【技术实现步骤摘要】
一种异空域分布的飞行器集群协同导航优化方法
[0001]本专利技术涉及定位与导航
，尤其涉及一种异空域分布的飞行器集群协同导航优化方法
。
技术介绍
[0002]飞行器集群具备工作范围广
、
可靠性高
、
整体效率高等诸多优点，可用于众多领域
。
对于飞行器集群，其往往由不同功能与类型的多种飞行器组合成为编队进行飞行，不同飞行器间的导航性能具备一定差异，使得部分自身机载导航设备精度较低的飞行器无法自主完成导航任务，进而影响飞行器编队整体工作
。
[0003]另外，针对卫星拒止环境对飞行器的导航定位精度产生的负面影响，飞行器需依靠其他飞行器作为导航定位基准，获取飞行器间的相对导航数据信息进行协同导航定位
。
因此，研究飞行器集群的导航优化理论
、
拓展飞行器集群协同导航技术应用场景是未来飞行器集群导航技术发展的一个重要趋势
。
技术实现思路
[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种异空域分布的飞行器集群协同导航优化方法，能克服卫星拒止区域内卫星导航精度下降导致的飞行器定位误差增大的问题，并对异空域中的飞行器集群构型进行优化，以提高集群飞行器协同导航定位算法在不同情景下的实用性并提升定位精度，使得在集群中部分飞行器进入卫星拒止区域时也能为其提供较好的导航定位服务
。
[0005]技术方案：本专利技术的飞行器集群协同导航优化方法，包括以下步骤：
[0006
【技术保护点】
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.
一种异空域分布的飞行器集群协同导航优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
，获取异空域分布的飞行器集群中各架飞行器的经
、
纬
、
高坐标及
ECEF
坐标系下的位置坐标
、
速度及自身机载导航设备精度；
S2
，根据异空域分布的飞行器集群相对位置关系及集群中飞行器功能
、
种类，将异空域分布的飞行器集群进行划分，确定各集群中的飞行器数量及其分布空域，确定卫星拒止区域及卫星拒止区域中的采样点坐标；将各个已定义空域及卫星拒止区域采样点的初始经
、
纬
、
高坐标范围转换至
ECEF
坐标系上；
S3
，以基于卫星拒止区域
Z
target
内
TD
‑
GDOP
值设计的目标函数为优化准则，对卫星拒止区域外的中
、
低空层飞行器集群的构型进行综合优化，保持中
、
低空层飞行器集群在飞行过程中构型不变，并为进入卫星拒止区域内的低空层飞行器提供导航辅助；
S4
，在步骤
S3
的基础上，以基于中空层飞行器集群所分布空域内的
TD
‑
GDOP
值设计的目标函数为优化准则，寻优得到高空层飞行器集群优化构型，从而得到最终的异空域分布飞行器集群优化构型；
S5
，获取不同空域间飞行器的位置信息及相对距离数据，分别选取主
、
副基准飞行器，建立以主基准飞行器为坐标原点的相对坐标系，构建基于
TDOA
原理的协同导航模型；
S6
，利用基于球面内插算法的协同定位算法，对基于
TDOA
原理的协同导航模型进行解算，得到中
、
低空层中待辅助飞行器在相对坐标系下的位置坐标；
S7
，根据步骤
S6
中解算出的待辅助飞行器在相对坐标系下的位置坐标，将其转换至三维地球坐标系，并转换为经度
、
纬度
、
高度数据，建立滤波方程来对中
、
低空层中待辅助飞行器的机载位置坐标进行修正；
S8
，判断飞行器导航位置坐标是否得到修正，如得到修正，则导航结束；否则，重复步骤
S3
‑
步骤
S7。2.
根据权利要求1所述异空域分布的飞行器集群协同导航优化方法，其特征在于，步骤
S2
中，确定各集群中的飞行器数量及其分布空域，确定卫星拒止区域及卫星拒止区域中的采样点坐标；将各个已定义空域及卫星拒止区域采样点的初始经
、
纬
、
高坐标范围转换至
ECEF
坐标系上，详细实现步骤如下：
S21
，根据异空域飞行器集群分布的相对位置关系，对飞行器分布空域进行高度方向与飞行器集群前进方向上的划分，根据高
、
中
、
低空三种相对高度关系及前
、
后两种相对位置关系，组合得到六种飞行器集群间相对位置关系，其中飞行器集群所在的高
、
中
、
低空层分别对应下标
A、B、C
，飞行器集群间的前
、
后关系通过上标
k
进行表示，
k
值越大表示飞行器集群相对位置越靠后；
S22
，定义高空层飞行器集群中飞行器数量为其对应的飞行器集群分布空域为其中，
λ
、L、H
分别表示飞行器集群的经度坐标
、
纬度坐标和高度坐标；分别表示高空层飞行器集群的经度坐标最小值和最大值，分别表示高空层飞行器集群的纬度坐标最小值和最大值，分别表示高空层飞行器集群的高度坐标最小值和最大值；所述高空层飞行器集群利用自身高精度机载导航设备进行惯性
/
卫星组合
导航，并为中空层飞行器集群提供协同导航辅助；
S23
，定义中空层飞行器集群中飞行器数量为其对应的飞行器集群分布空域为其对应的飞行器集群分布空域为分别表示中空层飞行器集群的经度坐标最小值和最大值，分别表示中空层飞行器集群的纬度坐标最小值和最大值，分别表示中空层飞行器集群的高度坐标最小值和最大值；所述中空层飞行器集群利用自身机载导航设备与高空层飞行器集群进行协同导航，并为低空层飞行器集群提供协同导航辅助；
S24
，定义低空层飞行器集群中飞行器数量为其对应的飞行器集群分布空域为其对应的飞行器集群分布空域为分别表示低空层飞行器集群的经度坐标最小值和最大值，分别表示低空层飞行器集群的纬度坐标最小值和最大值，分别表示低空层飞行器集群的高度坐标最小值和最大值；低空层飞行器集群利用自身机载导航设备与中空层飞行器集群进行协同导航，并为前方已进入卫星拒止区域的低空层飞行器集群提供协同导航辅助；
S25
，低空层飞行器集群中的架飞行器在飞行过程中进入卫星拒止区域
Z
target
时，其卫星导航系统处于不可用状态，需使用与其相邻的中空层飞行器集群与低空层飞行器集群中的飞行器为其提供协同导航辅助，所述卫星拒止区域
Z
target
为半椭球体，定义如下：其中，
(
λ
target
,L
target
,H
target
)
为卫星拒止区域
Z
target
内任一点经
、
纬
、
高坐标，
axis
λ
、axis
L
、axis
H
为卫星拒止区域
Z
target
在经
、
纬
、
高方向上的轴长；
S26
，将定义空域及卫星拒止区域
Z
target
的初始经
、
纬
、
高坐标范围转换至
ECEF
坐标系，得到
ECEF
坐标系下的异空域飞行器集群分布空域：对卫星拒止区域
Z
target
进行经
、
纬
、
高方向上的等间距采样，得到
N
target
个目标采样点的经
、
纬
、
高位置坐标其中
i
＝
1,2,...,N
target
；对卫星拒止区域
Z
target
中的采样点坐标进行坐标转换，得到
ECEF
坐标系下的卫星拒止区域
Z
target
中
的第
i
个目标采样点坐标个目标采样点坐标其中，
R
N
为地球卯酉圈曲率半径，
f
为地球扁率
。3.
根据权利要求1所述异空域分布的飞行器集群协同导航优化方法，其特征在于，步骤
S3
中，以基于卫星拒止区域
Z
target
内
TD
‑
GDOP
值设计的目标函数为优化准则，对卫星拒止区域外的中
、
低空层飞行器集群的构型进行综合优化的详细实现步骤如下：
S31
，初始化中空层飞行器集群与低空层飞行器集群中的飞行器构型，将初始化后的中
、
低空层飞行器集群作为协同导航中的基准飞行器集群，选取中的一架中空层飞行器作为主基准飞行器，其余中
、
低空层飞行器作为副基准飞行器，得到主
、
副基准飞行器与卫星拒止区域
Z
target
内的第
i
个目标采样点坐标的几何距离差为：测量伪距差为：其中，为主基准飞行器至第
i
个目标采样点的几何距离，为第
j
个副基准飞行器至第
i
个目标采样点的几何距离，为主基准飞行器至第
i
个目标采样点的测量伪距，为第
j
个副基准飞行器至第
i
个目标采样点的测量伪距，
(x1,y1,z1)
为中空层中主基准飞行器在
ECEF
坐标系下的位置坐标；
(x
j
,y
j
,z
j
)
为中
、
低空层架副基准飞行器在
ECEF
坐标系下的位置坐标；为主基准飞行器与第
i
个目标采样点间的时钟误差，为第
j
个副基准飞行器与第
i
个目标采样点间的时钟误差；
c
为光速；对于第
j
架副基准飞行器，有以下关系：
其中，为卫星拒止区域
Z
target
内的第
i
个目标采样点至主基准飞行器的方向余弦，为卫星拒止区域
Z
target
内的第
i
个目标采样点至第
j
架副基准飞行器的方向余弦，
(
δ
x
i
,
δ
y
i
,
δ
z
i
)
为卫星拒止区域内的第
i
个目标采样点的位置误差，
δ
u
技术研发人员：王融，王思晨，魏帅迎，包文龙，杜雨桐，熊智，刘建业，刘瑶凯，
申请(专利权)人：航天时代飞鸿技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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