无人机编队自主定位关键技术研究

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随着无人机技术的日益成熟,无人机编队协同作业的应用也变得愈发广泛。为有效实现协同作业,实时准确地确定无人机编队各节点间的相对空间关系非常重要。对于近距离的无人机编队任务,通过架设地面站即可满足无人机之间的定位需求。但在军事上,无人机编队通常工作于非合作场景中,远离己方区域无可用地面参考站;无线电静默要求或对抗方电子干扰可能导致编队关键节点短时失效或通信短时延迟,因此对编队空间状态的确定与编队定位抗毁有了更高的要求。为了在非合作场景中实现稳定、高精度与高可用性的无人机编队自主定位,本文基于动对动相对定位理论对维护编队绝对空间基准的稳定、非同步数据处理以及模糊度解算的问题进行研究,主要内容如下:(1)在非合作场景中,若移动基准站坐标采用标准单点定位,由于误差原因,将使编队的绝对空间基准不稳定。为了保证编队绝对空间基准的稳定性,本文对主节点定位采取时间基线的方式。首先推导了时间基线的观测方程,并分析了影响时间相对定位精度的因素;然后对时间基线与传统相对定位方法的特性进行对比和分析;最后基于静、动态数据将标准单点定位与时间基线定位的结果进行对比分析,验证了采取时间基线定位方法可以保证编队绝对空间基准的稳定性,进而保证了编队自主定位系统的稳定性。(2)针对非合作场景中,因通信短时延迟或关键节点短时失效导致编队各节点无法进行同步处理的问题,对非主节点定位采用了非同步式(基准站与流动站观测历元不同步)基线解算模式,即所有非主节点都依据同一历史时刻的主节点数据进行非同步相对定位。首先推导了非同步相对定位的观测方程;然后基于不同基线长度的静、动态数据,选取不同的非对齐间隔进行非同步相对定位解算,并将相应的基线向量与同步解算结果进行对比分析,验证了算法的有效性;最后选取3~7秒的非对齐间隔,制定了相应的非同步式数据处理策略,确保即使编队关键节点短时失效时编队仍能保持,提高了编队自主定位的抗毁能力。(3)为了提高无人机编队定位的可用性,对模糊度解算方法进行研究,给出了一种分步组合的部分模糊度固定方法。该方法首先采用丹麦法对双差观测值随机模型进行调整,预先降低实际观测值质量相对较差的模糊度被筛选为可固定子集的可能性;然后基于降相关模糊度方差法进行精筛选;同时顾及模糊度浮点解信息优先剔除最优和次优解不一致的模糊度;采用最小二乘降相关平差(LAMBDA)法进行固定。实验结果表明:相对于全模糊度固定法,部分模糊度固定法可有效地提升模糊度固定率,提升了大概13.8%~37.0%;分步组合的部分模糊度固定法有效减小了实际观测值中未探测到偏差对模糊度固定的影响,对于部分观测值异常的场景也能较好适用,较原始的部分模糊度固定法,动态场景下平均改善61.5%,并提升了模糊度固定解的正确率进而提升了编队定位的可用性。
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