基于UWB无线测距的舰载无人直升机起降引导技术研究

摘要

随着高科技军事技术的飞速发展，直升机在情报侦察和战场监视、舰外有源诱饵、反辐射攻击、空中电子压制和干扰等方面广泛应用，其中舰载无人直升机是目前发展的重点领域。而自主起降是舰载无人直升机系统发展成熟的必然要求，其中高精度的实时定位系统是引导直升机自主起降的关键。随着无线测距技术的发展，超宽带（Ultra-Wideband, UWB）雷达可以完成高精度测距以及组网定位，已经被引入到机器人和无人机的自主定位系统中。本文根据舰载无人直升机自主起降的需求，考虑船舶运动和海况影响等，设计基于UWB无线测距的定位引导系统。
　　以舰载无人直升机自主起降引导为研究背景，基于UWB无线测距技术，设计了组网模型，完成了目标位置解算和UWB与惯性导航模块（Inertial Measurement Unit, IMU）数据融合的算法，实现了基于UWB的定位引导系统。该系统能够获取目标直升机的相对位置，实现对舰载无人直升机起降阶段的定位及引导，大大提高了无人直升机的自主起降的可靠性与安全性。主要工作及创新点如下：
　　(1)设计实现了基于UWB无线测距技术的定位系统
　　针对舰载无人直升机起降引导的需求，基于UWB无线测距模块，设计了组网模型，进行基站的配置优化，分析了定位算法性能，实现了移动目标的位置解算，完成了UWB定位系统的机载和地面部分的设计，利用无人机平台完成了定位系统的飞行起降验证试验。系统区别于视觉引导系统，抗干扰能力提高，突破了 GPS（Global Positioning System）的使用限制，能够持续定位且定位精度满足直升机起降引导的需求。
　　(2)确定了UWB组网中基站的最优配置模型
　　UWB组网定位中地面基站的最优配置是以最小代价获取高精度定位结果的前提，在分析基站数目、间距以及基站几何布局对定位结果的影响后，结合无人直升机飞行降落轨迹的特点，使用克拉美罗下限（Cramer-Rao Lower Bound, CRLB）的最小估计方差将最优布局转化为了数值推导问题，提出了一种圆形对称布局方案，实验结果表明此布局定位精度最高。
　　(3)实现了基于差分GPS（Differential Global Positioning System, DGPS）的系统基站标定方法
　　基于UWB无线测距的定位系统中，为了获得目标节点的相对位置，必须首先建立起坐标系，确定基站之间的精确相对位置。本文研究提出了两种方案，一种是利用 DGPS位置，进行坐标转换，直接测量基站位置；另一种是通过系统定位原理和DGPS数据进行自标定，选取多个移动点获取距离测量值和DGPS坐标，进行位置反解算，获取基站位置。通过实验验证第一种方法简单快速，第二种定位精度相对更高，适用于不同应用场景。
　　(4)设计了UWB组网定位中的复合定位解算算法
　　介绍了无线定位领域的泰勒展开算法和三维Chan算法，分析了两种算法的性能与优势，并考虑UWB组网定位系统的特点，结合泰勒算法的定位精度高和Chan算法运算速度快的优点，设计了一种复合定位解算算法，使用Chan算法得到的结果作为泰勒展开的初值，进行迭代寻优求解，并建立了仿真模型，仿真实验结果表明复合定位算法定位精度高于单独使用泰勒算法和Chan算法，满足定位系统要求。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要工作

1.4 论文的组织结构

第二章 面向舰载无人直升机起降的UWB组网定位问题分析

2.1 引言

2.2基于UWB信号的测距方式

2.3基于UWB信号的定位方式

2.4 组网定位系统模型设计

2.5 本章小结

第三章 UWB组网模型中基站的配置研究

3.1 引言

3.2 组网模型中基站最优布局研究

3.3基于DGPS的系统基站标定方法研究

3.4 本章小结

第四章 UWB组网定位算法与滤波融合算法分析

4.1 引言

4.2 模型求解及复合定位方法

4.3 定位算法评估

4.4 舰载环境下的滤波与融合算法

4.5 本章小结

第五章 舰载无人直升机起降定位引导系统实验验证

5.1 引言

5.2 实验验证环境构建

5.3. 无人机飞行定位实验验证

5.4 无人直升机着舰半实物验证

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 论文研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果