基于高精度差分定位的無人機系統研究

李庭威 王峰 黃祖德 夏佩 龍保任

摘要：RTK實時動態差分技術采用了載波相位動態實時差分方法，基于實時處理兩個觀測站點的載波相位，能夠實時監測出觀測點的三維坐標，可以做到厘米級別的高精度。設計基于RTK技術的基站，將RTK技術與無人機相結合，可以實現無人機的高精度飛行。

關鍵詞：載波相位差分技術；基站；python服務器；無人機；飛控

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）07-0258-03

Abstract：Based on the real-time processing of the carrier phase of two stations， real - time kinematic technology can provide the three-dimensional coordinates of the observation point in real time and reach the centimeter level of high precision. Based on the RTK technology design of the base station， the RTK technology and unmanned aerial vehicles combine to achieve high-precision UAV flight.

Key words： Real Time Kinematic；Base station；python server；UAV；flight control

1 引言

GPS（Global Position System）全球定位系統具有全球范圍覆蓋、全天候、高精度的特點，已經廣泛應用于世界的各行各業。在GPS差分系統中，將GPS信號接收機安裝在已知坐標位置點上，并作為基準站接收機，基準站接收機接收到GPS衛星信號后，計算出差分矯正量，并將此差分矯正量發送給在此基準站服務范圍內的用戶（也叫作流動站）接收機，提高用戶接收機的定位精度。根據差分方式的不同，差分GPS可以分為基于位置的差分、基于偽距的差分、載波相位經過平滑后的偽距差分和基于載波相位的差分四種。基于載波相位的差分系統往往能夠達到最高的定位精度，最高能達到毫米級，可以用來實現精密定位。無人機（UAV）是利用無線設備以及自帶的程序進行控制操縱的不載人的飛機。在危險環境中或者執行危險任務時，相較于載人飛機，無人機優勢明顯。傳統的無人機使用GPS單點定位，定位精度在10m左右，遠遠達不到高精度作業的精度要求。而將載波相位差分技術應用到無人機上，則可以提高無人機的定位精度，對于無人機在旅游、導航、比賽、表演方面有很大的現實意義。

2 載波相位差分技術

GPS接收機如要實現定位，必須要解決兩個問題：一是要獲得可見衛星在空間坐標系中的準確位置，二是要測得各顆可見衛星到接收機的距離。由于在傳播過程中，電磁波會受到電離層、大氣層的干擾，所以這個距離會和真實的距離有些偏差，稱為偽距。GPS信號中含有各種定位信息，不同類型的接收機提供的觀測量會有所不同，載波相位測量是其中的一個基本觀測量。

載波相位差分定位技術首先需要在基準站上安裝一臺GPS信號接收機，對衛星進行持續不斷的觀測，并使用無線電實時地將觀測得到的數據和基準站的位置坐標信息發送給流動站；流動站一邊接收衛星信號，一邊通過無線電接收基準站的信息，根據載波相位差分相對定位原理實時處理數據，并以厘米級別的精度計算出流動站的三維坐標。載波相位差可以分有單差、雙差以及三差三種模型。這里介紹常用的單差和雙差模型。

3 搭建基站和無人機平臺

3.1 搭建基準站服務器

基站部分主要由GPS模塊、中央處理單元、電源和天線等組成。傳統的諾瓦泰基站性能好，但價格昂貴，且重量較大，移動不方便，所以本項目的GPS模塊部分選用ublox導航芯片。u-blox芯片是瑞士U- blox公司研發的一款芯片，體積小，功耗低，性能出色。穩定的電源是系統能夠正常工作的前提，電源設計應考慮功率、抗干擾性能、電平等基本問題。選用AMS1117三端穩壓電源，其芯片內部具有過熱保護和限流電路，保證了芯片和電源系統的穩定。天線部分選用右旋極化陶瓷介質天線，主要組成比分還有低噪聲信號模塊、接頭、線纜。這種天線的信號接收能力取決于陶瓷的分配，低噪聲信號模塊也叫LNA，能夠將信號進行放大并同時進行濾波處理。

Python是一門面向對象的直譯式的程序語言。它擁有了一組功能強大的標準庫，能夠輕松完成許多常規的任務。Twisted是用Python實現的基于事件驅動的網絡引擎框架。在基于樹莓派的Linux系統上，選用python Twisted框架，能快速搭建支持多進程并發的差分服務器。

3.2 搭建無人機平臺

無人機設計可以分為硬件設計和軟件設計兩部分。硬件板卡設計主要是采用樹莓派linux平臺做底板，重復利用設計好的ublox模塊作為GPS，再加上氣壓計、加速度計傳感器等設計頂板，底板加頂板組成飛控板。飛行控制器采用STM32為中央處理器，主要完成傳感器數據的采集、姿態解算、組合導航、實驗數據傳輸、控制量輸出等功能。慣性測量單元采用MPU9250芯片，MPU9250芯片是一個9軸姿態傳感芯片，其中包含了3軸加速度傳感器、3軸角速度傳感器以及3軸磁力計。無人計選用最常見的四旋翼飛行器。飛行器機體的前后、左右四個方向是飛行器的四個旋翼，這四個旋翼位于同一水平高度上，而且四個旋翼的大小和設計都一樣，飛行器的支架端安裝著動力裝置——四個電機，支架的中間部分安裝著飛行控制計算機樹莓派，實物圖如圖3。

RTKLIB是日本東京海洋大學（Tokyo University of Marine Science and Technology）開發的開源程序包，供標準的GNSS全球導航系統使用。在基于樹莓派的Linux系統上下載安裝RTKLIB，，編譯運行后可以實時得到基站或流動站的經緯高坐標。通過編寫socket套接字，讓定位的rtklib軟件與無人機軟件實現進程間通信，這樣就可以在無人機上得到位置信息。

圖4是基站服務器系統與無人機差分系統結合的基本框架。基準站系統對衛星進行連續觀測，并通過4G模塊實時地將觀測得到的數據和基站坐標信息發送給無人機差分系統；無人機差分系統一邊接收衛星信號，一邊通過4G接收模塊接收基準站信息，根據載波相位差分相對定位原理實時處理數據并以厘米級的精度計算出無人機的三維坐標，根據Mavlink無人機控制協議通過數傳電臺將坐標傳給地面站，并實時顯示在電腦上。

圖5左邊部分是單點定位的精度效果，右邊部分是使用基站后差分定位的精度效果。可以看到，在未使用差分技術前，在不同時刻定位出來的點比較分散，離實際位置較遠。圖中一格代表2米，單點定位精度大概在10米左右。使用載波相位差分技術后，不同時刻的定位結果非常集中，都在離實際位置非常近的地方，定位精度達到分米級。

在無人機起飛前，還需要在電腦上安裝Mission Planner軟件。Mission Planner是無人機地面控制站軟件，適用于固定翼，旋翼機和地面車，僅僅在windows系統下工作。Mission Planner可給無人機提供配置工具或動力學控制，完成遙控校準、加速度校準和羅盤校準。在完成各類參數的設定后，組裝飛機，完成各類安全檢查后試飛。

4 結束語

本論文分析了載波相位差分技術，設計了基于ublox的基準站，并重復利用該基站搭建無人機平臺。此外，還設計了無人機硬件，使用APM飛控軟件，調節PID參數。將載波相位差分技術與無人機技術相結合，具有較大的現實意義。

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