导递推而获得。

当待导航物体位于高空领域时，启动和/或切换至imu/gps导航模式，计算在wgs84坐标系下的经纬度和高度信息。

具体地，在该导航模式下，基于卡尔曼滤波的imu/gps组合导航融合算法设计与上述基于卡尔曼滤波设计imu/uwb组合导航融合算法的描述类似。

当待导航物体位于近空领域与高空领域之间的过渡领域时，启动和/或切换至imu/uwb/gps导航模式，运行大航向角对准模型完成uwb局部坐标系与wgs84坐标系之间的对准，计算位置信息。同时，利用卡尔曼滤波方程的状态方差作为导航模式之间切换的判断依据。

具体地，在该导航模式下，基于卡尔曼滤波的imu/gps和imu/uwb模式切换算法，包括位置、速度、姿态、加速度计零漂、陀螺仪零漂和方位角偏差，共计16个状态量，其中，方位角偏差是描述wgs84坐标系和uwb局部坐标系之间旋转关系的参数。通过实时卡尔曼滤波的运行，可以动态的估计出wgs84坐标系和uwb局部坐标系之间的对准转换矩阵，从而实现imu/uwb和imu/gps两种组合导航模式的切换。在两坐标系之间的方位角偏差(对准角)估计完成之后，该导航模式imu/uwb/gps运行的组合导航融合算法设计与imu/uwb、imu/gps组合导航融合算法的描述类似。

本实施方式中，利用卡尔曼滤波方程的状态方差作为模态切换的判断依据，待导航物体起飞时从imu/uwb模式向imu/gps模式切换，降落时从imu/gps向imu/uwb模式切换。

另外，本实施方式的方法，在启动和/或切换导航模式前，需要提前获取待导航物体的大致高度和位置信息，以用来判断待导航物体所处的空间领域，据此启动和/或切换到对应的导航模式进行定位和导航。其中，获取待导航物体的大致高度和位置信息的方法包括采用设置于带导航物体上的气压计测量、地面的视觉装置测量、gps测量、tof测距等等。

具体地，通过上述装置的测量获取待导航物体的大致高度和位置信息，借助卡尔曼滤波方程计算出卡尔曼滤波方程的状态方差，基于高度数据和状态方差来做具体的判断。

本实施方式中所述的“低空领域”的空间范围取决于第一定位模块的定位精度范围，凡是第一模块的定位精度能达到设定要求的空间范围均为低空领域。当第一定位模块为uwb模块时，其定位精度能够达到厘米级别的范围属于低空领域，此时，低空领域指从地面至高度距地面20-30米的空间范围。优选地，低空领域指从地面至高度距地面30米的空间范围。

相应的，“高空领域”的空间范围取决于第一定位模块和第二定位模块的定位精度范围，即超出第一定位模块的定位范围，而符合第二定位模块的定位精度范围的空间范围即为高空领域。当第一定位模块为uwb模块，第二定位模块为gps模块时，低空领域指高度为距地面35-50米以上的空间范围。优选地，高空领域指高于地面45米以上的空间范围。

与上述“低空领域”和“高空领域”相对应，“过渡领域”指位于低空领域和高空领域之间的空间范围。

作为本实施方式的一个具体例子，上述待导航物体为飞行器，优选为无人机。

作为本实施方式的一个具体例子，上述定位导航方法基于如实施方式一所述的定位导航系统而实现。

本实施方式中涉及到的与实施方式一中相同或相似的部分，参照实施方式一中的相关内容描述，此处省略重复的说明。

本实施方式的高精度定位导航方法适用于飞行器导航领域，优选适用于无人机导航领域。

本实施方式的定位导航方法，能够根据不同的情况切换不同的组合导航模式，提高定位系统的鲁棒性，即使在有干扰的情况下仍能够实现安全切换和定位。

本实施方式的定位导航方法，克服了目前民用gps定位精度过低的问题，能够在无人机大规模应用时提供可靠的位置信息，提高无人机起降场的运营效率，避免碰撞风险。

实施方式三

本实施方式涉及一种飞行器，该飞行器上安装有如实施方式一所述的高精度定位导航系统，并且按照如实施方式二所述的高精度定位导航方法对该飞行器进行定位和导航。

上述飞行器优选无人机。上述定位导航系统和定位导航方法的详细描述分别参照实施方式一和实施方式二，在此省略重复的说明。

以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进。这些变型和改进也视为本发明的保护范围。