曹 陽

南京中設(shè)航空科技發(fā)展有限公司，江蘇 南京 210000

1 無人機(jī)目標(biāo)定位關(guān)鍵技術(shù)

借助無人機(jī)載體目標(biāo)定位測量系統(tǒng)，無人機(jī)可以對系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，通過對導(dǎo)航定位信息、無人機(jī)位置角度信息等解算，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的高精度定位，廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場偵查。

無人機(jī)通常采用的是單站測角、測距定位方式。這類方式，在實(shí)際的運(yùn)用中能夠在較短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)目標(biāo)定位、動態(tài)目標(biāo)定位。但是，依舊存在一些問題，主要是無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的持續(xù)定位，定位的精準(zhǔn)度也不夠高。由于無人機(jī)上只裝載了一個激光指示設(shè)備，因此，一次只能對一個目標(biāo)進(jìn)行定位。如果需要實(shí)現(xiàn)多個目標(biāo)定位，通常采取的是連續(xù)完成多個單目標(biāo)定位來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致在任務(wù)完成過程中耗時比較長，影響工作效率。

除此之外，還有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位、空間三點(diǎn)定位、空間兩點(diǎn)交匯等定位方式，但是均屬于單一的組合模式，在使用中均存在著一定的缺陷。在信息時代背景下，應(yīng)用信息融合理念，組建多傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)，借助機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)，全面提升導(dǎo)航的精準(zhǔn)度、可靠性。如表 1所示，在國外多組合信息融合載體已經(jīng)逐漸應(yīng)用在無人機(jī)上。

表1 國外無人機(jī)機(jī)載組合模式導(dǎo)航系統(tǒng)統(tǒng)計表

2 無人機(jī)高精度定位技術(shù)

2.1 聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)

聯(lián)邦濾波算法屬于兩級濾波結(jié)構(gòu)，能夠借助無人機(jī)機(jī)載內(nèi)的導(dǎo)航系統(tǒng)，對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)估算，以此提升無人機(jī)載體的精準(zhǔn)定位[1]。本文對無人機(jī)高精準(zhǔn)定位技術(shù)的闡述主要以聯(lián)邦濾波為主的無人機(jī)高精準(zhǔn)定位為主，主要如下：

聯(lián)邦濾波屬于分散化濾波，每個導(dǎo)航子系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建成卡爾曼濾波子系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

聯(lián)邦濾波器內(nèi)各個子系統(tǒng)不會互相干擾，主要是利用了方差上界技術(shù)，將各個濾波器內(nèi)的相關(guān)性及時消除，在信息分配上也是借助了聯(lián)邦濾波實(shí)現(xiàn)，具體的原則為：

在不同的信息分配策略下，聯(lián)邦濾波器具有不同的濾波結(jié)構(gòu)。（1）零復(fù)位模式。這類模式對子濾波器的影響不大，且兼容力較好，但是，濾波精準(zhǔn)度不夠高。（2）重置模式。這類模式能夠?qū)⑿畔⑵骄峙浣o各個濾波器，濾波精準(zhǔn)度比較高。但是，在子系統(tǒng)發(fā)生故障時，信息重置會影響其他健康的子系統(tǒng)，且系統(tǒng)的兼容性比較差。（3）融合重置模式。將全局的估算值作為濾波的計算結(jié)果，這類模式的結(jié)構(gòu)比較簡單，濾波的精準(zhǔn)度比較高，但是兼容性比較差。（4）無復(fù)位模式。這類模式下各個子濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立工作，子系統(tǒng)之間也不會相互影響，但是濾波的精準(zhǔn)性不高。

2.2 故障信息分配

在融合重置模式下的聯(lián)邦濾波器應(yīng)用中，若是某個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則將被隔離出去，導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的子系統(tǒng)能夠重新構(gòu)建聯(lián)邦濾波器。信息分配系數(shù)為：。

由于在故障隔離期間，需要對故障子系統(tǒng)進(jìn)行檢測，進(jìn)而判斷故障子系統(tǒng)是否恢復(fù)運(yùn)行，借助系統(tǒng)的正確信息，對子系統(tǒng)測量的信息進(jìn)行故障判斷。由此可見，在故障檢測期間，依舊需要為故障子系統(tǒng)提供信息。同時將主系統(tǒng)內(nèi)的最優(yōu)計算結(jié)果分配給故障子系統(tǒng)，避免出現(xiàn)局部優(yōu)、次故障檢測影響。

2.3 噪聲容錯聯(lián)邦濾波系統(tǒng)

在噪聲容錯背景下的聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示。同之前的系統(tǒng)相比較，這類系統(tǒng)中刪除了故障隔離模塊，能夠借助子濾波器，實(shí)現(xiàn)傳感故障的最優(yōu)化[2]。噪聲容錯聯(lián)邦濾波系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)對故障子系統(tǒng)的軟隔離。

圖2 噪聲容錯聯(lián)邦濾波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 故障檢測方法

信息融合下聯(lián)邦濾波的故障檢測方法主要是殘差卡方檢測方式。這類故障檢測法主要以測算為主，能夠?qū)柭鼮V波系統(tǒng)內(nèi)的信息進(jìn)行判斷，能夠?qū)σ恍z測出故障，卻無法確定故障原因的系統(tǒng)故障進(jìn)行合理測算。

故障檢測計算公式為：

若是系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)故障，則能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)的殘差均值進(jìn)行測算，其公式為：

2.5 仿真應(yīng)用

將無人機(jī)的飛行設(shè)置為“S”，總共飛行時間為1 800 s，其飛行軌跡如圖3所示。

最終得到的導(dǎo)航結(jié)果如表 2所示，通過分析表中數(shù)據(jù)得知，這類組合模式下，無人機(jī)的定位精準(zhǔn)度較高，容錯聯(lián)邦濾波算法能夠及時處理故障檢測數(shù)據(jù)，避免子系統(tǒng)故障對組合導(dǎo)航造成影響，進(jìn)而確保各類導(dǎo)航信息的精準(zhǔn)性。

圖3 無人機(jī)飛行軌道模式示意圖

3 結(jié)束語

綜上所述，在信息融合背景下，聯(lián)邦濾波計算法能夠提升無人機(jī)定位的精準(zhǔn)度。在實(shí)際應(yīng)用中，可以實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)定位。若是測距角度存在一定誤差，則需要固定單站測角測距，精準(zhǔn)固定目標(biāo)的位置，將載機(jī)位置變化和目標(biāo)位位置變化的定位精準(zhǔn)度之間的誤差控制在最小范圍內(nèi)。通過應(yīng)用得知，這類定位模式定位精準(zhǔn)度上更加穩(wěn)定，具有較好的應(yīng)用效益。

[1]袁玉敏.農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)高精度定位系統(tǒng)研究與設(shè)計——基于 GPS和 GPRS[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016，9（12）：227-231.

[2]柏青青.無人機(jī)高精度目標(biāo)定位中的組合導(dǎo)航系統(tǒng)在線標(biāo)定技術(shù)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2015.