[发明专利]基于误差椭圆的UUV集群编队构型设计方法

说明书

本发明提供了一种基于误差椭圆的UUV集群编队构型设计方法，属于水下精密定位技术领域。该方法以误差椭圆面积最小为准则设计给定UUV集群的最优编队构型；当给定UUV集群为空间域多领航单跟随UUV集群时，该给定UUV集群的最优编队构型为：每相邻两个领航UUV与跟随UUV之间构成的夹角为2π/n，n为给定UUV集群中领航UUV的总数，n≥3；当给定UUV集群为时间域单领航单跟随UUV集群时，该给定UUV集群的最优编队构型根据时间域单领航单跟随UUV集群的误差椭圆评判准则行列式确定，当|J|取最大值时误差椭圆面积最小。本发明能够设计出协同定位误差最小的编队构型，且能对协同定位误差进行直观几何解释。

技术领域

本发明涉及一种基于误差椭圆的UUV集群编队构型设计方法，属于水下精密定位技术领域。

背景技术

水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)自20世纪60年代诞生以来，因其不依赖于母船提供动力、机动性强、作业效率高等特点得到了长足发展。随着水下任务的难度和复杂性不断提升，单体UUV已难以满足水下任务要求，UUV集群协同定位技术应运而生，在海底勘探、海洋自主采样、水下目标探测识别等方面具有广阔的应用潜力。然而由于水下环境的特殊性造成的传感器设备的限制、水下观测量不足、协同周期长等特点，使得UUV集群协同定位的编队构型(即UUV集群编队构型)就将会直接影响协同定位的定位性能和定位精度。因此，如何选用恰当的指标设计UUV集群编队构型是实现UUV集群协同精密定位的关键技术。

目前UUV集群的编队构型设计方法主要有李导数的可观测分析方法，该方法根据主从式系统的可观测性判别条件，通过计算可观测矩阵的谱范数来设计最佳的编队构型，给出主从式结构的UUV协同定位的最优编队构型。随着UUV集群中UUV数量的增加，UUV集群协同定位的拓扑结构设计方法陆续被提出，一般利用Cramer-Rao不等式下界作为指标，建立UUV集群拓扑结构和定位精度之间的性能评价准则，给出UUV集群协同定位的最优拓扑结构。然而在设计UUV最优编队构型时，只是通过协方差函数或者代数几何进行分析，缺乏直观上的展示及设计。

目前也有一些基于直观几何的UUV集群编队构型设计方法，例如张立川，屈俊琪等在2020年04期的《西北工业大学学报》上公开的一篇名为《基于几何解释的集群AUV协同定位误差及编队构型分析》的文献，该论文基于信息椭圆面积提出了UUV集群编队构型的性能评价函数，从单主UUV集群和多主UUV集群设计了协同定位的最优编队构型，但该论文公开的信息椭圆主要依据后验协方差函数进行构建，信息椭圆并未直观地和定位误差相联系，对于定位结果的质量控制完全没有涉及，并未满足直观准确地设计UUV集群编队构型的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于误差椭圆的UUV集群编队构型设计方法，能够设计出协同定位误差最小的编队构型，且能对协同定位误差进行直观几何解释。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于误差椭圆的UUV集群编队构型设计方法，该方法包括以下步骤：

(1)根据给定UUV集群中领航UUV的个数和跟随UUV的个数，按照空间域和时间域两种情况，确定给定UUV集群的类型；所述给定UUV集群的类型包括：空间域多领航单跟随UUV集群和时间域单领航单跟随UUV集群；

(2)用误差椭圆表示给定UUV集群的协同定位误差，结合给定UUV集群的类型，以误差椭圆面积最小为准则设计给定UUV集群的最优编队构型；

当给定UUV集群为空间域多领航单跟随UUV集群时，该给定UUV集群的最优编队构型为：每相邻两个领航UUV与跟随UUV之间构成的夹角为2π/n，n为给定UUV集群中领航UUV的总数，n≥3；