一种异空域分布的飞行器集群协同导航优化方法

技术领域

本发明涉及定位与导航技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

发明目的：本发明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。

技术方案：本发明的飞行器集群协同导航优化方法，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

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，重复步骤进一步，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

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；

S23，定义中空层飞行器集群

分别表示中空层飞行器集群的经度坐标最小值和最大值，/>

S24，定义低空层飞行器集群

分别表示低空层飞行器集群的经度坐标最小值和最大值，/>

S25，低空层飞行器集群

其中，(λ

S26，将定义空域

对卫星拒止区域Z

其中，R

进一步，步骤S3中，以基于卫星拒止区域Z

S31，初始化中空层飞行器集群

测量伪距差

其中，

对于第j架副基准飞行器，有以下关系：

其中，

S32，对步骤S31中的几何距离差

以及卫星拒止区域内目标采样点至主、副基准飞行器间的测量伪距差矩阵：

考虑到第i个目标采样点与不同主、副基准飞行器间测量伪距标准差的差异，引入

其中，

S33，使用权重转换矩阵

D

其中，

经过归一化处理的测距误差方程组满足普通最小二乘条件，解得卫星拒止区域内的第i个目标采样点位置误差的加权最小二乘解：

其中，

由此，得到卫星拒止区域内第i个目标采样点的位置误差为：

其对应的定位误差协方差矩阵为：

S34，基于步骤S33中推导的卫星拒止区域内第i个目标采样点的定位误差协方差矩阵cov(δX

将不同主、副基准飞行器构型下第i个目标采样点的TD-GDOP

其中，，trace()表示矩阵的迹，G

S35，对卫星拒止区域Z

其中，ω

由此，计算得到中空层飞行器集群

其中，

S36，根据步骤(2)所提出的中、低空层飞行器集群

其中，n表示第n次迭代次数，m表示第m个粒子，ω表示惯性权重；c

此外，根据中、低空层飞行器集群

当

同时，设置中空层飞行器集群间距离维持在最小间距

其中

在指定的迭代次数内更新得到的目标函数f

4、根据权利要求3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S4中，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的实现步骤如下：

以高空层飞行器集群

计算

其中，

其中，

根据步骤S36中优化算法，在高空层空域内初始化个体

此外，根据高空层飞行器集群

同时，设置高空层飞行器集群间距离最小值

其中，

在指定的迭代次数内更新得到的目标函数f

此外，高空层基准飞行器以优化得到的ECEF坐标系下的位置坐标

进一步，步骤S5中，以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步骤如下：

S51，分别在中空层基准飞行器集群

S52，以主基准飞行器作为坐标原点，建立相对坐标系，相对坐标系的三维坐标轴与ECEF坐标系坐标轴平行，Z轴与地球自转轴方向平行，X轴在赤道平面内与零度子午线相交，Y轴与X轴、Z轴构成右手直角坐标系；

S53，根据S51中待辅助飞行器和主、副基准飞行器间的相对距离，构建待辅助飞行器至主、副基准飞行器的距离差

其中，(x

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：

1、本发明针对实际应用场景中异空域分布的飞行器集群，基于集群间的相对位置关系，将飞行器集群进行高度方向与集群前进方向上的划分，得到飞行器集群间高、中、低三种相对高度关系与前、后两种相对位置关系，优先考虑对低空层中进入卫星拒止区域的飞行器集群的导航辅助，首先对中、低空层中提供协同导航辅助的飞行器构型进行优化，并在此基础上对高空层飞行器构型进行优化，得到最终的异空域飞行器集群优化构型；与未考虑飞行器集群异空域分布的方法相比，本发明具备更强的现实意义，更加符合实际的应用场景；

2、本发明考虑到不同飞行器构型下对诸如卫星拒止区域之类的特定目标区域协同导航辅助性能不同，针对不同飞行器集群中不同飞行器构型下的特定目标区域内TD-GDOP数值计算结果分别设计对应的目标函数，在此基础上分别对异空域分布的不同飞行器集群构型进行依次优化，使得优化后的飞行器构型对特定目标区域具备更好的协同导航性能，能为集群中进入卫星拒止区域内的飞行器提供更好的协同导航辅助；与未考虑异空域分布的飞行器集群构型优化的方法相比，本发明对于特定目标区域内的飞行器具备更好的协同导航辅助性能。

附图说明

图1为本发明方法的原理流程示意图；

图2(a)为中、低空层基准飞行器构型优化中的目标函数变化曲线图，

图2(b)为高空层基准飞行器构型优化中的目标函数变化曲线图；

图3为构型优化前后的异空域飞行器构型及卫星拒止区域示意图；

图4为构型优化后的异空域飞行器运动轨迹及卫星拒止区域示意图；

图5(a)为构型优化前后1号低空层待辅助飞行器综合定位精度随时间变化曲线图，

图5(b)为构型优化前后2号低空层待辅助飞行器综合定位精度随时间变化曲线图，

图5(c)为构型优化前后3号低空层待辅助飞行器综合定位精度随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

本发明提出一种异空域分布的飞行器集群协同导航优化方法，应用于当飞行器集群分布于较大空域范围、集群中飞行器类型及机载导航设备精度不同的情况下。根据异空域分布的飞行器集群间的相对位置关系，将飞行器集群进行高度方向与集群前进方向上的划分，得到飞行器集群间高、中、低三种相对高度关系与前、后两种相对位置关系，并确定卫星拒止区域；在此基础上对异空域分布的不同飞行器集群的构型进行不同策略下的优化，得到最终的异空域飞行器集群优化构型；再分别选取不同飞行器集群中的主、副基准飞行器，确定待辅助飞行器，根据飞行器间相对距离信息，构建基于TDOA原理的协同导航模型，并使用球面内插算法解算得到待辅助飞行器坐标；最后使用滤波对待辅助飞行器的位置信息进行修正，实现利用集群协同导航技术对导航性能的提升。与未考虑飞行器异空域分布及构型优化的协同导航方法相比，本发明对特定目标区域内待辅助飞行器的协同导航辅助效果更优，更符合实际的应用场景。

如图1所示，一种异空域分布的飞行器集群协同导航优化方法，包括以下步骤：

步骤(1)，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；

步骤(2)，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；

步骤(3)，以基于卫星拒止区域Z

步骤(4)，在步骤(3)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；

步骤(5)，获取不同空域间飞行器的位置信息及相对距离数据，分别选取基准，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(TimeDifference of Arrival到达时间差)原理的协同导航模型；

步骤(6)，利用基于球面内插算法的协同定位算法，对步骤(5)中所建立的基于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；

步骤(7)，根据步骤(6)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；

步骤(8)，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(3)-步骤(7)。

步骤(2)包括以下具体步骤：

步骤(2-1)，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。

步骤(2-2)，定义高空层飞行器集群

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；

步骤(2-3)，定义中空层飞行器集群

分别表示中空层飞行器集群的经度坐标最小值和最大值，/>

步骤(2-4)，定义低空层飞行器集群

分别表示低空层飞行器集群的经度坐标最小值和最大值，/>

步骤(2-5)，对于易受卫星拒止区域影响的低空层飞行器集群，考虑低空层飞行器集群

其中，(λ

步骤(2-6)，将定义空域

对卫星拒止区域Z

其中，R

步骤(3)包括如下具体步骤：

步骤(3-1)，初始化中空层飞行器集群

其中，

令

其中，

对于第j架副基准飞行器，有以下关系：

其中，

步骤(3-2)，对步骤(3-1)中的公式(7)、公式(8)进行矩阵描述，得到卫星拒止区域Z

以及卫星拒止区域Z

此外，考虑到第i个目标采样点与不同主、副基准飞行器间测量伪距标准差的差异，引入

β

其中，

步骤(3-3)，使用权重转换矩阵

D

其中，

其中，

其对应的定位误差协方差矩阵为：

步骤(3-4)，基于步骤(3-3)中推导的卫星拒止区域Z

即可将不同主、副基准飞行器构型下第i个目标采样点的TD-GDOP

其中，trace()表示矩阵的迹，G

步骤(3-5)，对卫星拒止区域Z

其中，ω

由此可计算得到中空层飞行器集群

其中，

步骤(3-6)，根据步骤(2)所提出的中、低空层飞行器集群

其中，n表示第n次迭代次数，m表示第m个粒子，ω表示惯性权重；c

此外，根据中空层飞行器集群

当

同时，为避免实际应用场景中飞行器间过于密集或稀疏，设置中空层飞行器集群间距离维持在最小间距

其中

在指定的迭代次数内更新得到的目标函数f

步骤(4)与步骤(3)区别在于：

步骤(4)以高空层飞行器集群

计算

其中，

其中，

此外，需根据高空层飞行器集群

同时，针对高空层飞行器集群在飞行过程中分布较为分散的特点，设置高空层飞行器集群间距离最小值

其中

步骤(5)包括如下具体步骤：

步骤(5-1)，分别在中空层基准飞行器集群

步骤(5-2)，以主基准飞行器作为坐标原点，建立相对坐标系，相对坐标系的三维坐标轴与ECEF坐标系坐标轴平行，Z轴与地球自转轴方向平行，X轴在赤道平面内与零度子午线相交，Y轴与X轴、Z轴构成右手直角坐标系。

步骤(5-3)，根据步骤(5-1)中待辅助飞行器和主、副基准飞行器间的相对距离，构建待辅助飞行器至主、副基准飞行器的距离差

其中，(x

为验证本发明所提出的一种异空域分布的飞行器集群协同导航优化技术的有效性，进行仿真分析。仿真设计13架飞行器进行集群编队飞行，集群飞行方向及轨迹保持一致，高、中、低空层飞行器集群

以上所述仅是本发明的优化实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。