基于多源信息融合的无人艇回收北斗高精度相对定位方法与流程

本发明属于位置基准传递，尤其是基于多源信息融合的无人艇回收北斗高精度相对定位方法。

背景技术：

1、无人艇通过搭载任务载荷，能够执行情报侦察、海上巡逻、海上救援、编队航行等关键任务，适用于危险、重复及其他不适于有人船艇执行的任务。但因其携带的能源有限不具备远洋续航能力，通常需母船携带至指定海域进行布放，任务执行完后母船对其进行回收。目前通常采用吊放式、艉滑道式、坞舱式三种装置，实现无人艇的布放与回收，安全可靠的布放与回收是无人艇执行任务的关键，尤其是基于高精度相对位置信息的无人艇回收过程。

2、无人艇回收的导航定位可划分为两个阶段：第一阶段是无人艇从远距离作业地点航渡至母船附近，通过导航定位技术手段实现无人艇安全航行，该阶段通常采用卫导、惯导、罗经等手段实现导航定位。第二阶段是无人艇到达母船附近，通过高精度相对定位技术手段实现无人艇回收，该阶段通常采用卫导、视觉、激光测距、声呐等手段实现高精度相对定位。北斗卫星导航系统具备全天候、误差不随时间累积的优势，是无人艇获取其位置信息的主要技术手段。无人艇和母艇分别装配高精度北斗接收机，无人艇在航渡阶段可实现米级的导航定位精度，通过数传电台搭建母艇与无人艇的差分数据传输链路，通过载波相位动动差分技术手段可实现厘米级的高精度相对定位。

3、无人艇的定位技术从传统的gnss/ins组合定位，发展到激光雷达、视觉传感器、声学传感器等被应用在组合定位系统中。多传感器融合应用的基本原理是利用不同传感器的优势相互弥补，以得到精度和可靠性更好的测量结果。根据多源信息融合的耦合程度可分为松组合、紧组合和深组合。松组合利用各传感器的测量信息进行独立定位解算，在定位结果层面进行组合。紧组合将各传感器的原始观测信息进行融合，建立统一的观测模型对位置参数进行最优估计。深组合主要用于深入至卫导接收机底层，辅助卫导接收机的信号捕获和跟踪。

4、在无人艇坞舱回收的应用场景中，由于母船船体局部遮挡引起子船北斗可视卫星数不足，导致北斗载波相位差分定位精度降低甚至失效。因此，有必要在无人艇坞舱回收过程中提供高精度的相对定位技术手段，使无人艇北斗动动差分相对定位在可视卫星数不足时，仍能提供相对于母船的高精度的位置信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出基于多源信息融合的无人艇回收北斗高精度相对定位方法，以北斗载波相位差分定位为基础，通过引入多源测距传感器提供的高精度测距信息，构建与北斗紧组合的相对定位解算模型，提升观测冗余进而提升相对定位精度，为无人艇坞舱回收任务场景提供高精度高可靠的相对定位技术手段。

2、本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

3、基于多源信息融合的无人艇回收北斗高精度相对定位方法，包括以下步骤：

4、步骤1、构建无人艇坞舱回收系统；

5、步骤2、根据无人艇坞舱回收系统的结构，构建无人艇与母艇的相对位置信息测量模型；

6、步骤3、根据无人艇与母艇的相对位置信息测量模型，构建北斗/多源测距信息紧组合相对定位模型，并通过构建的定位模型进行定位。

7、而且，所述步骤1中无人艇坞舱回收系统包括无人艇坞舱回收系统包括无人艇、母艇坞舱和母艇，所述系统集成多源传感器和硬件设备，实现绝对定位、相对定位和数据通信功能；其中，所述多源传感器和硬件设备包括北斗天线、北斗接收机、激光测距仪和数传电台。

8、而且，所述步骤1的具体实现方法为：无人艇和母艇的卫星导航接收设备同时接收北斗卫星导航系统信号，生成伪距和载波相位原始观测数据信息；所述无人艇和母艇配置激光测距仪，用于实现无人艇与母艇间相对距离的高精度测量；无人艇多源信息融合处理模块实时接收母艇卫导系统通过数据链发送的原始观测数据信息，并实时接收激光测距仪输出的高精度测距信息，通过观测信息紧组合进行多源融合相对定位解算，以实时获取母艇和无人艇天线间精确的相对位置信息。

9、而且，所述步骤2的具体实现方法为：

10、步骤2.1、相对位置信息测量模型包括北斗载波相位差分测量模型和多源测距信息测量模型；

11、步骤2.2、北斗载波相位差分测量模型基于载波相位双差操作，用于消除接收机钟差和卫星钟差，并削弱对流层和电离层误差；

12、步骤2.3、多源测距信息测量模型基于测距传感器的测距信息，并通过杆臂补偿将测距信息转换到北斗天线位置参考。

13、而且，所述北斗载波相位差分相对定位模型为：

14、

15、其中，为站间、星间双差算子，

l为北斗载波相位观测量，

ρ为天线与接收机之间的几何距离，

t为对流层延迟，

i为对流层延迟，

λ为载波波长，

n为模糊度，

ε

l为未被模型化的观测噪声，载波相位双差后可消除接收机钟差和卫星钟差，同时也在一定程度上削弱了对流层和电离层误差对北斗相对定位的影响。

16、而且，所述多源测距信息测量模型为：

17、

18、其中，

d为多源测距传感器的测距信息，(

δx

bds,

δy

bds,

δz

bds)为无人艇相对于母艇北斗天线的三维位置坐标差，(

δx

bds,d,

δy

bds,d,

δz

bds,d)为杆臂补偿相对位置坐标增量，

ε

d为未被模型化的观测噪声。

19、而且，所述步骤3中北斗/多源测距信息紧组合相对定位模型采用卡尔曼滤波实现观测信息融合和参数最优估计；

20、系统状态方程和量测方程分别为：

21、

22、其中，为

k时刻的

n维状态向量，包含天线相对位置待估参数；为

k时刻的

m维量测向量，包括卫星原始观测信息和激光测距观测信息；为

k-1到

k时刻的系统一步转移矩阵；为

k-1时刻的系统噪声；为系统噪声矩阵，它表征由

k-1时刻到

k时刻的各个系统噪声分别影响

k时刻各个状态的程度；为

k时刻的量测矩阵；为

k时刻的

m维量测噪声；

23、多源信息紧组合进行相对定位解算的卡尔曼滤波方程为，

24、

25、

26、

27、

28、

29、其中，是状态的卡尔曼滤波估值；是利用计算得到的对的一步预测；为滤波增益，其选取的标准是估值的均方误差阵最小；为估值的均方误差阵。

30、本发明的优点和积极效果是：

31、本发明以北斗载波相位差分定位为基础，通过引入激光测距仪采集的高精度测距信息，构建紧组合相对定位解算模型，在提升观测信息冗余度的同时优化定位解算精度。相较于传统单一依赖北斗的相对定位方式，本发明所提方法可有效规避卫星遮挡引起的北斗相对定位局限性，为无人艇坞舱回收场景提供高精度、高可靠性的相对定位技术支撑，显著提升回收任务的稳定性与成功率。