一种GNSS拒止条件下的无人机相对定位方法

本发明属于导航定位领域，具体涉及一种gnss拒止条件下的无人机相对定位方法。

背景技术：

1、高精度位置感知是无人机(uavs)进行编队飞行、监视、状态共识和路径规划等任务的重要前提。通常情况下使用全球卫星导航系统(gnss)可以实现高精度定位。然而卫星信号容易受到阻挡和干扰，在gnss拒止条件下，通过无人机之间的相对测量信息，包括到达时间(toa)，差分到达时间(tdoa)，到达角度(doa)等，实现gnss拒止环境中无人机的相对定位，是一种必要的手段。

2、集中式和分布式结构是用于相对定位的两种主要类型。集中式方法收集所有的测量数据，并在中心节点同时估计无人机的位置，具有高延迟和计算的复杂性。分布式方法通过将无人机分簇来缓解传输延迟和计算复杂度，在子簇中，无人机仅需与相邻节点进行通信并进行相对定位。然而，不同的子簇在不同的坐标系中实现定位，因此需要额外的广播步骤来进行子簇间的坐标系合并。

3、现有集中式或分布式的相对定位方法均要求gnss拒止的无人机能够与多个相邻的无人机节点(即参考节点)通信，从而在单历元实现定位。然而实际复杂环境及无人机的高机动性可能限制参考节点数目。在这种情况下现有基于多相邻通信节点的单历元相对定位方法不适用，研究基于少数参考节点(如单个节点)的相对定位，对gnss拒止环境下无人机的高精度位置感知具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种gnss拒止条件下的无人机相对定位方法，相比于现有基于多参考节点的相对定位方法，本发明方法对参考无人机节点数目没有限制，可适用于仅有一个参考节点的复杂环境。此外，所提算法可扩展于具有多个参考节点的场景，因此具有更好的鲁棒性和更广泛的应用场景。

2、实现本发明的技术方案如下：

3、一种gnss拒止条件下的无人机相对定位方法，所述定位方法中存在两架无人机，a无人机接收gnss信号，其全局位置已知，视为参考无人机节点。b无人机处于gnss拒止环境，通过获取与a无人机在设定时间内的序贯tdoa测量信息，结合惯性器件辅助，实现对b无人机的相对定位。所述方法包括以下步骤：

4、步骤一、b无人机通过其配备的惯性器件获得位置坐标；

5、步骤二、b无人机与a无人机以固定间隔进行相对测量，在设定的测量窗口内，获取多组包含钟差的伪距观测量；以窗口内一个伪距观测量为基准，获取消除钟差后的tdoa观测量；

6、步骤三、基于步骤一的位置坐标及步骤二的tdoa观测量构建定位模型，用于求解惯性器件定位结果中的累积误差；通过线性化处理，构建关于惯性器件累积误差的线性化方程；

7、步骤四、对步骤三所得的线性化方程中的色噪声特性进行估计，将色噪声白化为白噪声；

8、步骤五、利用白化后的线性化方程构建求解模型，所述求解模型为具有正交约束最小二乘模型，通过给定初值，利用高斯牛顿算法进行求解，最终实现对惯性器件累计误差的估计，从而实现无人机的相对定位。

9、进一步地，步骤五中，所述求解模型写为以下优化问题：

10、

11、其中，向量θ为待求解变量，[θ]a:b代表向量θ索引为a至b的子向量，表示惯性局部坐标系与全局坐标系的旋转矩阵，上标t代表转置运算，其中i为单位矩阵，ρ为经过线性化以及白化转换后的tdoa观测量，φ为关于待求解变量θ的观测矩阵，表示惯性局部坐标系与全局坐标系的偏置向量。

12、进一步地，步骤五中，得到无人机b局部坐标系和无人机a全局坐标系间的旋转矩阵及偏置向量的估计结果，将惯性器件提供的局部坐标转换为全局坐标，即实现对gnss拒止条件下无人机b的相对定位。

13、有益效果：

14、1、本发明适用于gnss拒止条件下无人机的相对定位。基于与单个参考无人机节点的toa测量，构建tdoa观测量消除两无人机间的钟差影响，进一步构建关于两无人机坐标系旋转矩阵及偏置向量的相对定位模型，并对模型噪声进行白化，最后对具有复杂约束的模型进求解，可实现对gnss拒止条件下无人机的高精度定位。

15、2、相对于现有gnss拒止条件下无人机定位方法，本方法对参考无人机节点数目没有要求，仅有一个参考节点时即可实现定位，具有更广阔的适用场景。

16、3、本发明方法考虑了两无人机之间的钟差，因此适用于时钟等级较低的无人机。

技术特征：

1.一种gnss拒止条件下的无人机相对定位方法，所述定位方法中存在两架无人机，a无人机接收gnss信号，其全局位置已知，视为参考无人机节点；b无人机处于gnss拒止环境，通过获取与a无人机在设定时间内的序贯tdoa测量信息，结合惯性器件辅助，实现对b无人机的相对定位，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的无人机相对定位方法，其特征在于，步骤五中，所述求解模型写为以下优化问题：

3.如权利要求1所述的无人机相对定位方法，其特征在于，步骤五中，得到无人机b局部坐标系和无人机a全局坐标系间的旋转矩阵及偏置向量的估计结果，将惯性器件提供的局部坐标转换为全局坐标，即实现对gnss拒止条件下无人机b的相对定位。

技术总结
本发明公开了一种GNSS拒止条件下的无人机相对定位方法，该方法利用GNSS拒止无人机与单一参考无人机节点在一段时间内的序贯TOA观测量信息，融合惯性器件提供的无人机分时期间在局部坐标系中的位置信息，对惯性器件误差进行校正，从而将惯性局部坐标系与参考节点全局坐标系进行合并，从而实现对GNSS拒止无人机的相对定位；本发明方法相比于现有基于多参考节点的相对定位方法，对参考无人机节点数目没有限制，可适用于仅有一个参考节点的复杂环境；此外，所提算法可扩展于具有多个参考节点的场景，因此具有更好的鲁棒性和更广泛的应用场景。

技术研发人员：王永庆,余全洲,申宇瑶,陈岩
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23