一种基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统及方法。该系统包括空中无人子系统、地面无人子系统和通信数据链，空中无人子系统包括多个空中无人平台组成的空中无人飞行网络，地面无人子系统包括多个地面无人平台组成的地面协同通信网络；通信数据链与各无人平台相连。该方法为：空中无人平台搭载机载传感器获取导航定位数据，辅助无人平台导航定位；当空中无人平台进入地面无人平台的通信范围时，利用地面无人平台的导航位置信息，修正空中无人平台的定位误差；各无人平台通过通信数据链传输的数据，利用双向单程测距法计算获得无人平台间的相对距离。本发明专利技术能够在复杂环境下进行高精度协同导航，有较强的抗干扰能力。干扰能力。干扰能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统及方法


[0001]本专利技术涉及无人系统协同导航
，特别是一种基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统及方法。

技术介绍

[0002]无人机与无人车的发展是现代科技的重要组成部分，随着科技的不断发展和进步，无人机和无人车也在不断完善和升级。无人机与无人车的应用范围广泛，例如在军事方面，可以用于情报侦查、侦察监视、目标识别、打击攻击等任务，能够有效提高军队的战斗力和作战效果；在民用方面，无人机和地面无人平台可以用于航拍摄像、物流配送、环境监测、救援搜寻等工作，能够节省大量人力和物力资源。
[0003]传统的无人平台通常采用GNSS/INS组合导航的方法进行导航定位，在有GNSS情况下，可获得相对较高的精度，能够有效的提高工作完成的效率。但当无人平台进入GNSS信号弱乃至无GNSS信号的情况下，惯性器件的误差无法修正，其定位误差将会随着时间的增加而增大，当时间较长时，导致定位精度不佳，无法完成指定任务。与单个无人平台相比，多无人平台之间可以通过相互通信、测距等方法实现协同导航，提高无人平台的定位精度，完成指定任务。传统的协同导航通常指空中无人平台的协同导航，对空中无人平台和地面无人平台的协同导航研究较少，无人系统的空地协同导航目前仍然存在以下问题：
①
GNSS拒止环境下，多无人平台惯性导航误差发散速度快，编队保持困难；
②
空中域与地面域之间的高度、速度不匹配，而传统的几何图形约束法，需要将无人平台折算到同一高度进行计算，会产生较大的导航定位误差；
③
依赖于GNSS定位系统，难以在丘陵、森林、城市等复杂环境下进行协同导航。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种于数据链测距的快速临机重构协同导航系统及方法，实现GNSS拒止环境下的高精度协同导航定位。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统，该系统包括空中无人子系统、地面无人子系统和通信数据链，其中：
[0006]所述空中无人子系统包括多个空中无人平台组成的空中无人飞行网络，空中无人平台搭载机载传感器，机载传感器获取导航定位数据，辅助无人平台导航定位；
[0007]所述地面无人子系统，包括多个地面无人平台组成的地面协同通信网络；地面无人平台能够与空中无人平台进行通信，当空中无人平台进入地面无人平台的通信范围时，利用地面无人平台的导航位置信息，修正空中无人平台的定位误差，实现空中无人平台与地面无人平台的协同导航；
[0008]所述通信数据链与各无人平台相连，通信数据链包括图传数据链和数传数据链，图传数据链用于传输图像信息，数传数据链用于传输各无人平台的姿态、速度、位置这些数据信息；各无人平台通过通信数据链传输的数据，利用双向单程测距法计算获得无人平台
间的相对距离，实现多无人平台协同导航。
[0009]一种基于数据链测距的快速临机重构协同导航方法，该方法基于所述的基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统，具体包括以下步骤：
[0010]步骤1、快速临机重构协同导航系统上电，以一个空中无人平台建立坐标基准，计算该空中无人平台与其它空中无人平台的位置信息，并进行编队飞行；
[0011]步骤2、空中无人平台利用惯性传感器，采集数据信息并传递给空中无人平台搭载的处理器；
[0012]步骤3、使用空中无人平台搭载的处理器进行姿态解算，获得各空中无人平台当前位置信息；
[0013]步骤4、判断是否有通过数据链通信获得的协同导航数据输入，协同导航数据包括无人平台间的相对距离和相对位置，当无协同导航数据输入时，直接进入步骤3，进行姿态解算；当有协同导航数据输入时，将协同导航数据作为观测量，将惯性传感器解算获得的数据作为状态量，进入步骤5；
[0014]步骤5、根据基于几何图形约束的方法，使用卡尔曼滤波进行姿态更新，实现空中无人平台的定位；
[0015]步骤6、判断是否有地面无人平台或地面锚点的通信信息，当无地面无人平台或地面锚点的通信信息时，进入步骤3，进行姿态解算；当有地面无人平台或地面锚点的信息时，进入步骤7；
[0016]步骤7、将地面无人平台的信息和空中无人平台的信息进行导航解算，利用快速临机重构协同导航方法，进行导航位置更新，实现空地协同导航。
[0017]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：
[0018]（1）利用各无人平台之间的测距信息，使用数据链进行通信，利用通信获得的数据形成几何图形用于辅助无人平台进行导航，实现GNSS拒止环境下的多无人平台协同编队飞行；
[0019]（2）基于几何特性进行快速临机重构协同导航，实现空中与地面的协同导航，以及GNSS拒止环境下的高精度协同导航定位；
[0020]（3）不依赖于GNSS定位系统，能够在丘陵、森林、城市等复杂环境下进行协同导航，完成编队飞行，抑制导航系统的误差发散，有较强的抗干扰能力。
附图说明
[0021]图1为本专利技术基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统的组成示意图。
[0022]图2为几何图形平移示意图。
[0023]图3为几何图形旋转示意图。
[0024]图4为快速临机重构方法原理图。
[0025]图5为多无人平台协同导航误差分析曲线图。
[0026]图6为本专利技术基于数据链测距的快速临机重构协同导航方法的流程图。
具体实施方式
[0027]本专利技术涉及一种基于数据链测距的空地协同定位方法，称为一种基于数据链测距
的快速临机重构协同导航方法，针对GNSS拒止环境下，多无人平台惯性导航误差发散速度快，编队保持困难等问题，本专利技术利用各无人平台之间的测距信息，使用数据链进行通信，利用通信获得的数据形成几何图形用于辅助无人平台进行导航，实现GNSS拒止环境下的多无人平台协同编队飞行；针对空中域与地面域之间的高度、速度不匹配等问题，采用传统的几何图形约束法，需要将无人平台折算到同一高度进行计算，会产生较大的导航定位误差，因此，提出了基于几何特性的快速临机重构协同导航方法，实现空中与地面的协同导航，实现GNSS拒止环境下的高精度协同导航定位，从而提高无人机群的工作效率，满足任务需求。同时，本专利技术提出的基于数据链测距的快速临机重构协同导航方法不依赖于GNSS定位系统，能够在复杂环境（丘陵、森林、城市等环境）下进行协同导航，完成编队飞行，抑制导航系统的误差发散，有较强的抗干扰能力。下面对本专利技术技术方案进行详细说明。
[0028]容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本专利技术的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。
[0029]现在将参照附图来详细描述本专利技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统，其特征在于，该系统包括空中无人子系统、地面无人子系统和通信数据链，其中：所述空中无人子系统包括多个空中无人平台组成的空中无人飞行网络，空中无人平台搭载机载传感器，机载传感器获取导航定位数据，辅助无人平台导航定位；所述地面无人子系统，包括多个地面无人平台组成的地面协同通信网络；地面无人平台能够与空中无人平台进行通信，当空中无人平台进入地面无人平台的通信范围时，利用地面无人平台的导航位置信息，修正空中无人平台的定位误差，实现空中无人平台与地面无人平台的协同导航；所述通信数据链与各无人平台相连，通信数据链包括图传数据链和数传数据链，图传数据链用于传输图像信息，数传数据链用于传输各无人平台的姿态、速度、位置这些数据信息；各无人平台通过通信数据链传输的数据，利用双向单程测距法计算获得无人平台间的相对距离，实现多无人平台协同导航。2.根据权利要求1所述的基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统，其特征在于，所述利用双向单程测距法计算获得无人平台间的相对距离，实现多无人平台协同导航，具体为：每个无人平台同时发送单程测距信号，同时接收其它无人平台发送的单程测距信号，通过测量两个信号间的时间间隔，获得当前无人平台之间的距离信息，并利用通信数据链传输的无人平台位置、速度信息，进行多无人平台间的协同定位。3.根据权利要求1所述的基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统，其特征在于，所述空中无人子系统中的空中无人平台为旋翼无人机；各空中无人平台之间能够互相通信，交换位置信息和距离信息，各空中无人平台根据通信数据链获得的距离信息，建立基于几何图形约束的量测多边形，实现多空中无人平台协同导航定位。4.根据权利要求1所述的基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统，其特征在于，所述地面无人子系统中的地面无人平台为地面移动机器人，地面无人平台事先记录特征点和地面锚点信息，在经过这些点时将自动修正自身位置信息。5.根据权利要求3所述的基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统，其特征在于，多空中无人平台的协同导航定位采用基于几何图形约束的方法，利用通信数据链进行测距，惯性传感器测量位姿信息，机载传感器辅助定位，实时测量空中无人平台之间的相对距离和相对速度，并通过通信数据链传输各空中无人平台间的位置、速度、姿态数据信息，通过各空中无人平台间形成的几何图形，构建量测多边形，修正多空中无人平台的惯性导航误差。6.根据权利要求1所述的基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统，其特征在于，空中无人平台与地面无人平台的协同导航，具体为：各无人平台均有其自身的通信地址，利用该地址能够判断当前无人平台是空中无人平台还是地面无人平台或地面锚点；当通信网络内只有空中无人平台时，通过各空中无人平台的相对距离约束实现协同导航；当有地面无人平台或地面锚点接入通信网络时，利用空中无人平台与地面无人平台间形成的法向量，获取空中无人平台的观测信息，进而修正空中无人平台的误差发散，实现空地协同导航。
7.一种基于数据链测距的快速临机重构协同导航方法，其特征在于，该方法基于权利要求1~6中任一项所述的基于数据链测距的快速临机重构协同导航系统，具体包括以下步骤：步骤1、快速临机重构协同导航系统上电，以一个空中无人平台建立坐标基准，计算该空中无人平台与其它空中无人平台的位置信息，并进行编队飞行；步骤2、空中无人平台利用惯性传感器，采集数据信息并传递给空中无人平台搭载的处理器；步骤3、使用空中无人平台搭载的处理器进行姿态解算，获得各空中无人平台当前位置信息；步骤4、判断是否有通过数据链通信获得的协同导航数据输入，协同导航数据包括无人平台间的相对距离和相对位置，当无协同导航数据输入时，直接进入步骤3，进行姿态解算；当有协同导航数据输入时，将协同导航数据作为观测量，将惯性传感器解算获得的数据作为状态量，进入步骤5；步骤5、根据基于几何图形约束的方法，使用卡尔曼滤波进行姿态更新，实现空中无人平台的定位；步骤6、判断是否有地面无人平台或地面锚点的通信信息，当无地面无人平台或地面锚点的通信信息时，进入步骤3，进行姿态解算；当有地面无人平台或地面锚点的信息时，进入步骤7；步骤7、将地面无人平台的信息和空中无人平台的信息进行导航解算，利用快速临机重构协同导航方法，进行导航位置更新，实现空地协同导航。8.根据权利要求7所述的基于数据链测距的快速临机重构协同导航方法，其特征在于，当地面无人平台无法接收到GNSS信号，但空中无人平台能够接收到这些信号时，利用空中无人平台的位置信息和与地面无人平台之间的距离信息，来对地面无人平台的位置信息进行修正。9.根据权利要求7所述的基于数据链测距的快速临机重构协同导航方法，其特征在于，步骤5中，根据基于几...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建良，杨东豫，吴盘龙，马立丰，赵高鹏，王军，薄煜明，王超尘，汪进文，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：