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1、(10)申请公布号 CN 103398714 A (43)申请公布日 2013.11.20 CN 103398714 A *CN103398714A* (21)申请号 201310332069.X (22)申请日 2013.08.02 G01C 21/20(2006.01) (71)申请人 中国人民解放军 63983 部队 地址 214035 江苏省无锡市通惠西路 160 号 (72)发明人 徐博 杨羡 郑启辉 高伟 黄文军 许业文 蒋建平 唐凯 (54) 发明名称 基于可观测性分析的多艇协同导航方法 (57) 摘要 本发明涉及一种基于可观测性分析的多艇协 同导航方法， 包括 ： 确定多个领航。
2、艇中的任意两 个领航艇的连线为直径的至少一个圆周 ； 使跟随 艇在行驶的过程中始终位于圆周上， 从而提高系 统的可观测性。利用本发明中的多艇协同导航方 法在向目标行进的过程中， 既可使领航艇与跟随 艇之间保持预定的队形， 同时又可提高协同定位 精度， 并保证水声通信与测距的正常工作。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103398714 A CN 103398714 A *CN103398714A* 1/1 页 2 1. 一种基于可。
3、观测性分析的多艇协同导航方法， 其特征在于， 包括 ： 确定多个领航艇 (1) 中的任意两个领航艇 (1) 的连线为直径的至少一个圆周 ； 使跟随艇 (2) 在行驶的过程中始终位于所述圆周上， 从而提高系统的可观测性。 2. 根据权利要求 1 所述的多艇协同导航方法， 其特征在于， 所述跟随艇 (2) 与其所在的那个圆周上的两个所述领航艇 (1) 之间的距离相等。 3. 根据权利要求 1 所述的多艇协同导航方法， 其特征在于， 一个所述圆周上分布有一 个或多个跟随艇 (2)。 4. 根据权利要求 1 所述的多艇协同导航方法， 其特征在于， 所述多个领航艇位于同一 直线上。 5. 根据权利要求 。
4、4 所述的多艇协同导航方法， 其特征在于， 每个所述圆周所对应的两 个所述领航艇在所述直线上是相邻或非相邻的。 6. 根据权利要求 5 所述的多艇协同导航方法， 其特征在于， 所述直径的一侧或两侧均 分别有至少一个所述跟随艇 (2)。 7.根据权利要求1所述的多艇协同导航方法， 其特征在于， 所述领航艇(1)的个数为两 个、 三个或更多个。 权 利 要 求 书 CN 103398714 A 2 1/4 页 3 基于可观测性分析的多艇协同导航方法 技术领域 0001 本发明涉及导航领域， 特别是涉及一种基于可观测性分析的多艇协同导航方法。 背景技术 0002 协同作战包括多艘艇相互配合、 相互协。
5、作， 执行战斗任务等作战方式。 多艇协同就 是利用多艘成本相对较低、 功能简单的艇完成一个复杂系统才能完成的任务。多艘艇组成 的艇队， 只要有足够有效的协同策略， 就能充分发挥综合资源优势， 多艇编队作战效能就能 大于多艘艇各自为战的作战效能。 0003 目前对协同导航艇间编队(各艇之间相对位置)的研究， 大多只考虑尾流、 碰撞等 安全因素对协同导航的影响， 而忽略了可观测性即定位精度的要求， 这就导致协同定位精 度不高， 难以满足实际需要。 0004 协同导航是利用艇的运动及它们之间的相对位置观测从而完成定位， 那么艇队在 定位过程中的相对位置、 运动轨迹必然会对合作定位精度产生影响。 发明。
6、内容 0005 本发明的目的是提供一种定位精度高、 可观测性高的基于可观测性分析的多艇协 同导航方法。 0006 为解决上述技术问题， 作为本发明的一个方面， 提供了一种基于可观测性分析的 多艇协同导航方法， 包括 ： 确定多个领航艇中的任意两个领航艇的连线为直径的至少一个 圆周 ； 使跟随艇在行驶的过程中始终位于圆周上， 从而提高系统的可观测性。 0007 进一步地， 跟随艇与其所在的那个圆周上的两个领航艇之间的距离相等。 0008 进一步地， 一个圆周上分布有一个或多个跟随艇。 0009 进一步地， 多个领航艇位于同一直线上。 0010 进一步地， 每个圆周所对应的两个领航艇在直线上是相邻。
7、或非相邻的。 0011 进一步地， 直径的一侧或两侧均分别有至少一个跟随艇。 0012 进一步地， 领航艇的个数为两个、 三个或更多个。 0013 利用本发明中的多艇协同导航方法在向目标行进的过程中， 既可使领航艇与跟随 艇之间保持预定的队形， 同时又可提高协同定位精度， 并保证水声通信与测距的正常工作。 附图说明 0014 图 1 示意性示出了条件数倒数与领航艇和跟随艇相对距离向量关系 ； 0015 图 2 示意性示出了图 1 的俯视图 ； 0016 图 3 示意性示出了两条领航艇情况下的多艇协同导航原理图 ； 以及 0017 图 4 示意性示出了三条领航艇情况下的多艇协同导航原理图。 具体。
8、实施方式 说 明 书 CN 103398714 A 3 2/4 页 4 0018 以下对本发明的实施例进行详细说明， 但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的 多种不同方式实施。 0019 在艇队的协同导航中， 艇横向、 纵向一字型排列会影响观测性， 进而影响整体定位 的精度， 而彼此之间形成三角形构型， 效果要好于并排或者纵向排列效果。因此， 基于可观 测性分析的多艇协同导航的研究具有重要的实际意义。 0020 首先， 申请人分析影响艇队的系统可观测性的因素， 具体分析如下 ： 0021 步骤一 ： 建立系统状态方程 0022 在地理坐标系下， 设 t0时刻跟随艇起始位置为 O(0， 0， 0)。
9、， 则 tk时刻跟随艇自身推 算得到的状态量可以表示为 ： 0023 0024 式中， xk、 xk-1分别为 k、 k-1 时刻 x 方向的位置状态， yk、 yk-1分别为 k、 k-1 时刻 y 方 向的位置状态，为 k 时刻 DVL 测量的跟随艇纵向、 横向速度 ； 为微机械惯性系统输 出的跟随艇航向信息 ；为深度传感器输出的跟随艇垂向深度信息 ； t 为采样时间间隔。 0025 考虑到跟随艇航向信息 k及深度信息 zk直接可观测， 只讨论二维系统的可观测 性问题， 即只对东北向位置状态 x、 y 进行可观测性分析。系统的连续状态方程表示如下 ： 0026 0027 式中 X 为状态量。
10、， u 为系统输入， f 为关于状态量和系统输入的函数， 表示为 0028 0029 步骤二 ： 建立系统的量测方程 0030 系统观测量取跟随艇相对领航艇距离平方的二分之一， 观测方程表示如下 ： 0031 0032 式中， h(X) 表示关于 X 的函数， (x1， y1)、 (x2， y2) 分别为两个领航艇的位置坐标， (x， y) 为跟随艇的位置坐标， h1、 h2分别为跟随艇与两个领航艇之间的距离。 0033 步骤三 ： 可观测性分析 0034 采用非线性系统李导数可观测性理论进行可观测性分析， 得到该系统的可观测性 矩阵 说 明 书 CN 103398714 A 4 3/4 页 。
11、5 0035 0036 将可观测矩阵进一步变换成极坐标形式， 表示如下 ： 0037 0038 式中， ve、 vn分别为跟随艇东向和北向速度， x1、 y1分别为跟随艇相对领航艇 1 在 x、 y 方向的距离， x2、 y2分别为跟随艇相对领航艇 2 在 x、 y 方向的距离， p1、 p2为跟随 艇相对两个领航艇之间的距离， v 为跟随艇的速度， 为跟随艇相对于领航艇 1 的方位角， 为跟随艇相对于领航艇 2 的方位角， 为跟随艇的航向角。 0039 当跟随艇运动 (v 0) 时， 系统的可观测性比较容易满足。当且仅当 、 、 相 等或者相差 180时观测矩阵的秩为 1， 不满足系统可观测。
12、条件。也就是说， 只有在跟随艇 与领航艇航行轨迹在水平面上投影沿一条直线时系统不可观测， 其余条件下均可观测。 0040 当跟随艇静止 (v 0) 时， 系统可观测矩阵表示为 0041 0042 可以看出， 若矩阵奇异则有 0043 tan tan (8) 0044 也就是说， 当且仅当+n(n0， 1， 2)即跟随艇相对不同领航艇的距离 方向平行时系统不可观测， 其它状态情况下均可观测。 0045 引入条件数分析理论对系统的可观测度做进一步分析。 对可观测矩阵做进一步变 换 0046 0047 式中 0048 0049 定义跟随艇与两领航艇之间的距离向量夹角为 +， 则观测矩阵条件数 C 可。
13、以表示为 0050 0051 式中， 1， 2为观测矩阵的两个奇异值 0052 0053 系统可观测矩阵的条件数越大， 系统的可观测程度越差 ； 如果系统可观测矩阵的 说 明 书 CN 103398714 A 5 4/4 页 6 条件数无穷大， 则系统不可观测 ； 反之， 系统可观测矩阵的条件数越接近 1， 系统的可观测 性越好。 0054 根据式 (11) 选取条件数的倒数 C-1进行仿真分析， 从图 1 和图 2 中可以看出， 当系 统满足条件 0055 0056 时， C-1最大， 也就是系统的可观测性最好。 0057 从协同导航系统可观测性条件申请人发现 ： 系统可观测性大小取决于 r。
14、 和 ， 即 跟随艇与领航艇之间的相对距离以及相对方位。 当跟随艇位于两领航艇连线为直径的圆周 上， 即可获得较好的可观测性。进一步地， 当跟随艇与两领航艇的相对距离相等， 即处于两 领航艇连线的中垂线与圆周的两交点处， 是可观测性最好的。 0058 为此， 请参考图 3 和图 4， 本发明提供了一种基于可观测性分析的多艇协同导航方 法， 包括 ： 确定多个领航艇 1 中的任意两个领航艇 1 的连线为直径的至少一个圆周 ； 使跟随 艇 2 在行驶的过程中始终位于圆周上， 从而提高系统的可观测性。优选地， 领航艇 1 的个数 为两个、 三个或更多个。 0059 优选地， 跟随艇2与其所在的那个圆。
15、周上的两个领航艇1之间的距离相等， 即跟随 艇 2 与该圆周的圆心之间的连线与两个领航艇之间的连线垂直。 0060 优选地， 多个领航艇位于同一直线上。 优选地， 每个圆周所对应的两个领航艇在直 线上是相邻或非相邻的。优选地， 一个圆周上分布有一个或多个跟随艇 2。优选地， 直径的 一侧或两侧均分别有至少一个跟随艇 2。 0061 由可观测性分析可知， 在跟随艇运动时， 跟随艇与两领航艇的距离向量夹角越接 近 90， 同时相对不同领航艇之间的距离越接近， 系统的可观测性越好， 也就是说， 当跟随 艇分布在以两领航艇连线的中心点为圆心， 距离的一半为半径的圆周上其可观测性最好。 0062 请参考。
16、图 2， 在两条领航艇的间距确定的情况下 ( 以 200 米为例 )， 以两条领航艇 连线的中点为圆心， 距离的一半为半径的圆周上其可观测性较好， 且跟随艇有两个最优位 置， 分别在两条领航艇连线中垂线与圆周交汇处。 0063 对于三条或更多条领航艇来说， 其可利用本发明中的基于可观测性分析的协同导 航方法， 此时只要跟随艇与任意两条领航艇之间的相对位置满足上述关系就可满足可观测 性要求， 从而实现对跟随艇的精确定位。 ， 0064 利用本发明中的多艇协同导航方法在向目标行进的过程中， 既可使领航艇与跟随 艇之间保持预定的队形， 同时又可提高协同定位精度， 并保证水声通信与测距的正常工作。 0065 以上所述仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于限制本发明， 对于本领域的技 术人员来说， 本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修 改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103398714 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103398714 A 7 2/2 页 8 图 3图 4 说 明 书 附 图 CN 103398714 A 8 。