[发明专利]一种基于弹性基线的无人机定位跟踪方法

权利要求书

1.一种基于弹性基线的无人机定位跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、己方无人机部署

在需要监测的三维目标空域(监测空域)中初始部署一定数量的己方无人机(无人机集群)，所有己方无人机配备有tdoa(time difference of arrival，到达时间差)/doa(direction of arrival，波达方向)/aoa(angle of arrival，波达角)/rss(receivedsignal strength，接收信号强度)/fdoa((frequency difference of arrival，到达频率差)等定位测量方法中的一种或是混合定位测量方法所需要的硬件，所有己方无人机可以在空域中自由移动；

(2)、初始定位

对于监测空域内的非合作目标p，无人机集群运用传统的集中式定位方法对非合作目标p进行初始定位，非合作目标p的位置表示为x_p＝[x_p,y_p,z_p]；

(3)、判断模式

设置高度阈值z₀，并根据步骤(2)初始定位中的高度信息z_p判断非合作目标p是否为近地目标：

若z_p≥z₀，则认为非合作目标p为非近地目标，工作模式采用无约束模式；

若z_p＜z₀，则认为非合作目标p为近地目标，工作模式采用近地目标模式；

(4)、最优构型分析

对于无约束模式，建立与定位测量方法对应的无约束三维定位精度分析模型，通过求解估计量克拉美罗下界以及证明其存在条件来求得无约束模式的最优构型；

对于近地目标模式，建立与定位测量方法对应的近地目标三维定位精度分析模型，通过静态优化方法最大化估计量的Fisher信息矩阵行列式以及其存在条件来求得近地目标模式的最优构型；

(5)、己方无人机选择

按照采用的工作模式，选择相应的最优构型，计算所有己方无人机的组合中估计量的Fisher信息矩阵行列式最大的一组无人机作为定位跟踪初始的定位节点集，记为S；

(6)、路径规划

定位节点集S内的己方无人机规划移动至相应最优构型处的最优移动：

采用动态优化理论中的最优控制方法，对某一个己方无人机i而言，当前位置记为x_i，x_i^b为步骤(4)分析得到的最优构型中己方无人机i要移动到的目标位置，表示最优控制过程中的初始值和终值，其中，终值时刻T不固定，J_t表示S内己方无人机在t时刻时的构型所推导的Fisher信息矩阵；

最优移动的目的是为了提高移动过程中的平均精度，则优化最优移动性能泛函J写为：

将己方无人机速度关于时间的函数写作为控制函数v_i(t)，将己方无人机位置关于时间的函数写作为状态函数x_i(t)，则优化最优移动性能泛函同时可以写为以下形式：

泛函的核函数F称为拉格朗日函数，x_i'(t),v_i'(t)分别为状态函数和控制函数关于时间的导数，求解包含多个未知泛函的欧拉方程：

从而求得最优控制函数v_i(t)以及最优路径x_i(t)；

(7)、更新位置

根据控制函数v_i(t)，设计最小时间间隔为t₀，移动当前时刻定位节点集S中的己方无人机，并更新他们的位置为x_i^t＝x_i^t+v_i^t×t₀，以备下一步迭代；

(8)、目标定位

定位节点集S内的己方无人机根据自身所携带硬件，获得当前时刻t的测量数据，并根据测量手段的不同，联立相应的距离公式，解得非合作目标p t时刻的位置x_p^t；

判断该非合作目标p相较于上一时刻有无移动，若没有，则非合作目标p为静态目标，即非合作目标p的移动并没有破坏最优构型，若非合作目标相较于上一时刻发生移动，则非合作目标p为动态目标，非合作目标p的移动导致了基于原基线结构的移动方案不再最优，对此，计算非合作目标p的速度为：

并取下一个迭代内己方无人机的运动速度从而设计己方无人机跟随非合作目标p的移动，并保证基线的最优构型不变；

(9)、己方无人机交接

设置累计工作时间警戒值T_max，若某一己方无人机j随动跟踪时间已达到T_max，则意味着己方无人机j能源将尽，无法继续任务；

遍历非工作的己方无人机寻找己方无人机k，使得己方无人机k与S-j组成的节点集合估计量Fisher信息矩阵行列式最大，将己方无人机k添加至定位节点集S，并从S中删除己方无人机j，转至步骤(6)，为新的定位节点集S设计新的移动方案；

(10)、模式切换

设置较小的常数a和观测时间T_s，若近地模式下，在观测时间T_s内对非合作目标p的高度z_p的估计量始终满足||z_p||≤a，则认为非合作目标p的高度为0，即非合作目标p为地面目标，建立与定位测量方法对应的地面目标三维定位精度分析模型，通过静态优化方法最大化估计量的Fisher信息矩阵行列式以及其存在条件来求得地面目标模式的最优构型，切换近地目标模式为地面目标模式，转至步骤(5)；

(11)、跟踪结束

非合作目标离开监测区域或管理员手动关闭跟踪定位任务，则跟踪任务结束，否则，返回步骤(8)。