一种基于卫星授时的空中飞行设备定位系统的制作方法

一种基于卫星授时的空中飞行设备定位系统
1.技术领域
2.本发明涉及卫星定位技术领域，具体涉及一种基于卫星授时的空中飞行设备定位系统。


背景技术：

3.空中飞行设备包括飞艇、无人机、滑翔机等，其中，飞艇是一种轻于空气的航空器，它与热气球最大的区别在于具有推进和控制飞行状态的装置；飞艇由巨大的流线型艇体、位于艇体下面的吊舱、起稳定控制作用的尾面和推进装置组成；无人机是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，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作，与有人驾驶的飞机相比，无人机按应用领域，可分为军用与民用；滑翔机大多没有动力装置，重于空气的固定翼航空器。可由飞机拖曳起飞，也可用绞盘车或汽车牵引起飞，还可从高坡上下滑到空中。在无风情况下，滑翔机在下滑飞行中依靠自身重力的分量获得前进动力，这种损失高度的无动力下滑飞行称滑翔。在上升气流中，滑翔机可像老鹰展翅那样平飞或升高。
4.在上述各类空中飞行设备中，常用自带的卫星定位系统实现定位，但自带的当卫星定位系统出现故障时，便无法实现精确的定位工作，很容易导致空中飞行设备受损，造成极大损失。上述问题亟待解决，为此，提出一种基于卫星授时的空中飞行设备定位系统。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于：如何解决当空中飞行设备的卫星定位系统出现故障时，存在的无法实现精确的定位工作，进而容易导致空中飞行设备受损，造成极大损失的问题，提供了一种基于卫星授时的空中飞行设备定位系统。
6.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括：卫星授时模块、地面基站模块、授时接收控制模块、图像处理模块、高度获取模块、超宽带测距模块、后台处理模块；所述卫星授时模块，设置在卫星上，用于在接收地面基站模块的授时请求后，向地面基站模块发送授时信号，或直接向空中飞行设备发送授时信号；所述地面基站模块，设置在地面基站中，用于接收后台处理模块的授时请求指令，并向卫星授时模块中发送授时请求，然后接收卫星授时模块发出的授时信号，发送至授时接收控制模块中；所述授时接收控制模块，设置在空中飞行设备中，用于控制接收卫星授时模块中直接发送的授时信号或者地面基站模块发送的授时信号数据包，并发送至后台处理模块中；所述图像处理模块，设置在空中飞行设备中，用于实时获取地面标识形状图片，并
对地面标识形状图片进行预处理、目标识别、轮廓检测处理，获取图片中地面标识形状轮廓长度信息；所述高度获取模块，用于获取空中飞行设备距离地面的高度值；所述超宽带测距模块，为设置在空中飞行设备与地面基站上的超宽带测距接收单元、超宽带测距发射单元，用于获取空中飞行设备与地面基站之间的距离值；所述后台处理模块，设置在后台控制中心，用于通过计算对空中飞行设备在大地坐标系下的位置进行更新，同时对时间进行同步工作。
7.更进一步地，所述卫星授时模块包括第一授时发送单元、第二授时发送单元、第一请求接收单元；所述第一授时发送单元用于直接向空中飞行设备的卫星定位系统发送授时信号，由空中飞行设备的卫星定位系统接收；所述第二授时发送单元用于在接收地面基站模块的授时请求后，向地面基站模块发送授时信号；所述第一请求接收单元用于接收地面基站模块的授时请求，并通过第二授时发送单元发送授时信号。
8.更进一步地，所述地面基站模块包括第一授时信号接收单元、第三授时信号发送单元、第二请求接收单元，所述第二请求接收单元用于接收后台处理模块的授时请求指令，并向卫星授时模块中的第一请求接收单元发送授时请求；所述第三授时信号接收单元用于接收卫星授时模块中第一授时发送单元的授时信号，并将接收到的授时信号发送至第三授时信号发送单元；所述第三授时信号发送单元用于将第一授时信号接收单元接收到的授时信号以及基站编号信息压缩，得到授时信号数据包，发送至授时接收控制模块中。
9.更进一步地，所述授时接收控制模块包括第二授时信号接收单元、第三授时信号接收单元、授时接收控制单元、信号发送单元；所述第二授时信号接收单元设置在所述空中飞行设备的卫星定位系统中，用于接收卫星授时模块中第一授时发送单元直接发送的授时信号；所述第三授时信号接收单元用于第三授时信号发送单元发送的授时信号数据包并解压，得到授时信号以及基站编号信息；所述授时接收控制单元用于检测第二授时信号接收单元是否存在故障，当检测到第二授时信号接收单元存在故障时，将第二授时信号接收单元存在故障的信息发送至后台处理模块中，并启动图像处理模块、第三授时信号接收单元、高度获取模块、超宽带测距模块；所述信号发送单元用于将第二授时信号接收到的第一授时发送单元直接发送的授时信号，或者第三授时信号接收单元接收到的授时信号数据包解压后的授时信号以及基站编号信息发送至后台处理模块。
10.更进一步地，所述图像处理模块包括图像采集单元、图像预处理单元、图像处理单元；所述图像采集单元用于实时获取地面标识形状图片；所述图像预处理单元用于对地面标识形状图片进行降噪及灰度处理；所述图像处理单元用于对经过降噪及灰度处理的地面标识形状图片中的地面标识形状进行目标识别，并对识别到地面标识形状轮廓长度进行检测计算，获取图片中地面标识形状轮廓长度信息，并将轮廓长度信息发送至后台处理模块后，供后台处理模块计算处理。
11.更进一步地，将地面基站质点化后，地面基站所在平面视为与各地面标识形状所在平面共面，各地面标识形状的轮廓长度相同。
12.更进一步地，所述图像处理单元的处理过程如下：s11：利用经过训练的目标检测网络对地面标识形状图片中的地面标识形状进行目标识别，获取包含地面标识形状的检测框，并将检测框从地面标识形状图片中裁剪出来，
得到地面标识形状检测框图片；s2：利用轮廓检测函数对地面标识形状检测框图片的地面标识形状的外轮廓长度进行检测，获取地面标识形状的外轮廓长度ln,其中n为正整数，表示不同的地面标识形状；s3：当n为1时，将单个地面标识形状的外轮廓长度l1发送至后台处理模块，当n大于1时，对各地面标识形状的外轮廓长度进行算术平均处理，得到各地面标识形状的平均外轮廓长度lr，发送至后台处理模块。
13.更进一步地，所述空中飞行设备定位系统对空中飞行设备进行定位的过程具体如下：s1：通过授时接收控制单元检测第二授时信号接收单元是否存在故障，当检测到第二授时信号接收单元存在故障时，将第二授时信号接收单元存在故障的信息发送至后台处理模块中，并启动图像处理模块、第三授时信号接收单元、高度获取模块、超宽带测距模块；s2：通过图像处理模块实时获取地面标识形状图片，并对地面标识形状图片进行预处理、目标识别、轮廓检测处理，获取图片中地面标识形状轮廓长度信息；通过第三授时信号接收单元接收第三授时信号发送单元发送的授时信号数据包并解压，得到授时信号以及基站编号信息；通过高度获取模块获取空中飞行设备距离地面的高度值；通过超宽带测距模块获取空中飞行设备与至少三个地面基站之间的距离值；并将地面标识形状轮廓长度信息、授时信号以及基站编号信息、高度值、距离值发送至后台处理模块中；s3：后台处理模块根据地面标识形状轮廓长度信息在地面标识形状轮廓长度-飞行高度范围数据库中进行查找，获取此时控制飞行设备对应的飞行高度范围，判断当前的高度获取模块获取的空中飞行设备距离地面的高度值是否在飞行高度范围内，若是则判定当前高度获取模块无故障，否则判定当前高度获取模块存在故障，并及时控制备用的高度获取模块启动，关闭当前的高度获取模块；s4：当判定当前高度获取模块无故障时，将当前高度获取模块获取的高度值作为此时空中飞行设备在大地坐标系下的高度值，同时利用空中飞行设备与至少三个地面基站之间的距离值计算空中飞行设备在大地坐标系下的经度值、维度值，进而获取空中飞行设备在大地坐标系的三轴坐标值，即位置信息，利用位置信息进行对空中飞行设备位置数据的更新工作，并利用授时信号进行时间数据的更新工作。
14.更进一步地，在所述步骤s3中，地面基站在大地坐标系下的位置根据其编号在地面基站编号-位置数据库中查找获得，至少三个地面基站中最多有两个地面基站在地面同一直线上。
15.更进一步地，地面标识形状轮廓长度-飞行高度范围数据库中包括地面标识形状轮廓长度与飞行高度范围的对应关系；地面基站编号-位置数据库中包括地面基站编号与其在大地坐标系下的位置对应关系。
16.本发明相比现有技术具有以下优点：在自带的卫星定位系统出现故障时，能够利用高度获取模块、超宽带测距模块及时计算出空中飞行设备的位置信息，进而对空中飞行设备位置数据的更新工作，并且利用卫星授时模块、地面基站模块进行间接授时，利用授时信号进行时间数据的更新工作；还利用图像识别、轮廓检测的处理方式，获取飞行高度范围数据，进而判断当前高度获取模块是否存在故障，保证了备用高度获取模块的及时启用，进
而保证了空中飞行设备的正常运行。
附图说明
17.图1是本发明实施例中基于卫星授时的空中飞行设备定位系统的总体架构图。
具体实施方式
18.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
19.如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种基于卫星授时的空中飞行设备定位系统，包括：卫星授时模块、地面基站模块、授时接收控制模块、图像处理模块、高度获取模块、超宽带测距模块、后台处理模块；在本实施例中，所述卫星授时模块，设置在卫星上，用于在接收地面基站模块的授时请求后，向地面基站模块发送授时信号，或直接向空中飞行设备发送授时信号；具体的，所述卫星授时模块包括第一授时发送单元、第二授时发送单元、第一请求接收单元；所述第一授时发送单元用于直接向空中飞行设备的卫星定位系统发送授时信号，由空中飞行设备的卫星定位系统接收；所述第二授时发送单元用于在接收地面基站模块的授时请求后，向地面基站模块发送授时信号；所述第一请求接收单元用于接收地面基站模块的授时请求，并通过第二授时发送单元发送授时信号。
20.在本实施例中，所述地面基站模块，设置在地面基站中，用于接收后台处理模块的授时请求指令，并向卫星授时模块中发送授时请求，然后接收卫星授时模块发出的授时信号，发送至授时接收控制模块中；所述地面基站模块包括第一授时信号接收单元、第三授时信号发送单元、第二请求接收单元，所述第二请求接收单元用于接收后台处理模块的授时请求指令，并向卫星授时模块中的第一请求接收单元发送授时请求；所述第三授时信号接收单元用于接收卫星授时模块中第一授时发送单元的授时信号，并将接收到的授时信号发送至第三授时信号发送单元；所述第三授时信号发送单元用于将第一授时信号接收单元接收到的授时信号以及基站编号信息压缩，得到授时信号数据包，发送至授时接收控制模块中。
21.在本实施例中，所述授时接收控制模块，设置在空中飞行设备中，用于控制接收卫星授时模块中直接发送的授时信号或者地面基站模块发送的授时信号数据包，并发送至后台处理模块中；具体的，所述授时接收控制模块包括第二授时信号接收单元、第三授时信号接收单元、授时接收控制单元、信号发送单元；所述第二授时信号接收单元设置在所述空中飞行设备的卫星定位系统中，用于接收卫星授时模块中第一授时发送单元直接发送的授时信号；所述第三授时信号接收单元用于第三授时信号发送单元发送的授时信号数据包并解压，得到授时信号以及基站编号信息；所述授时接收控制单元用于检测第二授时信号接收单元是否存在故障，当检测到第二授时信号接收单元存在故障时，将第二授时信号接收单元存在故障的信息发送至后台处理模块中，并启动图像处理模块、第三授时信号接收单元、高度获取模块、超宽带测距模块；所述信号发送单元用于将第二授时信号接收到的第一授
时发送单元直接发送的授时信号，或者第三授时信号接收单元接收到的授时信号数据包解压后的授时信号以及基站编号信息发送至后台处理模块，由后台处理模块进行时间同步和相关处理工作；需要说明的是，在后台处理模块接收授时信号时，仅需要一个地面基站发送的授时信号即可。
22.在本实施例中，所述图像处理模块，设置在空中飞行设备中，用于实时获取地面标识形状图片，并对地面标识形状图片进行预处理、目标识别、轮廓检测处理，获取图片中地面标识形状轮廓长度信息；具体的，所述图像处理模块包括图像采集单元、图像预处理单元、图像处理单元；所述图像采集单元用于实时获取地面标识形状图片；所述图像预处理单元用于对地面标识形状图片进行降噪及灰度处理；所述图像处理单元用于对经过降噪及灰度处理的地面标识形状图片中的地面标识形状进行目标识别，并对识别到地面标识形状轮廓长度进行检测计算，获取图片中地面标识形状轮廓长度信息，并将轮廓长度信息发送至后台处理模块后，供后台处理模块计算处理。
23.需要说明的是，在本实施例中，将地面基站质点化后，地面基站所在平面视为与各地面标识形状所在平面共面，各地面标识形状的轮廓长度相同，可以理解，空中飞行设备飞的越高，地面标识形状的轮廓长度在图像中的轮廓长度越小。
24.具体的，所述图像处理单元的处理过程如下：s11：利用经过大量数据集训练的目标检测网络对地面标识形状图片中的地面标识形状进行目标识别，获取包含地面标识形状的检测框，并将检测框从地面标识形状图片中裁剪出来，得到地面标识形状检测框图片；s2：利用轮廓检测函数对地面标识形状检测框图片的地面标识形状的外轮廓长度进行检测，获取地面标识形状的外轮廓长度ln,其中n为正整数，表示不同的地面标识形状；s3：当n为1，将单个地面标识形状的外轮廓长度l1发送至后台处理模块，当n大于1时，对各地面标识形状的外轮廓长度进行算术平均处理，得到各地面标识形状的平均外轮廓长度lr，发送至后台处理模块。
25.在本实施例中，所述高度获取模块，为设置在空中飞行设备上的高度传感器，用于获取空中飞行设备距离地面的高度值，并将高度值发送至后台处理模块中进行计算；在本实施例中，所述超宽带测距模块，为设置在空中飞行设备与地面基站上的超宽带测距接收单元、超宽带测距发射单元，用于获取空中飞行设备与地面基站之间的距离值，并将距离值发送至后台处理模块中进行计算；在本实施例中，所述后台处理模块，设置在后台控制中心，用于通过计算对空中飞行设备在大地坐标系下的位置进行更新，同时对时间进行同步工作；在本实施例中，所述基于卫星授时的空中飞行设备定位系统对空中飞行设备进行定位的过程具体如下：s1：通过授时接收控制单元检测第二授时信号接收单元是否存在故障，当检测到第二授时信号接收单元存在故障时，将第二授时信号接收单元存在故障的信息发送至后台处理模块中，并启动图像处理模块、第三授时信号接收单元、高度获取模块、超宽带测距模块；
s2：通过图像处理模块实时获取地面标识形状图片，并对地面标识形状图片进行预处理、目标识别、轮廓检测处理，获取图片中地面标识形状轮廓长度信息；通过第三授时信号接收单元接收第三授时信号发送单元发送的授时信号数据包并解压，得到授时信号以及基站编号信息；通过高度获取模块获取空中飞行设备距离地面的高度值；通过超宽带测距模块获取空中飞行设备与至少三个地面基站之间的距离值；并将地面标识形状轮廓长度信息、授时信号以及基站编号信息、高度值、距离值发送至后台处理模块中；s3：后台处理模块根据地面标识形状轮廓长度信息在地面标识形状轮廓长度-飞行高度范围数据库中进行查找，获取此时控制飞行设备对应的飞行高度范围，判断当前的高度获取模块获取的空中飞行设备距离地面的高度值是否在飞行高度范围内，若是则判定当前高度获取模块无故障，否则判定当前高度获取模块存在故障，并及时控制备用的高度获取模块启动，关闭当前的高度获取模块；s4：当判定当前高度获取模块无故障时，将当前高度获取模块获取的高度值作为此时空中飞行设备在大地坐标系下的高度值，同时利用空中飞行设备与至少三个地面基站之间的距离值计算空中飞行设备在大地坐标系下的经度值、维度值，进而获取空中飞行设备在大地坐标系的三轴坐标值，即位置信息，利用位置信息进行对空中飞行设备位置数据的更新工作，并利用授时信号进行时间数据的更新工作。
26.在所述步骤s3中，地面基站在大地坐标系下的位置根据其编号在地面基站编号-位置数据库中查找获得，至少三个地面基站中最多有两个地面基站在地面同一直线上。
27.在所述步骤s4中，建立空中飞行设备与各地面基站之间的空间几何关系，利用三角函数计算距离值在地面上的投影，进而求得空中飞行设备与各地面基站之间的空间对应关系，进而获取空中飞行设备在大地坐标系的三轴坐标值，即位置信息。
28.需要说明的是，地面标识形状轮廓长度-飞行高度范围数据库中包括地面标识形状轮廓长度与飞行高度范围的对应关系；地面基站编号-位置数据库中包括地面基站编号与其在大地坐标系下的位置对应关系。
29.综上所述，上述实施例的基于卫星授时的空中飞行设备定位系统，在自带的卫星定位系统出现故障时，能够利用高度获取模块、超宽带测距模块及时计算出空中飞行设备的位置信息，进而对空中飞行设备位置数据的更新工作，并且利用卫星授时模块、地面基站模块进行间接授时，利用授时信号进行时间数据的更新工作；还利用图像识别、轮廓检测的处理方式，获取飞行高度范围数据，进而判断当前高度获取模块是否存在故障，保证了备用高度获取模块的及时启用，进而保证了空中飞行设备的正常运行。
30.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。