李庭威 王峰 黃祖德 夏佩 龍保任

摘要：RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，基于實(shí)時(shí)處理兩個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的載波相位，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)出觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可以做到厘米級(jí)別的高精度。設(shè)計(jì)基于RTK技術(shù)的基站，將RTK技術(shù)與無(wú)人機(jī)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的高精度飛行。

關(guān)鍵詞：載波相位差分技術(shù)；基站；python服務(wù)器；無(wú)人機(jī)；飛控

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(tǒng)具有全球范圍覆蓋、全天候、高精度的特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界的各行各業(yè)。在GPS差分系統(tǒng)中，將GPS信號(hào)接收機(jī)安裝在已知坐標(biāo)位置點(diǎn)上，并作為基準(zhǔn)站接收機(jī)，基準(zhǔn)站接收機(jī)接收到GPS衛(wèi)星信號(hào)后，計(jì)算出差分矯正量，并將此差分矯正量發(fā)送給在此基準(zhǔn)站服務(wù)范圍內(nèi)的用戶（也叫作流動(dòng)站）接收機(jī)，提高用戶接收機(jī)的定位精度。根據(jù)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(jīng)過(guò)平滑后的偽距差分和基于載波相位的差分四種?；谳d波相位的差分系統(tǒng)往往能夠達(dá)到最高的定位精度，最高能達(dá)到毫米級(jí)，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)精密定位。無(wú)人機(jī)（UAV）是利用無(wú)線設(shè)備以及自帶的程序進(jìn)行控制操縱的不載人的飛機(jī)。在危險(xiǎn)環(huán)境中或者執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)時(shí)，相較于載人飛機(jī)，無(wú)人機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)使用GPS單點(diǎn)定位，定位精度在10m左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高精度作業(yè)的精度要求。而將載波相位差分技術(shù)應(yīng)用到無(wú)人機(jī)上，則可以提高無(wú)人機(jī)的定位精度，對(duì)于無(wú)人機(jī)在旅游、導(dǎo)航、比賽、表演方面有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 載波相位差分技術(shù)

GPS接收機(jī)如要實(shí)現(xiàn)定位，必須要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是要獲得可見(jiàn)衛(wèi)星在空間坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確位置，二是要測(cè)得各顆可見(jiàn)衛(wèi)星到接收機(jī)的距離。由于在傳播過(guò)程中，電磁波會(huì)受到電離層、大氣層的干擾，所以這個(gè)距離會(huì)和真實(shí)的距離有些偏差，稱為偽距。GPS信號(hào)中含有各種定位信息，不同類型的接收機(jī)提供的觀測(cè)量會(huì)有所不同，載波相位測(cè)量是其中的一個(gè)基本觀測(cè)量。

載波相位差分定位技術(shù)首先需要在基準(zhǔn)站上安裝一臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行持續(xù)不斷的觀測(cè)，并使用無(wú)線電實(shí)時(shí)地將觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站的位置坐標(biāo)信息發(fā)送給流動(dòng)站；流動(dòng)站一邊接收衛(wèi)星信號(hào)，一邊通過(guò)無(wú)線電接收基準(zhǔn)站的信息，根據(jù)載波相位差分相對(duì)定位原理實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，并以厘米級(jí)別的精度計(jì)算出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)。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(wú)人機(jī)平臺(tái)

3.1 搭建基準(zhǔn)站服務(wù)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(tǒng)的諾瓦泰基站性能好，但價(jià)格昂貴，且重量較大，移動(dòng)不方便，所以本項(xiàng)目的GPS模塊部分選用ublox導(dǎo)航芯片。u-blox芯片是瑞士U- blox公司研發(fā)的一款芯片，體積小，功耗低，性能出色。穩(wěn)定的電源是系統(tǒng)能夠正常工作的前提，電源設(shè)計(jì)應(yīng)考慮功率、抗干擾性能、電平等基本問(wèn)題。選用AMS1117三端穩(wěn)壓電源，其芯片內(nèi)部具有過(guò)熱保護(hù)和限流電路，保證了芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定。天線部分選用右旋極化陶瓷介質(zhì)天線，主要組成比分還有低噪聲信號(hào)模塊、接頭、線纜。這種天線的信號(hào)接收能力取決于陶瓷的分配，低噪聲信號(hào)模塊也叫LNA，能夠?qū)⑿盘?hào)進(jìn)行放大并同時(shí)進(jìn)行濾波處理。

Python是一門面向?qū)ο蟮闹弊g式的程序語(yǔ)言。它擁有了一組功能強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，能夠輕松完成許多常規(guī)的任務(wù)。Twisted是用Python實(shí)現(xiàn)的基于事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)引擎框架。在基于樹(shù)莓派的Linux系統(tǒng)上，選用python Twisted框架，能快速搭建支持多進(jìn)程并發(fā)的差分服務(wù)器。

3.2 搭建無(wú)人機(jī)平臺(tái)

無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)可以分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件板卡設(shè)計(jì)主要是采用樹(shù)莓派linux平臺(tái)做底板，重復(fù)利用設(shè)計(jì)好的ublox模塊作為GPS，再加上氣壓計(jì)、加速度計(jì)傳感器等設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)的采集、姿態(tài)解算、組合導(dǎo)航、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸、控制量輸出等功能。慣性測(cè)量單元采用MPU9250芯片，MPU9250芯片是一個(gè)9軸姿態(tài)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(jì)。無(wú)人計(jì)選用最常見(jiàn)的四旋翼飛行器。飛行器機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向是飛行器的四個(gè)旋翼，這四個(gè)旋翼位于同一水平高度上，而且四個(gè)旋翼的大小和設(shè)計(jì)都一樣，飛行器的支架端安裝著動(dòng)力裝置——四個(gè)電機(jī)，支架的中間部分安裝著飛行控制計(jì)算機(jī)樹(shù)莓派，實(shí)物圖如圖3。

RTKLIB是日本東京海洋大學(xué)（Tokyo University of Marine Science and Technology）開(kāi)發(fā)的開(kāi)源程序包，供標(biāo)準(zhǔn)的GNSS全球?qū)Ш较到y(tǒng)使用。在基于樹(shù)莓派的Linux系統(tǒng)上下載安裝RTKLIB，，編譯運(yùn)行后可以實(shí)時(shí)得到基站或流動(dòng)站的經(jīng)緯高坐標(biāo)。通過(guò)編寫socket套接字，讓定位的rtklib軟件與無(wú)人機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信，這樣就可以在無(wú)人機(jī)上得到位置信息。

圖4是基站服務(wù)器系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)差分系統(tǒng)結(jié)合的基本框架。基準(zhǔn)站系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并通過(guò)4G模塊實(shí)時(shí)地將觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)和基站坐標(biāo)信息發(fā)送給無(wú)人機(jī)差分系統(tǒng)；無(wú)人機(jī)差分系統(tǒng)一邊接收衛(wèi)星信號(hào)，一邊通過(guò)4G接收模塊接收基準(zhǔn)站信息，根據(jù)載波相位差分相對(duì)定位原理實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)并以厘米級(jí)的精度計(jì)算出無(wú)人機(jī)的三維坐標(biāo)，根據(jù)Mavlink無(wú)人機(jī)控制協(xié)議通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)將坐標(biāo)傳給地面站，并實(shí)時(shí)顯示在電腦上。

圖5左邊部分是單點(diǎn)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?？梢钥吹?，在未使用差分技術(shù)前，在不同時(shí)刻定位出來(lái)的點(diǎn)比較分散，離實(shí)際位置較遠(yuǎn)。圖中一格代表2米，單點(diǎn)定位精度大概在10米左右。使用載波相位差分技術(shù)后，不同時(shí)刻的定位結(jié)果非常集中，都在離實(shí)際位置非常近的地方，定位精度達(dá)到分米級(jí)。

在無(wú)人機(jī)起飛前，還需要在電腦上安裝Mission Planner軟件。Mission Planner是無(wú)人機(jī)地面控制站軟件，適用于固定翼，旋翼機(jī)和地面車，僅僅在windows系統(tǒng)下工作。Mission Planner可給無(wú)人機(jī)提供配置工具或動(dòng)力學(xué)控制，完成遙控校準(zhǔn)、加速度校準(zhǔn)和羅盤校準(zhǔn)。在完成各類參數(shù)的設(shè)定后，組裝飛機(jī)，完成各類安全檢查后試飛。

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文分析了載波相位差分技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于ublox的基準(zhǔn)站，并重復(fù)利用該基站搭建無(wú)人機(jī)平臺(tái)。此外，還設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)硬件，使用APM飛控軟件，調(diào)節(jié)PID參數(shù)。將載波相位差分技術(shù)與無(wú)人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

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