一种应用于无人机的低成本差分GPS系统及其实现方法

摘要

本发明提供一种应用于无人机的低成本差分GPS系统，包括均安装于地面基站上，用于接收卫星星历，确定卫星到地面基站的第一伪距数值及地面基站位置坐标的第一GPS接收机和用于数据收发的第一电台；第一GPS接收机与第一电台相连；以及均安装于无人机上，用于接收卫星星历，确定卫星到无人机的第二伪距数值及无人机位置坐标的第二GPS接收机、用于数据收发的第二电台和用于数据处理，确定无人机到地面基站距离的数据处理装置；其中，数据处理装置的两端分别与第二GPS接收机和第二电台相连，且第二电台还与第一电台无线连接。实施本发明，利用普通的低精度GPS接收机，实现无人机相对于地面固定点之间的精度定位导航。

说明书

技术领域

本发明涉及无人机技术领域及GPS通信技术领域，尤其涉及一种应用于无人机的低成本差分GPS系统及其实现方法。

背景技术

无人机广泛应用于航拍、测绘、农业、电力巡检等领域，但是目前大多数无人机厂家采用GPS技术作为无人机定位技术。

随着GPS技术的发展，差分GPS技术由于具有较好的提高GPS定位精度的能力，因此在近几十年内得到了迅速发展。然而，由于差分GPS设备价格非常昂贵，甚至高达几万到几十万元，因此导致使用成本较高，并且差分GPS设备体积较大，无法直接装配于小型无人机上，使得差分GPS技术未在无人机领域得到普及。

由此可见，低成本、轻小型差分GPS系统的缺失已经成为制约无人机行业发展的瓶颈。但由于大部分的无人机应用场景中，不需要无人机实现相对于大地坐标的绝对精确位置，只需要无人机能够实现相对某个固定点之间的相对精确位置。因此，亟需一种应用于无人机的低成本差分GPS系统，可以利用普通的低精度GPS接收机，实现无人机相对于地面固定点之间的精度定位导航。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种应用于无人机的低成本差分GPS系统及其实现方法，能够利用普通的低精度GPS接收机，实现无人机相对于地面固定点之间的精度定位导航。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种应用于无人机的低成本差分GPS系统，包括：

均安装于地面基站上，用于接收卫星星历，确定所接收卫星到所述地面基站的第一伪距数值及地面基站位置坐标的第一GPS接收机和用于数据收发的第一电台；其中，所述第一GPS接收机与所述第一电台相连；以及

均安装于无人机上，用于接收卫星星历，并确定所接收卫星到所述无人机的第二伪距数值及无人机位置坐标的第二GPS接收机、用于与所述第一电台保持无线通信实现数据收发的第二电台和用于根据由所述第一电台和所述第二电台转发的所述第一GPS接收机所接收卫星到所述地面基站的第一伪距数值及地面基站位置坐标和卫星星历，以及直接由所述第二GPS接收机所接收卫星到所述无人机的第二伪距数值及无人机位置坐标和卫星星历，确定所述无人机到所述地面基站距离的数据处理装置；其中，所述数据处理装置的两端分别与所述第二GPS接收机和所述第二电台相连，且所述第二电台还与所述第一电台通过无线通信方式进行连接。

其中，所述数据处理装置由ARM处理器STM32F105为核心及其外围电路形成。

其中，所述第一GPS接收机和所述第二GPS接收机的型号均为Ublox 4T。

其中，所述第一电台和所述第二电台的型号均为GE-MDS-iNET300。

本发明实施例还提供了一种应用于无人机的低成本差分GPS系统实现方法，其在包括前述的低成本差分GPS系统中实现，所述方法包括：

根据第一GPS接收机或第二GPS接收机接收到的卫星星历，选择卫星，并确定地面基站的位置坐标及所选卫星的位置坐标，且进一步根据所述确定的地面基站的位置坐标及所选卫星的位置坐标，得到所述地面基站到所选卫星的实际距离；

获取所述第一GPS接收机中所选卫星到所述地面基站的第一伪距数值，并根据所述第一伪距数值和所述得到的地面基站到所选卫星的实际距离，计算出差分校正量；

获取所述第二GPS接收机中所接收卫星到所述无人机的第二伪距数值及无人机位置坐标，并根据所述获取到的第二伪距数值及无人机位置坐标，以及所述计算出的差分校正量，计算出所述无人机到所述地面基站的距离。

其中，所述获取所述第二GPS接收机中所接收卫星到所述无人机的第二伪距数值及无人机位置坐标，并根据所述获取到的第二伪距数值及无人机位置坐标，以及所述计算出的差分校正量，计算出到所述无人机到所述地面基站的距离的步骤具体包括：

获取所述第二GPS接收机中所接收卫星到所述无人机的第二伪距数值及无人机位置坐标，根据所述计算出的差分校正量，修正所述获取到的第二伪距数值，并进一步修正无人机的位置坐标；

根据所述修正后的无人机的位置坐标以及所述地面基站的位置坐标，得到所述无人机到所述地面基站的距离。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明实施例中，由于根据由第一电台和第二电台转发的第一GPS接收机所接收卫星到地面基站的第一伪距数值及地面基站位置坐标和卫星星历，以及直接由第二GPS接收机所接收卫星到所述无人机的第二伪距数值及无人机位置坐标和卫星星历，可以确定出无人机到地面基站的距离，整个计算过程相对简单，计算了相对小，只是利用普通的低精度GPS接收机，就可以实现无人机相对于地面固定点之间的精度定位导航；同时由于第一GPS接收机、第二GPS接收机、第一电台、第二电台和数据处理装置成本较低，因此大大节省了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的应用于无人机的低成本差分GPS系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的应用于无人机的低成本差分GPS系统实现方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种应用于无人机的低成本差分GPS系统，包括：

均安装于地面基站(未图示)上，用于接收卫星星历，确定所接收卫星到所述地面基站的第一伪距数值及地面基站位置坐标的第一GPS接收机1和用于数据收发的第一电台2；其中，第一GPS接收机1与第一电台相连2；以及

均安装于无人机(未图示)上，用于接收卫星星历，并确定所接收卫星到所述无人机的第二伪距数值及无人机位置坐标的第二GPS接收机3、用于与第一电台2保持无线通信实现数据收发的第二电台4和用于根据由第一电台2和第二电台4转发的第一GPS接收机1所接收卫星到地面基站的第一伪距数值及地面基站位置坐标和卫星星历，以及直接由第二GPS接收机3所接收卫星到无人机的第二伪距数值及无人机位置坐标和卫星星历，确定无人机到地面基站距离的数据处理装置5；其中，数据处理装置5的两端分别与第二GPS接收机3和第二电台4相连，且第二电台4还与第一电台2通过无线通信方式进行连接。

在一个实施例中，数据处理装置5由ARM处理器STM32F105为核心及其外围电路形成，第一GPS接收机1和第二GPS接收机3的型号均为Ublox 4T；第一电台2和第二电台4的型号均为GE-MDS-iNET300。

本发明实施例中应用于无人机的低成本差分GPS系统的工作原理为：第一GPS接收机1将接收到的GPS信息通过第一电台2、第二电台4的通讯链路发送到数据处理装置5中，此时第二GPS接收机3将接收到的数据也发送到数据处理装置中；其中，数据包括：卫星星历、接收到卫星到接收机伪距数值(如第一伪距数值和第二伪距数值)、定位信息(如地面基站的位置坐标和无人机的位置坐标)。数据处理装置5利用上述数据，采用一定的方法，解算出第一GPS接收机11现对于第二GPS接收机12的相对位置，即地面基站到无人机之间的距离。

如图2所示，为本发明实施例中，提供的一种应用于无人机的低成本差分GPS系统实现方法，其在包括前述的低成本差分GPS系统中实现，所述方法包括：

步骤S1、根据第一GPS接收机或第二GPS接收机接收到的卫星星历，选择卫星，并确定地面基站的位置坐标及所选卫星的位置坐标，且进一步根据所述确定的地面基站的位置坐标及所选卫星的位置坐标，得到所述地面基站到所选卫星的实际距离；

步骤S2、获取所述第一GPS接收机中所选卫星到所述地面基站的第一伪距数值，并根据所述第一伪距数值和所述得到的地面基站到所选卫星的实际距离，计算出差分校正量；

步骤S3、获取所述第二GPS接收机中所接收卫星到所述无人机的第二伪距数值及无人机位置坐标，并根据所述获取到的第二伪距数值及无人机位置坐标，以及所述计算出的差分校正量，计算出所述无人机到所述地面基站的距离。

在本发明实施例中，步骤S3具体包括：

获取所述第二GPS接收机中所接收卫星到所述无人机的第二伪距数值及无人机位置坐标，根据所述计算出的差分校正量，修正所述获取到的第二伪距数值，并进一步修正无人机的位置坐标；

根据所述修正后的无人机的位置坐标以及所述地面基站的位置坐标，得到所述无人机到所述地面基站的距离。

在一个实施例中，根据地面基站第一GPS接收的卫星星历，选择可用性良好的卫星，计算出所选卫星的位置坐标(Xs，Ys，Zs)。

确定基站位置为(X，Y，Z)，则基站到卫星的实际距离为

$R=\sqrt{{(Xs-X)}^2+{(Ys-Y)}^2+{(Zs-Z)}^2}$

而基站GPS的伪距观测量为

$\rho =\sqrt{{(Xs-X)}^2+{(Ys-Y)}^2+{(Zs-Z)}^2}+{\mathrm{c\Delta t}}_r+{\mathrm{c\Delta t}}_s+ϵ+\delta +\xi +\mu +\lambda +ϵ\left(t\right)$

其中c为光速；Δtr,Δts分别为接收机和卫星的钟差；ε为电离层效应引起的测距误差；ξ为对流层效应引起的测距误差；δ为接收机通道偏差，引起的测距误差；λ为接收机噪声引起的测距误差；μ为地面多径效应引起的测距误差；；ε(t)为接收机测量噪声

根据基站测得的第一伪距数值与实际距离作差可得差分校正量

Δ_DGPS＝R-ρ＝-(cΔt_r+cΔt_s+ε+δ+ξ+μ+λ+ε(t))

将第二距数值用泰勒级数在概略点展开后，引入差分校正量可得

Δρ＝lδx+mδy+nδz+Δ_DGPS+cΔt_r+cΔt_s+ε+δ+ξ+μ+λ+ε(t)

其中，l、m、n为无人机到所选卫星之间的视线分量，则修改后的伪距抵消了绝大部分共同误差。用修改后的伪距进行定位，采用最小二乘法，可得到定位参数：X＝[δx δy δz cΔt_r]^T＝(A^TA)^-1A^TL

根据定位参数，计算出无人机到地面基站的距离。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明实施例中，由于根据由第一电台和第二电台转发的第一GPS接收机所接收卫星到地面基站的第一伪距数值及地面基站位置坐标和卫星星历，以及直接由第二GPS接收机所接收卫星到所述无人机的第二伪距数值及无人机位置坐标和卫星星历，可以确定出无人机到地面基站的距离，整个计算过程相对简单，计算了相对小，只是利用普通的低精度GPS接收机，就可以实现无人机相对于地面固定点之间的精度定位导航；同时由于第一GPS接收机、第二GPS接收机、第一电台、第二电台和数据处理装置成本较低，因此大大节省了成本。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。