【摘 要】
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随着社会、生态、经济高质量转型发展,加快农村智能化、数字化、网络化进程,对于我国建设智慧乡村,完成乡村振兴战略越来越重要。然而,针对村镇复杂环境及遮蔽区等GNSS弱环境的快速高精度定位,仍然缺少关键实用的智能化技术、设备,存在定位模型与定位方法的不足。因此,本文围绕遮蔽区快速高精度定位主题,开展基于无人机、GNSS、UWB等技术的遮蔽区空地协同定位模型、方法研究,内容包括UWB测距误差优化模型、G
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随着社会、生态、经济高质量转型发展,加快农村智能化、数字化、网络化进程,对于我国建设智慧乡村,完成乡村振兴战略越来越重要。然而,针对村镇复杂环境及遮蔽区等GNSS弱环境的快速高精度定位,仍然缺少关键实用的智能化技术、设备,存在定位模型与定位方法的不足。因此,本文围绕遮蔽区快速高精度定位主题,开展基于无人机、GNSS、UWB等技术的遮蔽区空地协同定位模型、方法研究,内容包括UWB测距误差优化模型、GNSS/UWB空地协同定位方法、空地协同定位网络几何构型优化和GNSS/UWB定位模型等方面,形成了以下主要创新成果:（1）阐述了UWB测距定位技术,针对遮蔽区空地协同定位系统UWB测距误差问题,分析了UWB测距误差源,基于多项式拟合函数建立了测距系统误差修正模型,基于改进的距离滤波KF建立了测距粗差探测及修复模型,通过这两种模型进行UWB空地测距误差优化补偿,实验证明70米测距距离经模型优化后的平均测距精度得到了显著提高,表明能有效削弱测距误差。最后,设计仿真实验分析了测距误差、基站数量及基站网络构型对定位性能的影响。（2）面向遮蔽区空地协同快速定位需求,提出了单机多点协同定位方法,通过无人机搭载GNSS/UWB,配合地面目标,按照单机绕飞,多点组网测距的方式完成遮蔽区定位测量,并且针对遮蔽非常严重的区域,设计了“米”字型空地协同定位方式,经实验测试,该方法能有效实现遮蔽区定位,提高了遮蔽区定位效率。（3）针对遮蔽区建（构）筑物,树木等遮挡造成基站位置不理想定位问题,研究遮蔽场景无人机状态和空间网络结构,基于空中无人机运动状态模型,提出了1min时间滑动窗口技术对无人机位置信息及运动状态进行判读,筛选出悬停测量时段的观测信息,并对观测数据进行优化补偿;基于定位精度因子,建立了GDOP值模型和DOP值最小化准则,提出了几何优化布设和最佳组合布设两种无人机布设方法,确定了一种快速高效的无人机观测站布设原则,并且为了保证测量效率,在满足DOP值要求的前提下尽量减少观测点数量,观测站个数不超过9个,经仿真和实测实验表明,正方型和Y型规则几何构型具有较高的定位精度。（4）针对遮蔽区复杂环境对高精度、高效率和高可靠性定位的挑战,基于空间距离后方交会原理,顾及测距误差方差分量、无人机位置误差等,构建了LS-GN混合定位模型和针对异常观测信息的抗差KF定位模型,且RKF模型较LS具有更好的抗差性,实现了遮蔽区厘米级定位精度。基于上述研究成果,形成了集控制、测距、定位、解算和通信一体化的空地协同定位解算系统,本文在遮蔽区选取多个场景开展了验证实验分析,面对环境复杂、房屋树木等遮挡的遮蔽环境,实现了遮蔽区目标点快速可靠性定位测量,并且定位精度达厘米级,充分验证了本文所提空地协同定位模型与方法的高效性和可靠性。
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