互观测受限条件下的飞行器集群协同导航拓扑构建方法技术

本发明专利技术公开了一种互观测受限条件下的飞行器集群协同导航拓扑构建方法，首先设置无人机采用不同协同连接的周期，接着在协同连接数允许范围内，优先将无人机集群中高精度无人机和锚点协同连接，抑制其惯导漂移；其次将低精度无人机与锚点

【技术实现步骤摘要】
互观测受限条件下的飞行器集群协同导航拓扑构建方法


[0001]本专利技术涉及多无人机集群构型协同连接优化领域，尤其涉及一种互观测受限条件下的飞行器集群协同导航拓扑构建方法
。

技术介绍

[0002]多无人机协同集群技术近年来已受到越来越多国内外研究学者的关注，对于单架无人机很难完成的复杂危险的任务，集群协同技术可以更加灵活多变地完成，其效率远超单架无人机
。
[0003]多无人机协同导航是集群协同技术中至关重要的一部分，在很多复杂环境中，会出现
GNSS
信号拒止的情况，无人机仅有惯导可以正常使用，此时通过多机协同则可以有效抑制无人机惯导误差的发散
。
但考虑到硬件支持
、
经济成本
、
突发故障等，有时集群无人机不能全部正常协同连接通信，此时需要在协同连接条件受限的前提下，选择一种最优的协同连接方式，使协同修正后无人机惯导误差相对较小
。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种互观测受限条件下的飞行器集群协同导航拓扑构建方法，在无人机集群网络中协同连接受限的条件下使无人机集群惯导协同误差最小
。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006]互观测受限条件下的飞行器集群协同导航拓扑构建方法，由若干协同连接数目有限
、
配备惯导传感器和测距测角传感器的无人机组成无人机集群，通过集群构型协同连接优化，使无人机集群协同定位误差相对最小，包括以下步骤：
[0007]步骤
1)
，获取当前时刻各无人机惯导信息及观测信息并构建观测方程；
[0008]步骤
2)
，设置当前时刻为
t
，单位为秒，令
T1(q)
为每个周期内优先协同连接惯导误差较小的无人机的时间，
q
＝
0,1,2
…
，
T1(0)
＝0，
T2(q)
为每个周期内优先协同连接惯导误差较大的无人机的时间，
T2(0)
＝0；如果执行步骤
3)
，否者执行步骤
4)
；
[0009]步骤
3)
，根据协同连接限制条件及各无人机当前自身机载导航误差水平，优先协同连接惯导误差较小的无人机，构成集群无人机网络；
[0010]步骤
4)
，根据协同连接限制条件及各无人机当前自身机载导航误差水平，优先协同连接惯导误差较大的无人机，构成集群无人机网络；
[0011]步骤
5)
，根据无人机集群构型协同连接，进行观测方程更新；
[0012]步骤
6)
，根据观测矩阵秩亏数及零特征值向量构建伪观测方程并求解；
[0013]步骤
7)
，对无人机惯导误差进行修正，并实时更新无人机运动参数
。
[0014]作为本专利技术互观测受限条件下的飞行器集群协同导航拓扑构建方法进一步的优
化方案，所述步骤
1)
的具体步骤如下：
[0015]步骤
1.1)
，通过无人机机体惯性传感器数据，获得无人机
i
的惯导位置为其中
i
＝
1,2,3,...,n
表示无人机编号数，无人机总数量为
n
；
[0016]步骤
1.2)
，设置无人机集群网络中各无人机间最大协同连接总数为
a
，无人机
i
的最大协同连接数为
c
i
；
[0017]步骤
1.3)
，获取当前时刻无人机
i
机载惯导的位置估计噪声，其在地心地固坐标系的各坐标轴下分量为根据各无人机惯导位置估计噪声设置惯导误差权重矩阵
[0018][0019]步骤
1.4)
，选取
m
个锚点
(x
k
,y
k
,z
k
)
，
k
＝
1,2,3,...,m
表示锚点编号，设置锚点最大协同连接数为
b
；
[0020]步骤
1.5)
，通过测距测角传感器获取锚点
k
对无人机
i
的相对距离观测相对方位角观测和相对俯仰角观测
k
＝
1,
…
,m
；
[0021]步骤
1.6)
，通过各无人机装备的测距测角传感器，获得集群内部无人机
i
与无人机
j
间的相对距离观测相对方位角观测和相对俯仰角观测
j
＝
i+1,
…
,n
；
[0022]步骤
1.7)
，建立集群无人机观测方程表达式如下：
[0023][0024]简化描述为
Y
＝
HX+V
，其中，
X
为集群无人机惯导位置误差状态向量，变量表达式如下：
[0025][0026]为无人机
i
的惯导位置，
(x
i
,y
i
,z
i
)
为无人机
i
的真实位置；
[0027]Y
为测距观测向量，变量表达式如下：
[0028][0029][0030][0031][0032][0033]分别为无人机
i
与无人机
j
间的相对距离观测
、
相对方位角观测
、
相对俯仰角观测，分别为无人机
i
与无人机
j
间根据惯性传感器输出得到的相对距离
、
相对方位角
、
相对俯仰角，分别为无人机
i
与锚点
k
间的相对距离观测
、
相对方位角观测
、
相对俯仰角观测，分别为无人机
i
与锚点
k
间根据惯性传感器输出得到的相对距离
、
相对方位角
、
相对俯仰角；
[0034]H
为测距观测矩阵，变量表达式如下：
[0035][0036][0037][0038][0039][0040]V
为测距观测误差矩阵，变量表达式如下：
[0041][0042]分别为无人机
i
与无人机
j
间的距离
、
方位角
、
俯仰角测量误差，分别为无人机...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
互观测受限条件下的飞行器集群协同导航拓扑构建方法，其特征在于，由若干协同连接数目有限
、
配备惯导传感器和测距测角传感器的无人机组成无人机集群，通过集群构型协同连接优化，使无人机集群协同定位误差相对最小，包括以下步骤：步骤
1)
，获取当前时刻各无人机惯导信息及观测信息并构建观测方程；步骤
2)
，设置当前时刻为
t
，单位为秒，令
T1(q)
为每个周期内优先协同连接惯导误差较小的无人机的时间，
q
＝
0,1,2
…
，
T1(0)
＝0，
T2(q)
为每个周期内优先协同连接惯导误差较大的无人机的时间，
T2(0)
＝0；如果执行步骤
3)
，否者执行步骤
4)
；步骤
3)
，根据协同连接限制条件及各无人机当前自身机载导航误差水平，优先协同连接惯导误差较小的无人机，构成集群无人机网络；步骤
4)
，根据协同连接限制条件及各无人机当前自身机载导航误差水平，优先协同连接惯导误差较大的无人机，构成集群无人机网络；步骤
5)
，根据无人机集群构型协同连接，进行观测方程更新；步骤
6)
，根据观测矩阵秩亏数及零特征值向量构建伪观测方程并求解；步骤
7)
，对无人机惯导误差进行修正，并实时更新无人机运动参数
。2.
根据权利要求1所述的互观测受限条件下的飞行器集群协同导航拓扑构建方法，其特征在于，所述步骤
1)
的具体步骤如下：步骤
1.1)
，通过无人机机体惯性传感器数据，获得无人机
i
的惯导位置为其中
i
＝
1,2,3,...,n
表示无人机编号数，无人机总数量为
n
；步骤
1.2)
，设置无人机集群网络中各无人机间最大协同连接总数为
a
，无人机
i
的最大协同连接数为
c
i
；步骤
1.3)
，获取当前时刻无人机
i
机载惯导的位置估计噪声，其在地心地固坐标系的各坐标轴下分量为根据各无人机惯导位置估计噪声设置惯导误差权重矩阵步骤
1.4)
，选取
m
个锚点
(x
k
,y
k
,z
k
)
，
k
＝
1,2,3,...,m
表示锚点编号，设置锚点最大协同连接数为
b
；步骤
1.5)
，通过测距测角传感器获取锚点
k
对无人机
i
的相对距离观测相对方位角观测和相对俯仰角观测
k
＝
1,
…
,m
；步骤
1.6)
，通过各无人机装备的测距测角传感器，获得集群内部无人机
i
与无人机
j
间的相对距离观测相对方位角观测和相对俯仰角观测
j
＝
i+1,
…
,n
；步骤
1.7)
，建立集群无人机观测方程表达式如下：
简化描述为
Y
＝
HX+V
，其中，
X
为集群无人机惯导位置误差状态向量，变量表达式如下：
X
3n
×1＝
[X
1(3
×
1)
,
…
,X
i(3
×
1)
,
…
,X
n(3
×
1)
]
T
,,
为无人机
i
的惯导位置，
(x
i
,y
i
,z
i
)
为无人机
i
的真实位置；
Y
为测距观测向量，变量表达式如下：为测距观测向量，变量表达式如下：为测距观测向量，变量表达式如下：为测距观测向量，变量表达式如下：为测距观测向量，变量表达式如下：为测距观测向量，变量表达式如下：分别为无人机
i
与无人机
j
间的相对距离观测
、
相对方位角观测
、
相对俯仰角观测，分别为无人机
i
与无人机
j
间根据惯性传感器输出得到的相对距离
、
相对方位角
、
相对俯仰角，分别为无人机
i
与锚点
k
间的相对距离观测
、
相对方位角观测
、
相对俯仰角观测，分别为无人机
i
与锚点
k
间根据惯性传感器输出得到的相对距离
、
相对方位角
、
相对俯仰角；
H
为测距观测矩阵，变量表达式如下：为测距观测矩阵，变量表达式如下：
V
为测距观测误差矩阵，变量表达式如下：为测距观测误差矩阵，变量表达式如下：分别为无人机
i
与无人机
j
间的距离
、
方位角
、
俯仰角测量误差，分别为无人机
i
与锚点
k
间的距离
、
方位角
、
俯仰角测量误差
。3.
根据权利要求2所述的互观测受限条件下的飞行器集群协同导航拓扑构建方法，其特征在于，所述步骤
3)
的具体步骤如下：步骤
3.1)
，设置能够正常和锚点协同连接的无人机编号，锚点最大可协同连接数为
b
；设置各无人机能够正常协同连接的其他无人机编号，无人机
i
与锚点
、
其他无人机的最大协同连接数为
c
i
；并设置无人机集群中最大总协同连接数为
a
；如果有无人机可连锚点且有锚点，即
b>0
且
m>0
，执行步骤
3.2)
；如果锚点个数为0，或锚点最大可协同连接数为0，即
m
＝0或
b
＝0，执行步骤
3.3)
；步骤
3.2)
，在可协同连接锚点的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王融，顾晨，赵惟成，熊智，刘建业，刘瑶凯，王思晨，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：