一种无人机无人船协同导航方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机无人船协同导航方法，首先利用卫星导航观测量计算无人机和无人船各自的绝对位置，并上传至云服务器；在此基础上利用无人船的移动RTK基站计算差分信息并通过电台播发至云服务器，云服务器根据差分信息和先验绝对位置对无人机位置进行更新，并播发至无人机；无人机利用播发的位置信息计算其与周围无人机的相对位置，并对相对位置进行更新。当无人船与无人机的距离超出短基线RTK范围内时，切换至长基线工作方式，由云服务器计算无人机区域的电离层延迟修正值并播发至无人船。本发明专利技术可有效提高无人机无人船协同定位的精度，相比传统方法具有较好的计算效率，为相关领域的应用提供技术支撑。

A cooperative navigation method of UAV and unmanned vessel

【技术实现步骤摘要】
一种无人机无人船协同导航方法
本专利技术属于协同导航领域，具体涉及一种无人机无人船协同导航方法。
技术介绍
无人机与无人船目前已获得广泛应用，特别是在应急救援环境下能够发挥较强的优势，可有效获取一些危险环境下的状态信息。无人机与无人船组合，可以充分发挥各自优势，实现对局部海域目标的监测和跟踪，并且可以深入复杂局部海域环境，获得更多有效观测信息，成为当前解决局部海域特殊目标监测和跟踪的首选技术手段。目前无人机和无人船主要依靠卫星导航系统作为主用导航手段，其导航精度受卫星导航系统标准定位精度的限制，很难满足一些特定场景的导航定位需求。通常情况下，可采用实时动态差分的方法来提高无人机和无人船的绝对定位精度，但仍然无法保证无人机之间和无人机与无人船之间的相对定位精度，为相应的工作造成很大不便。同时，当无人船与无人机之间的距离较远时，需要采用长基线实时动态差分定位方法，传统长基线方法计算复杂度较高，收敛时间较慢，极大程度影响了长基线时实时动态差分的计算效率和精度。特别是在极端大气环境下，如电离层异常、对流层异常等情况下，无人船基站和无人机之间的卫星导航大气传播误差将无法通过差分抵消，需要单独解算电离层误差和对流层误差，增加了实时动态差分定位计算的难度。因此，如何能在一些复杂恶劣环境下有效提高无人机和无人船的协同导航性能是目前相关领域研究的难点，研制并实现高精准的无人机与无人船相对导航，并将其应用在一些复杂环境下是相关领域亟需解决的关键科学技术问题，是相关领域研究人员致力攻克的难点之一。专利技术内容本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种应急救援下的无人机无人船协同导航方法，该方法利用云服务器计算无人机和无人船的绝对位置，可及时播发至无人机和无人船，无人机和无人船可计算相对位置，实现协同导航；进一步可利用云服务器计算无人机区域的电离层延迟修正值并发送至无人船，无人船利用该修正值可快速实现长基线RTK差分信息计算，并将其计算结果播发至无人机，以提高协同定位精度。本专利技术可有效提高无人机无人船协同定位的精度，相比传统方法具有较好的计算效率，为相关领域的应用提供技术支撑。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案如下：一种无人机无人船协同导航方法，包括以下步骤：步骤A、利用卫星导航观测量计算无人机和无人船的绝对位置，并上传至云服务器；步骤B、利用无人船的移动RTK基站计算差分信息并通过电台播发至云服务器；步骤C、云服务器根据差分信息和先验绝对位置对无人机的位置进行更新，并播发至无人机；步骤D、无人机利用播发的位置信息计算其与周围无人机的相对位置，并对相对位置进行更新；步骤E、当无人船与无人机的距离超出短基线RTK范围时，切换至长基线工作方式，由云服务器计算无人机区域的电离层修正值并播发至无人船；步骤F、无人船利用电离层修正值，同时采用无几何组合观测量快速计算RTK差分信息，通过电台播发至云服务器；云服务器将差分信息播发至无人机，无人机进而利用播发信息计算其与周围无人机的相对位置；步骤G、未收到云服务器的电离层修正值时，无人船采用无电离层组合观测计算RTK差分信息，通过电台发送至云服务器；云服务器将差分信息播发至无人机，无人机利用差分信息对相对位置进行更新；步骤H、未收到差分信息时，无人机利用已有位置信息外推估计下一时刻的位置和相对位置，收到差分信息后，利用差分信息更新下一时刻位置和相对位置。该方法具体实现步骤为：(1)利用卫星导航观测量计算无人机和无人船的绝对位置，并上传至云服务器。其中，导航卫星星座可选择GPS、GLONASS、GALILEO和BDS四种卫星星座；无人机和无人船各自的绝对位置由卫星导航观测量计算得到，具体计算方法为：建立卫星导航观测方程组，其中每颗卫星对应一个观测方程，表示为：其中i为卫星颗数编号，xs,i，ys,i和zs,i分别表示卫星在地心地固坐标系下的坐标分量，xu，yu和zu分别表示待求位置在地心地固坐标系下的坐标分量，此处待求位置分别为无人机和无人船的绝对坐标，δti表示第i颗卫星信号传播过程的时间延迟，c为自由空间中的光速，ρi为第i颗卫星的伪距测量值。所有的观测方程联立为观测方程组，对观测误差进行线性化，可表示为：令为观测误差，观测系数矩阵，为待求位置三维坐标分量误差和由延迟引起的误差，为观测噪声。则观测误差方程组改写为：l＝ATΔX+V引入权值矩阵P，由各观测量方差决定，表示为：其中σi为第i个观测量的标准差，diag(·)表示对角线矩阵，i＝1,2,…n表示n个观测量。令P＝V，采用最小二乘法可求解误差观测方程组：ΔX＝(APAT)-1APl得到无人机和无人船的各自绝对位置：其中为绝对位置的估计值，为绝对位置的先验值。(2)利用无人船的移动RTK基站计算差分信息并通过电台播发至云服务器。其中，无人船的移动RTK基站通过下式计算差分信息：首先计算载波相位观测量其中，为无人船基站的载波相位差分观测值，为无人船基站到卫星的真实距离，dtr为无人船基站接收机钟差，dts为卫星钟差，为卫星到无人船基站之间的载波相位电离层延迟，为卫星到无人船基站之间的对流层延迟，为载波整周模糊度，λ为卫星信号波长，为硬件延迟，ξφ为载波测距噪声，下标φ表示载波；上标s表示卫星，下标r表示接收端，此处应为无人船上的导航接收端。进一步将无人船基站和无人机接收机之间对卫星进行载波相位差分，可得到单差计算观测值：其中，为无人船基站与单个无人机之间的载波相位单差，为无人船基站与单个无人机之间的距离差，为电离层延迟单差，为对流层延迟单差，dtur为接收延迟单差，为整周模糊度单差，为载波噪声单差，下标φ表示载波；上标s表示卫星，下标r表示接收端，此处应为无人船上的导航接收端，下标u表示用户端，此处应为无人机上的导航用户端。在短基线情况下，可消除卫星钟差、电离层误差和对流层误差，但是存在一个不相对固定的双差整周模糊度，当用户和基准站持续锁定卫星信号时，整周模糊度保持不变，不同卫星测量之差可以消除接收机钟差的影响，具体方式如下：在短基线情况下，上式可进一步简化为：其中表示无人船基站与无人机对第m,n颗卫星载波观测值的双差，为无人船基站与无人机对第m,n颗卫星的距离双差，为无人船基站与无人机对第m,n颗卫星的整周模糊度双差，ξφ为载波相位噪声双差，下标φ表示载波。上标s表示卫星，下标r表示接收端，此处应为无人船上的导航接收端，下标u表示用户端，此处应为无人机上的导航用户端。(3)云服务器根据差分信息和先验绝对位置对无人机的位置进行更新，并播发至无人机；位置进行更新方法为：其中，表示当前k时刻无人机的绝对位置，表示当前k时刻无人船的绝对位置，表示通过RTK计算得到无人机与无人船之间基线向量。上标u表示用户端，此处应为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机无人船协同导航方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤A、利用卫星导航观测量计算无人机和无人船的绝对位置，并上传至云服务器；/n步骤B、利用无人船的移动RTK基站计算差分信息并通过电台播发至云服务器；/n步骤C、云服务器根据差分信息和先验绝对位置对无人机的位置进行更新，并播发至无人机；/n步骤D、无人机利用播发的位置信息计算其与周围无人机的相对位置，并对相对位置进行更新；/n步骤E、当无人船与无人机的距离超出短基线RTK范围时，切换至长基线工作方式，由云服务器计算无人机区域的电离层修正值并播发至无人船；/n步骤F、无人船利用电离层修正值，同时采用无几何组合观测量快速计算RTK差分信息，通过电台播发至云服务器；云服务器将差分信息播发至无人机，无人机进而利用播发信息计算其与周围无人机的相对位置；/n步骤G、未收到云服务器的电离层修正值时，无人船采用无电离层组合观测计算RTK差分信息，通过电台发送至云服务器；云服务器将差分信息播发至无人机，无人机利用差分信息对相对位置进行更新；/n步骤H、未收到差分信息时，无人机利用已有位置信息外推估计下一时刻的位置和相对位置，收到差分信息后，利用差分信息更新下一时刻位置和相对位置。/n...

【技术特征摘要】
1.一种无人机无人船协同导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、利用卫星导航观测量计算无人机和无人船的绝对位置，并上传至云服务器；
步骤B、利用无人船的移动RTK基站计算差分信息并通过电台播发至云服务器；
步骤C、云服务器根据差分信息和先验绝对位置对无人机的位置进行更新，并播发至无人机；
步骤D、无人机利用播发的位置信息计算其与周围无人机的相对位置，并对相对位置进行更新；
步骤E、当无人船与无人机的距离超出短基线RTK范围时，切换至长基线工作方式，由云服务器计算无人机区域的电离层修正值并播发至无人船；
步骤F、无人船利用电离层修正值，同时采用无几何组合观测量快速计算RTK差分信息，通过电台播发至云服务器；云服务器将差分信息播发至无人机，无人机进而利用播发信息计算其与周围无人机的相对位置；
步骤G、未收到云服务器的电离层修正值时，无人船采用无电离层组合观测计算RTK差分信息，通过电台发送至云服务器；云服务器将差分信息播发至无人机，无人机利用差分信息对相对位置进行更新；
步骤H、未收到差分信息时，无人机利用已有位置信息外推估计下一时刻的位置和相对位置，收到差分信息后，利用差分信息更新下一时刻位置和相对位置。


2.根据权利要求1所述的一种无人机无人船协同导航方法，其特征在于：所述步骤A中待预测导航卫星星座可选择GPS、GLONASS、GALILEO和BDS四种卫星星座；无人机和无人船各自的绝对位置由卫星导航观测量计算得到，具体计算方法为：
建立卫星导航观测方程组，其中每颗卫星对应一个观测方程，表示为：



其中i为卫星颗数编号，xs，i，ys,i和zs,i分别表示卫星在地心地固坐标系下的坐标分量，xu，yu和zu分别表示待求位置在地心地固坐标系下的坐标分量，此处待求位置分别为无人机和无人船的绝对坐标，δti表示第i颗卫星信号传播过程的时间延迟，c为自由空间中的光速，ρi为第i颗卫星的伪距测量值；
所有的观测方程联立为观测方程组，对观测误差进行线性化，可表示为：



令为观测误差，观测系数矩阵，为待求位置三维坐标分量误差和由延迟引起的误差，为观测噪声；
则观测误差方程组改写为：l＝ATΔX+V
引入权值矩阵P，由各观测量方差决定，表示为：



其中，σi为第i个观测量的标准差，diag(·)表示对角线矩阵，i＝1，2，…n表示n个观测量；
令P＝V，采用最小二乘法可求解误差观测方程组：
ΔX＝(APAT)-1APl
得到无人机和无人船的各自绝对位置：



其中为绝对位置的估计值，为绝对位置的先验值。


3.根据权利要求1所述的一种无人机无人船协同导航方法，其特征在于：所述步骤B中，无人船的移动RTK基站通过下式计算差分信息：
首先计算载波相位观测量：



其中，为无人船基站的载波相位差分观测值，为无人船基站到卫星的真实距离，dtr为无人船基站接收机钟差，dts为卫星钟差，为卫星到无人船基站之间的载波相位电离层延迟，为卫星到无人船基站之间的对流层延迟，为载波整周模糊度，λ为卫星信号波长，为硬件延迟，ξφ为载波测距噪声，下标υ表示载波；上标s表示卫星，下标r表示接收端，此处应为无人船上的导航接收端；
进一步将无人船基站和无人机接收机之间对卫星进行载波相位差分，可得到单差计算观测值：



其中，为无人船基站与单个无人机之间的载波相位单差，为无人船基站与单个无人机之间的距离差，为电离层延迟单差，为对流层延迟单差，dtur为接收延迟单差，为整周模糊度单差，为载波噪声单差；下...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杨，张秋阳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11