无人机载低成本北斗_GPS实时定位精度分析.pdf

第4 6卷第5期2 0 2 3年9月现 代 测 绘M o d e r nS u r v e y i n ga n dM a p p i n gV o l.4 6,S e p t.,2 0 2 3 项目来源:江苏省水利科技项目(2 0 2 2 0 6 2)第一作者简介:周游,本科在读,研究方向为精密定位。无人机载低成本北斗/G P S实时定位精度分析周 游(河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京2 1 1 1 0 0)摘 要 北斗卫星导航系统采用3种轨道类型卫星组成的混合星座,抗遮挡能力强,同时创新融合导航与通信能力,具备全球定位、导航、授时服务能力。利用小型无人机搭载低成本北斗/G P S芯片,设计并实现软硬件系统。通过实时回传的观测数据,采用G P S、北斗以及北斗/G P S组合三种定位模式,进行实时单点定位,并对各模式下的可见卫星数、空间几何精度衰减因子和定位精度进行分析与评估。实验表明:无人机载北斗/G P S组合定位,平均P D O P值为1.4,可见卫星数达3 2,实现了较优的观测几何构型,历元利用率高。北斗/G P S组合模式与R T K接收机获取的坐标比较,在E、N、U方向上定位偏差分别达到2.5m、4.1m和2.4m。关键词 无人机;北斗/G P S;绝对单点定位;定位精度中图分类号:P 2 2 8.4 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 2-4 0 9 7(2 0 2 3)0 5-0 0 0 8-0 60 引 言在2 0 2 0年7月3 1日,北斗三号全球卫星导航系统正式开通,提供全球定位、导航和授时服务1。北斗和G P S的组合定位模式成为发展趋势之一。国内外学者在组合单点定位方面取得了丰富的研究成果2-3。例如,徐宗秋等针对复杂环境下G P S单系统精密单点定位性能较差甚至无法定位问题,研究利用G P S及北斗组合进一步提升U方向的定位性能4。闫飞等采用多星座模块,建立北斗/G P S组合定位算法,与单G P S定位结果进行对比分析,得到北斗/G P S组合定位在X、Y、Z方向的实际精度分别为3.1 1 2m、3.5 4 2m、4.0 7 3m,单G P S定位结果分别为4.9 4 6m、5.2 5 4m、7.2 7 4m5。无人机机动灵活易操作,信息传递快捷,在测绘、农业、建筑等领域的应用越来越广泛。本文基于小型无人机搭载低成本北斗/G P S芯片,设计并实现软硬件系统。通过实时回传的观测数据,采用G P S、北斗以及北斗/G P S组合3种定位模式,进行实时单点定位,并对各模式下的可见卫星数、空间几何精度衰减因子P DO P和定位精度进行分析与评估。1 绝对单点定位的基本原理低成本北斗/G P S模块采用绝对单点定位原理6,定位是通过测量卫星与接收机之间的距离来实现的,不可避免地包含着两台钟不同步的误差和电离层、对流层延迟误差等,测量出的距离并不是卫星与接受机之间的实际距离,所以称之为伪距7。伪距绝对单点定位速度快,无多值性问题,数据处理简捷,无须进行复杂的处理步骤,就能提供相对可靠的定位,适合对定位精度要求不是特别高的应用场景,其迅速定位和简洁数据处理的特点适用于无人机载低成本北斗/G P S模块定位。伪距观测方程可以表示为:i=(Xi-X)2+(Yi-Y)2+(Zi-Z)2-cVtR+cVtst-(Vi o n)i-(Vt r o p)i(1)式中,i为伪距观测值,(Xi,Yi,Zi)为卫星坐标,(X,Y,Z)为测站坐标,VtR为接收机钟差,Vtst为卫星钟差,Vi o n为电离层误差,Vt r o p为对流层误差。2 系统实现系统包括搭载低成本北斗/G P S模块、通信模块的无人机硬件系统,以及串口接收调试、数据解码计算的软件系统。目的是在无人机飞行过程中,利用北斗/G P S模块获取无人机位置信息,利用无线通信模块将数据实时回传到电脑端,并进行定位结果的评估与分析。2.1 硬件设计与实现单片机控制北斗/G P S定位模块,采集定位数据后,由通信模块发送给云平台。使用串口虚拟软件将云平台服务器映射成电脑端虚拟串口,上位机直接调用该虚拟串口实现数据的传输,并将数据在上位机实时显示。北斗卫星、无人机、定位芯片、通信模块、云平台及电脑端的拓扑关系如图1所示。图1 无人机低成本北斗/G P S定位模块拓扑关系 硬件设计的基本思想是构建搭载低成本北斗/G P S实时定位和无线通信模块的无人机系统。系统以单片机为核心,锂电池组供电,北斗/G P S双模导航定位模块实现卫星信号的采集与显示,无线通信模块建立与云平台之间的通讯,传输数据,按键模块对单片机控制,实现开启或关闭数据的传输,方便使用与调试。系统总体结构关系如图2所示。图2 系统总体结构关系图控制系统的主控芯片、各种传感器和定位模块选型非常重要,考虑到主控芯片价格、功耗、数据处理能力等,采用S TM 3 2 F系列中的S TM 3 2 F 1 0 3单片机。定位模块考虑了价格、定位精度、功耗等因素,采用高性能AT K-1 2 1 8-B D北斗/G P S定位模块。该定位模块体积小巧,性能优异,且模块自带可充电后备电池,可以掉电保持星历数据,采用NME A-0 1 8 3协议输出G P S/北斗定位数据,支持G P S或北斗单系统,以及北斗/G P S双系统等多种定位模式。通信模块AT K-M 7 5 0是一款高性能、排针小巧的全网通信产品,其优点是高速率、低延迟,支持多种协议的无线数据传输。将定位模块、通信模块和电源模块与单片机连接,集成无人机低成本北斗/G P S定位系统,如图3所示。2.2 软件实现为了实现无人机数据实时回传和动态定位,软件系统设计与实现的核心是各模块串口及其映射、定位模块数据解码计算,通信模块集成,并将软件图3 无人机低成本北斗/G P S定位硬件系统设计与实现系统生成的h e x文件烧录至单片机8。定位模块捕获北斗/G P S卫星信号并进行信号初始化,通过U S MAR T输入数据流获取函数,函数通过S Y S T EM文件夹默认的串口接收来实现输入数据流获取。当接收到0 X 0 D时,计数器将不再增加,等待0 X 0 A的到来,若没有接收到0 X 0 A,则认为本次接收失败,重新开始下一次接收。北斗/G P S接收数据处理流程如图4所示。图4 北斗/G P S数据接收流程图数据传输基于虚拟串口映射软件。设计了串口调试软件及系统,如图5所示。系统获取北斗/G P S定位模块和通信模块提供的位置信息,向操作者反馈,并在上位机实时显示,上位机对无人机平台传回的信息进行解译,将位置信息呈现在地图上,如图6所示。9第5期周 游:无人机载低成本北斗/G P S实时定位精度分析图5 串口软件图图6 位置信息输出3 定位实验与精度分析软硬件系统构建完成后,进行定位实验与精度分析。实验采用R T K结果作为参考值,对G P S、北斗、及北斗/G P S组合定位3种模式进行绝对单点定位9-1 1。分别分析各模式下可见卫星颗数、空间几何强度因子和定位精度,最后比较定位结果在东(E)、北(N)、天(U)方向上与参考值的偏差。3.1 实验数据无人机工作时采集北斗与G P S观测数据,将数据通过通信模块发送给云平台,使用串口虚拟软件将云平台服务器映射成电脑端虚拟串口,上位机直接调用该虚拟串口实现数据的双向传输,并将数据实时显示在显示屏上。在外业观测阶段,北斗/G P S模块蓝色灯光开始闪烁后,进行云平台设置、建立虚拟串口,和通讯输出检核。(1)设置云平台登录原子云平台,使用账号和密码登录,新建设备,记录设备的编号以备后续使用,如图7所示。图7 云平台虚拟成串口通讯图(2)建立虚拟串口调用串口虚拟软件,软件的主要功能是将云服务器映射成电脑端虚拟串口,实现与网络数据之间的通讯,电脑端可以直接调用软件虚拟出来的串口,以实现双向数据传输。虚拟串口的建立分为,添加串口、选择创建的虚拟串口端口号、网络参数配置,原理如图8所示。图8 串口虚拟示意图(3)通讯输出检核打开串口助手软件,选择相应的串口和波特率,打开串口,若显示区域正常显示传回的定位信息,系统输出正常。其次,进行通讯检核,分别在消息收发界面和串口助手发送框发送命令或数据,根据设备的响应和返回的数据,判断通讯是否成功。若成功接收到数据并且数据与预期一致,则表示通讯成功,后续打开串口开始数据采集,如图9和图1 0所示。图9 上位机和串口通讯图01现 代 测 绘 第4 6卷图1 0 实验数据采集图3.2 几何构型分析定位性能与卫星数量、位置、方向以及卫星空间几何构型有较强相关性,更多的可见卫星通常可以提供更好的定位精度1 2。可见卫星数量反映模块所在位置的可见卫星数,天空图提供卫星在天空中的位置和方向,精度衰减因子P D O P衡量卫星分布对定位精度的影响,P DO P值越小,卫星空间几何构型越优1 3。图1 1、图1 2分别给出了在G P S、北斗、北斗/G P S3种模式下的天空图、可见卫星数和P D O P值。图1 1 基于G P S、北斗、北斗/G P S的天空图图1 2 基于G P S、北斗、北斗/G P S的卫星数量、P D O P结果 北斗/G P S组合定位模式,大大增加了可见卫星颗数,历元利用率提高。例如,在第4 8 0历元下,单G P S只有8颗卫星,单北斗有2 4颗卫星,而北斗/G P S组 合 后,卫 星 数 提 高 到 了3 2颗,增 加 了3 3.3%。在 卫 星 空 间 几 何 构 型 方 面,G P S平 均P DO P值为1.8,北斗平均P DO P值为2.0,北斗/G P S组合时的P D O P值为1.4,降低了3 0.0%。3.3 精度分析实验通过定位模块,实现G P S、北斗和北斗/G P S组合定位3种模式单点定位,数据采集间隔为1s。原始数据流经定位模块解码、计算后,得到北斗/G P S组合定位结果,如表1所示。表1 北斗/G P S模块定位结果(平面单位/,高程单位/m)秒数/s(B,L,H)2(1 1 8.7 7 64 4,3 1.9 1 65 4,6 0.2)(1 1 8.7 7 64 0,3 1.9 1 65 4,6 0.1)4(1 1 8.7 7 64 6,3 1.9 1 65 4,6 0.2)(1 1 8.7 7 64 4,3 1.9 1 64 8,6 0.2)6(1 1 8.7 7 65 4,3 1.9 1 65 4,6 0.1)(1 1 8.7 7 64 0,3 1.9 1 64 4,6 0.2)8(1 1 8.7 7 64 4,3 1.9 1 64 8,6 0.2)(1 1 8.7 7 64 0,3 1.9 1 65 4,6 0.2)1 0(1 1 8.7 7 64 0,3 1.9 1 65 8,6 0.2)(1 1 8.7 7 64 0,3 1.9 1 65 6,6 0.2)1 2(1 1 8.7 7 64 6,3 1.9 1 65 0,6 0.2)(1 1 8.7 7 64 6,3 1.9 1 65 4,6 0.2)1 4(1 1 8.7 7 64 0,3 1.9 1 65 8,6 0.2)(1 1 8.7 7 64 4,3 1.9 1 65 4,6 0.2)1 6(1 1 8.7 7 64 4,3 1.9 1 65 6,6 0.2)(1 1 8.7 7 64 0,3 1.9 1 65 3,6 0.2)1 8(1 1 8.7 7 65 4,3 1.9 1 65 0,6 0.2)(1 1 8.7 7 65 4,3 1.9 1 64 8,6 0.1)2 0(1 1 8.7 7 64 4,3 1.9 1 65 2,6 0.2)(1 1 8.7 7 64 6,3 1.9 1 65 0,6 0.2)低 成 本 北 斗/G P S定 位 模 块 数 据 的 精 度 评估1 4-1 5方法如下:统计水平和垂直定位误差,其中水平定位分量 hj计算方法为:hj=E2j+N2j Ej=Ej-Ej(j=1,2,n)(2)Nj=Nj-Nj垂直误差分量 uj计算方法为:uj=|Uj-Uj|(3)式中,j为参加统计的定位结果样本序号,n为参加统计的定位结果样本总数,hj为水平定位精度,Ej为接收机解算出的第j个定位结果的东向分量,Ej为实际坐标点的第j个定位时刻的东向分量,11第5期周 游:无人机载低成本北斗/G P S实时定位精度分析Nj为接收机解算出的第j个定位结果的北向分量,Nj为实际坐标点的第j个定位时刻的北向分量,Uj为终端解算出的第j个定位结果的垂直分量,Uj为实际坐标点的第j个定位时刻的垂直分量。选取两个2h定位为例,将北斗/G P S定位结果与R T K获取的坐标进行比较,东(E)、北(N)、天(U)方向上偏差由图1 3表示。结果表明:在E、N、U方向上的平均定位偏差为2.5m、4.1m和2.4m。图1 3 定位收敛特性图4 结 语为实现无人机实时巡检、导航等功能,利用低成本北斗/G P S定位模块,设计和实现了无人机硬件和软件系统。使用北斗/G P S模块进行G P S、北斗和北斗/G P S组合定位3种模式的定位实验,对比分析了各模式下可见卫星数、空间几何精度衰减因子和定位精度,得到以下主要结论。(1)建立了定位模块、通信模块等硬件系统间的拓扑关系,确定了单片机、定位和通信等主要模块的具体型号,通过软件烧录方式,将软件系统与硬件系统集成,实现了无人机低成本定位系统。(2)通过可见卫星数、精度衰减因子等指标,对比分析了G P S、北斗以及北斗/G P S3种定位模式下,卫星观测的几何构型。双系统模式下,可见卫星数提高3 0%以上,进一步解释了双系统定位精度优于单系统。(3)与R T K结果比较发现,低成本双系统定位精度在E、N、U方向上的偏差分别为2.5m、4.1m和2.4m,可以满足无人机实时巡检、导航等低精度应用。参考文献1 杨元喜,许扬胤,李金龙,等.北斗三号系统进展及性能预测试验验证数据分析J.中国科学,2 0 1 8,4 8(5):5 8 4-5 9 4.2 肖鹏,孙付平,张伦东,等.北斗三号P P P-B 2 b服务实时动态定位性能分析J.导航定位学报,2 0 2 3,1 1(5):2 1-2 8.3 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G,ME N D O Z A M,e ta l.P e a s a n t e m i g r a t i o na n dl a n d-u s ec h a n g ea tt h ew a-t e r s h e dl e v e l:A G I S-b a s e da p p r o a c hi nc e n t r a lM e x i c oJ.A g r i c u l t u r a l S y s t e m s,2 0 0 6,8 9(1-3):6 2-7 8.5 K A S HA I G I L I J J,M B I L I N Y IBP,M C C A R T N E YM,e ta l.D y n a m i c so fU s a n g up l a i n sw e t l a n d so fr e m o t es e n s i n ga n dG I Sa sm a n a g m e n td e c i s i o nt o o lJ.P h y s i c sa n dC h e m i s t r yo ft h eE a r t h,P a r t s A/B/C,2 0 0 6,3 1(1 5):9 6 7-9 7 5.6 毛鸿欣,贾科利,高曦文,等.1 9 8 0-2 0 1 8年银川平原土地利用变化时空格局分析J.科学技术与工程,2 0 2 0,2 0(2 0):8 0 0 8-8 0 1 8.7 马新萍,韩申山,王磊,等.大西安地区土地利用类型时空演变分析J.干旱区地理,2 0 2 0,4 3(2):4 9 9-5 0 7.8 刘长龙,常军,刘娜,等.高速铁路的建设对沿线区域土地利用变化影响研究 以京沪高铁山东段为例J.西 安 理 工 大 学 学 报,2 0 2 0,3 6(3):3 6 7-3 7 5,4 2 3.9 朱晓昱.呼伦贝尔草原区土地利用时空变化及驱动力研究D.北京:中国农业科学院,2 0 2 0.1 0 叶润青,李士垚,郭飞,等.基于R S和G I S的三峡库区滑坡易发程度与土地利用变化的关系研究J.工程地质学报,2 0 2 1,2 9(3):7 2 4-7 3 3.1 1 夏清,杨武年.兴宾区土地利用变化遥感动态监测研究J.测绘科学,2 0 1 7,4 2(1 2):9 2-9 7.“T h i r t e e nF i v e”P e r i o dJ i a n g n i n gD i s t r i c tL a n dU s eC h a n g ea n dI n f l u e n c i n gF a c t o r sK O N GX i a n g-h a o1,Z H A N GB i n g-l i a n g2,F A N GQ i n g3(1.J S T IG r o u p,N a n j i n gJ i a n g s u2 1 0 0 1 9,C h i n a;2.N a n j i n gA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,N a n j i n gJ i a n g s u2 1 0 0 9 5,C h i n a;3.N a n j i n gP l a n n i n ga n dN a t u r a lR e s o u r c e sB u r e a uJ i a n g n i n gB r a n c h,N a n j i n gJ i a n g s u2 1 1 1 0 6,C h i n a)A b s t r a c t L a n du s e i san e c e s s a r yp r o d u c to f r e g i o n a l d e v e l o p m e n t,a n ds t u d y i n gi t ss p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a n g ec h a r a c t e r i s t i c sa n d i n f l u e n c i n gf a c t o r sc a ne f f e c t i v e l yr e f l e c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h er e g i o n a le c o n o m y.B a s e do nt h el a n du s et y p ed a t aa n ds o c i o-e c o n o m i cd a t ao f J i a n g n i n gd i s t r i c t,N a n j i n gc i t y i n2 0 1 6a n d2 0 2 0,t h i s s t u d ya n a l y z e s t h e c h a n g e c h a r a c t e r i s t i c so f l a n du s et y p e s i nJ i a n g n i n gd i s t r i c t d u r i n g t h e 1 3 t hF i v e-Y e a rP l a np e r i o d f r o mt h ep e r s p e c t i v e o f s p a c e a n d t i m e,a n dc o m b i n e s t h er e g i o n a lG D P,d a t aa n a l y s i so fp o p u l a t i o n,a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o nv a l u e,l a b o rf o r c e,l a n da r e aa n do t h e rf a c t o r sa f f e c tt h ep o s s i b i l i t yo f c h a n g e s.T h es t u d yc o n c l u d e dt h a t t h ed i s t r i b u t i o no f l a n dt y p e s i nJ i a n g n i n gd i s t r i c t i sd o m i n a t e db yc u l t i v a t e dl a n d,w o o d l a n da n dc o n s t r u c t i o n l a n d.Am o n gt h e m,t h e f o r e s t l a n d i nH e n g x i s t r e e t,L u k o us t r e e t a n dJ i a n g n i n gs t r e e t s h o w e da ni n c r e a s i n gt r e n d,w h i l e t h e c u l t i v a t e d l a n ds h o w e dad e c r e a s i n g t r e n d i nH u s h us t r e e t a n dC h u n h u a s t r e e t.T h e t r a n s f e r c h a n g e a n a l y s i ss h o w s t h a t t h e t r a n s f e r t y p eo f f o r e s t l a n di sm a i n l yc u l t i v a t e dl a n da n dc o n s t r u c t i o nl a n d,f o l l o w e db yw a t e ra r e a.T h e l e a s ts q u a r er e g r e s s i o n i su s e dt oa n a l y z e t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r so f t h e c h a n g e,a n d i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e t r a n s f e r o f f o r e s t l a n d i sg r e a t l ya f f e c t e db y t h e r e g i o n a lG D P.T h e e x p o r t v a l u eo f a g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n i s c l o s e l y l i n k e d.K e yw o r d s l a n du s e t y p e s;l a n dt r a n s f e rm a t r i x;i n f l u e n c i n gf a c t o r s【上接第1 2页】R e a l-T i m eP o s i t i o n i n gA c c u r a c yA n a l y s i sU s i n gL o w-C o s tB D S/G P SE q u i p p e do nU n m a n n e dA e r i a lV e h i c l e sZ H O UY o u(T h eS c h o o l o fE a r t hS c i e n c e sa n dE n g i n e e r i n g,H o h a iU n i v e r s i t y,N a n j i n gJ i a n g s u2 1 1 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t T h eB e i D o un a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m(B D S)e m p l o y sah y b r i dc o n s t e l l a t i o nc o n s i s t i n go ft h r e et y p e so fo r b i ts a t e l l i t e s,e n a b l i n gr o b u s t a n t i-o b s t r u c t i o nc a p a b i l i t i e sa n dp r o v i d i n gp o s i t i o n i n g,n a v i g a t i o n,a n dt i m i n gs e r v i c e sf o rg l o b a lu s e r s.S o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m sw e r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e df o rB D S/G P Ss t a n d a r dp o i n tp o s i t i o n i n gu s i n gs m a l lu n m a n n e da e r i a lv e h i c l e se q u i p p e d w i t hc o s t-e f f e c t i v eB D S/G P Sc h i p s.B yt r a n s m i t t i n gr e a l-t i m ep o s i t i o n i n gd a t a,t h es y s t e mu t i l i z e st h r e em o d e s:G P S,B D S,a n dB D S/G P Sc o m b i n a t i o n.A n a l y s i sa n de v a l u a t i o n w e r ec o n d u c t e dt oc o m p a r ev i s i b l es a t e l l i t en u m b e r s,p o s i t i o nd i l u t i o no fp r e c i s i o n(P D O P),a n dp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya c r o s se a c hm o d e.T h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t e dt h a t t h eu n m a n n e da e r i a l v e h i c l eu s i n gB D S/G P Sc o m b i n e dp o s i t i o n i n ga c h i e v e da na v e r a g eP D O Pv a l u eo f1.4,w i t h3 2 v i s i b l es a t e l l i t e s,a c h i e v i n ga no p t i m a lo b s e r v a t i o n a lg e o m e t r i cc o n f i g u r a t i o na n d h i g he p o c h u t i l i z a t i o n.W h e nc o m p a r i n gt h eB D S/G P Sc o m b i n a t i o n m o d ew i t hc o o r d i n a t e so b t a i n e db ya nR T Kr e c e i v e r,p o s i t i o n i n gd e v i a t i o n sr e a c h e d2.5m,4.1m,a n d2.4mi nt h ee a s t,n o r t h,a n du pc o m p o n e n t s,r e s p e c t i v e l y.K e yw o r d s u n m a n n e da e r i a l v e h i c l e s;B D S/G P S;s t a n d a r dp o i n tp o s i t i o n i n g;p o s i t i o n i n ga c c u r a c y81现 代 测 绘 第4 6卷