CN112213754B - 一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法，包括如下步骤：无人机接收卫星导航定位信号，并进行处理得到载波信号；将载波信号分别输入到两个强跟踪局部滤波器中进行滤波处理，然后输入到主滤波器中进行数据融合，得到无人机的精确位置坐标；无人机向地面目标发送超宽带信号；地面目标接收超宽带信号后，对超宽带信号进行变频，再转发至无人机；无人机接收到地面目标转发的变频信号后，计算出地面目标在无人机坐标系中的位置坐标；然后转换成在北京大地坐标系中的位置坐标。本发明所公开的方法大大提高了系统的精确性和鲁棒性。

Description

一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法

技术领域

本发明涉及一种地面目标定位跟踪方法，特别涉及一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法。

背景技术

导航定位系统的发展是伴随着人们的生活、生产等方面的需求逐步发展起来的，随着当今社会不断发展，“导航”已经从最初的指路、确定方向逐渐发展到现今多种全球性的卫星导航系统及其他导航系统并存的阶段。近年来，无论是在军事领域，还是在航空、智慧交通、医学、农业等民用领域，导航定位都发挥着巨大的作用，不仅为科技进步提供动力，还为当今社会经济发展提供有利支持。导航相关学科的蓬勃发展也为导航研究增添了动力，导航定位技术在技术手段、定位精度以及可用性等方面均取得了长足发展。

随着新一代电子信息技术的飞速发展，目前导航系统的种类也变得丰富多样，除了GNSS，还包括惯性导航系统(INS)、天文导航(CNS)，多普勒测速系统(DVL)，罗兰系统(Loran)等，这些导航系统在精度和成本上各有特色。其中，INS在自主导航技术方面有一系列显著性优势，具有采样频率高、隐蔽性强、无需收发信号、输出信息丰富等诸多优点，目前广泛应用于汽车、轮船、飞机等导航定位方面。INS存在累计误差，无法独自长时间工作，为了削弱累计误差就必须以较高的成本提高INS的精度。DVL通过测量频移对相关速度信息进行解算，实用性较强，且具有一定的自主能力，但其受到声学原理及安装方面的影响较大，在进行速度测量时容易受到噪声干扰从而产生偏差。

由于导航定位系统对高精确性及高可靠性的要求越来越高，单一的导航系统在保障定位的精度和准确性方面存在缺陷。因此，导航和控制领域的研究重点主要集中于组合导航技术的研究和发展，致力于对高精度和高实用性技术手段的不断探索，在确保导航定位系统的定位可靠性和稳定性方面提供有力的技术支持。

在传感器技术得到显著提高以及现代估计理论持续发展的条件下，组合导航系统将向着模块化、智能化、协同化、更高精度、更可靠性趋势发展。模块化的导航配置可以增加组合系统的适用性，达到更高的效费比。智能化的信息融合技术将根据复杂工作环境中各导航子系统的量测可靠性自适应地调整整个导航子系统的利用率，在提升多元传感器组合导航系统的定位精度和稳定性方面有重要作用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法，以达到有效提高定位速度、精确性和应用范围的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法，包括如下步骤：

步骤一，无人机接收卫星导航定位信号，并利用卫星信号接收模块进行处理得到载波信号；

步骤二，将载波信号分别输入到两个强跟踪局部滤波器中进行滤波处理，然后将两个强跟踪局部滤波器的输出位置信息输入到主滤波器中进行数据融合，得到无人机的精确位置坐标；

步骤三，无人机向地面目标发送超宽带信号；

步骤四，地面目标接收超宽带信号后，对超宽带信号进行变频，再转发至无人机；

步骤五，无人机接收到地面目标转发的变频信号后，结合到达时间差，计算出地面目标在无人机坐标系中的位置坐标；

步骤六，将地面目标在无人机坐标系中的位置坐标转换成在无人机航迹坐标系中的位置坐标；然后，再转换成在无人机当地坐标系中的位置坐标，最后，转换成在北京大地坐标系中的位置坐标。

上述方案中，所述步骤一中，卫星信号接收模块包括中频接收单元、主处理单元、时钟电路与系统电源；所述中频接收单元负责将采集到的卫星导航定位信号进行滤波、下变频；主处理单元负责将经过滤波的卫星导航定位信号进行解扩、解调、解算位置目标；时钟电路是由内部振荡器提供高频脉冲经过分频处理后，成为卫星信号接收模块内部时钟信号，作为模块内各部件协调工作的控制信号；系统电源负责为整个卫星信号接收模块提供上电服务。

上述方案中，所述步骤二的具体方法如下：

(1)将载波信号L分别输入到两个强跟踪局部滤波器中；

(2)计算载波信号的状态预测误差和状态预测协方差矩阵；

(3)利用衰落因子λ_k对状态预测协方差矩阵进行调整，使滤波估计的结果满足正交性原理；

(4)两个强跟踪局部滤波器分别输出滤波估计的无人机位置，输入到主滤波器中，进行数据融合，得到无人机的精确位置坐标。

上述方案中，所述步骤三中，无人机向地面目标发送的超宽带信号频率范围为3.1～10.6GHz。

上述方案中，所述步骤四的具体方法如下：

无人机向地面目标发送的信号频率为f，第i个地面目标接收到无人机发送的超宽带信号后，通过自身信号转发模块进行变频转发，转发频率为f+Δf_i，其中，Δf_i为不同地面目标变频转发区别于其他地面目标的频率，Δf_i＝iΔf，i表示第i个地面目标，Δf为信号转发模块的固有频率。

上述方案中，所述步骤六的具体方法如下：

步骤五计算出的地面目标在无人机坐标系中的位置坐标表示为A_p＝[A_x,A_y,A_z.1]^T，其中A_x,A_y,A_z是地面目标在无人机坐标系中的位置，将其转换为在无人机航迹坐标系中的位置坐标如下：

B_p＝M₁·M₂·M₃·A_p

式中，M₁为俯仰角α的变换矩阵，M₂为横滚角γ的变换矩阵，M₃为偏航角β的变换矩阵，分别为：

地面目标位置在从无人机航迹坐标系转换到无人机当地坐标系的坐标转换，只需要绕无人机航迹坐标系的z轴旋转ε角即可，旋转矩阵为：

其中，

因此，地面目标在无人机当地坐标系中的位置为：

D_p＝M₄·B_p

最后，利用无人机内部模块将地面目标在无人机当地坐标系中的位置坐标转换到北京大地坐标系中的位置坐标。

进一步的技术方案中，所述无人机包括多个无人机组成的无人机群。

更进一步的技术方案中，不同无人机向地面目标发送的超宽带信号采用不同的PN码进行区分。

更进一步的技术方案中，特定地面目标向多个无人机变频转发的信号频率相同。

通过上述技术方案，本发明提供的一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法具有如下有益效果：

本发明将采集到的庞大而复杂的数据通过多源自适应联邦滤波器组进行信息融合；通过引入时变的衰落因子，可以减弱老数据对当前滤波值的影响，达到对增益矩阵进行在线实时调整的目的，使滤波估计的结果满足正交性原理。本发明通过在线调整增益矩阵迫使残差序列之间相互正交，则能有效保持强跟踪滤波器对实际系统性能方面的追踪能力。通过使用时变的衰落因子完成对新旧数据的修正，可以最大程度地降低历史状态信息的利用率，增强当前量测信息的贡献，减少过时数据的影响来提高系统和测量模型的准确性，有利于提升滤波精度。

地面目标对接收到的信号进行变频转发，不做解调、解扩，可以减少复杂的基带信号处理和解算。采用无人机群对地面目标进行协同定位，可以防止单个无人机出现故障时无法定位的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法流程示意图；

图2为本发明的无人机群与地面目标整体框架图；

图3为本发明的多模信号接收模块原理图；

图4为本发明的联邦滤波器组组合导航结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法，如图1所示，包括如下步骤：

如图2所示，本实施例的无人机包括多个无人机组成的无人机。

步骤一，无人机接收卫星导航定位信号，并利用卫星信号接收模块进行处理得到载波信号；

本发明定位的前提是，卫星定位系统实时广播卫星导航定位信号，信号来源包括北斗导航信号、GPS信号等多频多模态导航定位信息。

然后，由无人机有效载荷接收多模卫星导航定位信号，多模卫星信号接收模块主要用于接收卫星信号，可支持包括L频段的调制载波信号、信标信号或授时信息。实现多种卫星信号的捕获、跟踪及识别。

如图3所示，卫星信号接收模块包括中频接收单元、主处理单元、时钟电路与系统电源；中频接收单元负责将采集到的卫星导航定位信号进行滤波、下变频；主处理单元负责将经过滤波的卫星导航定位信号进行解扩、解调、解算位置目标；时钟电路是由内部振荡器提供高频脉冲经过分频处理后，成为卫星信号接收模块内部时钟信号，作为模块内各部件协调工作的控制信号；系统电源负责为整个卫星信号接收模块提供上电服务。

其主要工作原理如下：L波段输入信号由中频接收单元的滤波、下变频、再滤波后，再由主处理单元进行数字采样、信号捕获、跟踪、解扩、解调得到载波信号。计算结果由主处理单元通过UART(RS232)接口以设定周期输出。

步骤二，将载波信号分别输入到两个强跟踪局部滤波器中进行滤波处理，然后将两个强跟踪局部滤波器的输出位置信息输入到主滤波器中进行数据融合，得到无人机的精确位置坐标；如图4所示，具体方法如下：

(1)将载波信号L分别输入到两个强跟踪局部滤波器中；

(2)计算载波信号的状态预测误差和状态预测协方差矩阵；

假设载波信号误差的统计分布满足正态分布：

其中，H_k为增益矩阵，P_k|k-1为状态预测协方差矩阵，R_k为量测矩阵。

对这个信号误差求协方差矩阵，它的表达式是：

式中，V_ok表示预测残差向量的估计协方差；右侧是其理论结果。然而，V_ok并不总是精确的，因为滤波器的残差很容易受到系统模型的不确定性或位置误差的影响。因此需要引入衰落因子来提高系统模型的确定性。

(3)利用衰落因子λ_k对状态预测协方差矩阵进行调整，使滤波估计的结果满足正交性原理；

在强跟踪滤波中，若某时刻状态参数估计误差较大的话，如果适当增大自适应因子，能够减小当前时刻状态状态参数估计的影响，因此，为了保持强跟踪滤波器的良好性能，采用时变的衰落因子λ_k对过去的数据渐消，减弱老数据对当前滤波值的影响。

强跟局部踪滤波器通过衰落因子λ_k对状态预测协方差矩阵进行调整，达到对增益矩阵进行在线实时调整的目的，使滤波估计的结果满足正交性原理。

如果通过在线调整增益矩阵迫使残差序列之间相互正交，则能有效保持强跟踪局部滤波器对实际系统性能方面的追踪能力。通过使用时变的渐消因子完成对新旧数据的修正，有利于提升滤波精度。

衰落因子λ_k在强跟踪滤波中占有重要地位，适当的值将通过最大程度地降低历史状态信息的利用率，增强当前量测信息的贡献，减少过时数据的影响来提高系统和测量模型的准确性。

(4)两个强跟踪局部滤波器分别输出滤波估计的无人机位置，输入到主滤波器中，进行数据融合，得到无人机的精确位置坐标。

通过上述引用最优的衰落因子，每个强跟踪局部滤波器得到局部位置估计

因为每个局部滤波器是并行工作的，在得到局部滤波器的局部位置估计后将结果传递到主滤波器中用于数据融合，最大程度上实现全局最优化，每个局部滤波器状态估计分别为

我们设最终的位置估计

目标函数为：

其中，

为第一个强跟踪局部滤波器的状态估计协方差矩阵，

为第二个强跟踪局部滤波器的状态估计协方差矩阵。

对上面的式子进行求偏导，并且利用对角线矩阵进行转置和化简，得到

的全局状态估计：

其中，P_g,k为全局状态估计协方差矩阵，

即为无人机位置坐标。

步骤三，无人机向地面目标发送超宽带信号；无人机向地面目标发送的超宽带信号频率范围为3.1～10.6GHz。为了区分不同无人机的不同信号，每个无人机发送的信号用不同的PN码标记。地面目标可为固定目标或移动目标。

步骤四，地面目标接收超宽带信号后，对超宽带信号进行变频，再转发至无人机；

无人机向地面目标发送的信号频率为f，第i个地面目标接收到无人机发送的超宽带信号后，通过自身信号转发模块进行变频转发，转发频率为f+Δf_i，其中，Δf_i为不同地面目标变频转发区别于其他地面目标的频率，Δf_i＝iΔf，i表示第i个地面目标，Δf为信号转发模块的固有频率。特定地面目标向多个无人机变频转发的信号频率相同。

步骤五，无人机接收到地面目标转发的变频信号后，结合到达时间差，计算出地面目标在无人机坐标系中的位置坐标，此为现有技术，不做赘述。

步骤六，将地面目标在无人机坐标系中的位置坐标转换成在无人机航迹坐标系中的位置坐标；然后，再转换成在无人机当地坐标系中的位置坐标，最后，转换成在北京大地坐标系中的位置坐标。

在无人机对目标定位过程中需要建立和用到下面几个坐标系：

第一：无人机航迹坐标系：该坐标系的原点选在无人机质心上，B₁轴为该无人机航向，B₃指向为天顶，B₂与B₁和B₃三个形成右手直角坐标系。

第二：无人机坐标系：考虑到无人机自身所具有的三轴姿态角，建立的坐标系，无人机的三轴姿态角分别为俯仰角α，偏航角β，横滚角γ。此坐标系的坐标原点与无人机航迹坐标系相同，主要通过无人机航迹坐标系分别绕三轴进行姿态角旋转得到。

第三：无人机当地坐标系：原点设在无人机质心上，C₁指向正北方向，C₃指向天顶方向，C₁ C₂ C₃形成右手坐标系。

第四：北京大地坐标系：北京大地坐标系是我国广泛应用的一个参心坐标系，短轴Z轴平行于地球质心指向地级的方向，X轴在大地起始子午面内，与Z轴垂直；Y轴与ZOX构成右手坐标系。

步骤五计算出的地面目标在无人机坐标系中的位置坐标表示为A_p＝[A_x,A_y,A_z.1]^T，其中A_x,A_y,A_z是地面目标在无人机坐标系中的位置，将其转换为在无人机航迹坐标系中的位置坐标如下：

B_p＝M₁·M₂·M₃·A_p

式中，M₁为俯仰角α的变换矩阵，M₂为横滚角γ的变换矩阵，M₃为偏航角β的变换矩阵，分别为：

地面目标位置在从无人机航迹坐标系转换到无人机当地坐标系的坐标转换，只需要绕无人机航迹坐标系的z轴，即前面所述的B₃轴旋转ε角即可，旋转矩阵为：

其中，

因此，地面目标在无人机当地坐标系中的位置为：

D_p＝M₄·B_p

最后，利用无人机内部模块将地面目标在无人机当地坐标系中的位置坐标转换到北京大地坐标系中的位置坐标。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，无人机接收卫星导航定位信号，并利用卫星信号接收模块进行处理得到载波信号；

步骤二，将载波信号分别输入到两个强跟踪局部滤波器中进行滤波处理，然后将两个强跟踪局部滤波器的输出位置信息输入到主滤波器中进行数据融合，得到无人机的精确位置坐标；

步骤三，无人机向地面目标发送超宽带信号；

步骤四，地面目标接收超宽带信号后，对超宽带信号进行变频，再转发至无人机；

步骤五，无人机接收到地面目标转发的变频信号后，结合到达时间差，计算出地面目标在无人机坐标系中的位置坐标；

步骤六，将地面目标在无人机坐标系中的位置坐标转换成在无人机航迹坐标系中的位置坐标；然后，再转换成在无人机当地坐标系中的位置坐标，最后，转换成在北京大地坐标系中的位置坐标；

步骤六的具体方法如下：

步骤五计算出的地面目标在无人机坐标系中的位置坐标表示为A_p＝[A_x,A_y,A_z.1]^T，其中A_x,A_y,A_z是地面目标在无人机坐标系中的位置，将其转换为在无人机航迹坐标系中的位置坐标如下：

B_p＝M₁·M₂·M₃·A_p

式中，M₁为俯仰角α的变换矩阵，M₂为横滚角γ的变换矩阵，M₃为偏航角β的变换矩阵，分别为：

地面目标位置在从无人机航迹坐标系转换到无人机当地坐标系的坐标转换，只需要绕无人机航迹坐标系的z轴旋转ε角即可，旋转矩阵为：

其中，

因此，地面目标在无人机当地坐标系中的位置为：

D_p＝M₄·B_p

最后，利用无人机内部模块将地面目标在无人机当地坐标系中的位置坐标转换到北京大地坐标系中的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法，其特征在于，所述步骤一中，卫星信号接收模块包括中频接收单元、主处理单元、时钟电路与系统电源；所述中频接收单元负责将采集到的卫星导航定位信号进行滤波、下变频；主处理单元负责将经过滤波的卫星导航定位信号进行解扩、解调、解算位置目标；时钟电路是由内部振荡器提供高频脉冲经过分频处理后，成为卫星信号接收模块内部时钟信号，作为模块内各部件协调工作的控制信号；系统电源负责为整个卫星信号接收模块提供上电服务。

3.根据权利要求1所述的一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法如下：

(1)将载波信号L分别输入到两个强跟踪局部滤波器中；

(2)计算载波信号的状态预测误差和状态预测协方差矩阵；

(3)利用衰落因子λ_k对状态预测协方差矩阵进行调整，使滤波估计的结果满足正交性原理；

(4)两个强跟踪局部滤波器分别输出滤波估计的无人机位置，输入到主滤波器中，进行数据融合，得到无人机的精确位置坐标。

4.根据权利要求1所述的一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法，其特征在于，所述步骤三中，无人机向地面目标发送的超宽带信号频率范围为3.1～10.6GHz。

5.根据权利要求1所述的一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法，其特征在于，所述步骤四的具体方法如下：

无人机向地面目标发送的信号频率为f，第i个地面目标接收到无人机发送的超宽带信号后，通过自身信号转发模块进行变频转发，转发频率为f+Δf_i，其中，Δf_i为不同地面目标变频转发区别于其他地面目标的频率，Δf_i＝iΔf，i表示第i个地面目标，Δf为信号转发模块的固有频率。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法，其特征在于，所述无人机包括多个无人机组成的无人机群。

7.根据权利要求6所述的一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法，其特征在于，不同无人机向地面目标发送的超宽带信号采用不同的PN码进行区分。

8.根据权利要求6所述的一种利用无人机进行地面目标定位跟踪的方法，其特征在于，特定地面目标向多个无人机变频转发的信号频率相同。

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