[发明专利]一种无人机抗磁导航方法和系统

说明书

本发明涉及一种无人机抗磁导航方法和系统。本发明基于采用RTK/PPK技术得到的基准站高精度坐标求解无人机偏航角，可以实现对磁罗盘结果的替代或校正，摆脱了对地磁场测量的依赖，相较磁罗盘提高了精度，并且能够在飞行前校正也可以在飞行的过程中对陀螺仪积累误差以较高频率进行修正或校正。

技术领域

本发明涉及无人机导航控制领域，特别是涉及一种无人机抗磁导航方法和系统。

背景技术

磁罗盘是当前无人机导航不可或缺的传感器，主要作用是测量无人机航向角和对陀螺仪误差进行校正。因此磁罗盘数据的准确性对无人机的导航与控制具有重要意义。

磁罗盘由三轴磁阻传感器、三轴加速度计及相应电路组成，被安装在与机体坐标系重合位置，首先测得在机体坐标系下三轴的磁场强度利用重力加速度计求得俯仰角θ和滚转角φ，得到机体坐标系与导航坐标系的转换矩阵，将磁场强度转换到导航坐标系下得到利用磁场强度在水平面两坐标轴分量之比求得偏航角最后通过地磁模型得到的磁偏角常量ρ修正获得的真正的偏航角ψ＝ψ+ρ。

磁罗盘对磁场环境极为敏感，而地磁场为一弱小的背景磁场，磁罗盘的测量精度极易受到环境及无人机自身磁场的干扰，例如，无人机工作高度较低且自身空间较小，磁罗盘会受到地面环境及自身天线、电机等设备磁场的干扰。磁罗盘也被用来与加速度计组合校准无人机上的陀螺仪，这是因为虽然磁罗盘精度不高但没有积累误差，而陀螺仪工作一段时间后就会产生积累误差，因而在实际使用过程中，每隔一段时间就会利用磁罗盘对陀螺仪进行校准。可见磁罗盘是无人机实现可靠自主飞行的关键设备，若磁罗盘受到干扰就会可能导致无人机失控或迷航。磁罗盘因其成本低、体积小、响应快的特点广泛应用于无人机，但其精度不高。地磁北极与地理北方有一个磁偏角常量，通过此常量的修正，才能得到无人机与地理北极的角度，磁罗盘应用于无人机导航时忽略了磁偏角常量在较小范围内的变化，从原理上决定磁罗盘精度较低，其次磁罗盘的安装误差、制造误差也会对测量结果产生影响，即使通过一些误差修正在实际使用当中磁罗盘的精度依然不高。

RTK/PPK技术是提高全球定位系统、北斗卫星导航系统等卫星定位系统动态定位精度的重要手段，测量精度可达厘米级甚至毫米级，这对野外测量作业具有重要意义。随着无人机应用场景的多元化，无人机对高精度定位的要求也越来越高。RTK/PPK技术已经应用到无人机上，基于RTK/PPK技术得到的高精度定位数据使得无人机野外作业能力大大增强，例如测绘、植保、摄影等。对RTK/PPK技术得到的高精度定位数据的充分挖掘才能使该项技术的应用价值最大化，这也是当前研究的重点。RTK技术原理如图2所示，利用一定范围内基准站与导航设备接收的数据中大部分误差相近的原理，通过基准站动态求解定位误差然后将误差信息传输至导航设备对位置信息进行修正，极大地提高了定位精度，静态定位精度可达毫米级，动态定位精度可达厘米级。

其中，RTK/PPK技术都是利用载波相位观测量进行位置解算，这是因为相较于伪矩其结果精度更高，基于此，首先介绍载波相位观测方程并对其中的误差进行说明：

式中：为接收机得到的载波相位观测值、r为卫星到接收机的真实距离、I为电离层误差、T为对流层误差、为多径误差、δt^s为卫星钟差、O为卫星轨道误差、δt_u为接收机钟差、为接收机噪声、N为载波相位整周模糊度。