本发明涉及无人机、无人艇集群作战，具体为一种远距离无中心集群自主定位装置。
背景技术：
1、随着智能控制技术的快速发展以及在军事上的不断应用，无人系统集群、协同作战是形成规模化作战能力的重要途径，也是无人系统装备技术发展的重点。
2、现有的作战现场无人集群会遇到电磁干扰等各类电子对抗设施，电磁环境复杂恶劣，当受到电子攻击，可能导致gps/北斗无法使用，失去了外界导航真实信息源，使准确定位和目标选定比较困难。
3、于是，有鉴于此，针对现有的结构及缺失予以研究改良，提出一种远距离无中心集群自主定位装置。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种远距离无中心集群自主定位装置，解决了上述背景技术中提出的问题。
2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种远距离无中心集群自主定位装置，所述远距离无中心集群自主定位装置由测距授时模块、自组网通信模块、北斗定位模块、三轴传感器和数据处理模块组成，所述数据处理模块分别与测距授时模块、自组网通信模块、北斗定位模块、三轴传感器相连接；
3、所述测距授时模块用于集群中各节点之间测量互相之间的距离d，并通过自同步技术使得集群中的各节点获得高精度的同步时钟信号；
4、北斗定位模块用于装置初始化时获取绝对坐标，以用于节点运动过程中坐标的解算；
5、三轴传感器用于节点运动过程中采集加速度、角速度的矢量数据，以用于相对坐标至绝对坐标的换算；
6、自组网通信模块采用无中心网络架构，用于将每个节点得到的绝对坐标、测距数据、三轴矢量数据发送给集群的其他所有节点，每个节点都可以获得整网的数据，以用于坐标的解算；
7、数据处理模块用于坐标数据的解算，通过本地采集到的数据以及其他节点采集后发送来的数据，完成绝对坐标3d模型和相对坐标3d模型的建立，通过自主定位算法，利用相对坐标模型对绝对坐标模型进行修正，并将定位精度控制在10米范围内。
8、进一步的，所述测距授时模块采用fpga平台sdr架构，而射频功放电路由预放、功放、环形器、限幅器、lna即低噪放、射频收发控制器、滤波器和开关组成。
9、进一步的，所述fgpa按照设计的波形产生测距信号，送至射频收发控制器进行ad/dc转换，同时将收发控制信号至功放、低噪放和开关，射频收发控制器负责信号的接收和发射，预放即预放大器，其作用是对微弱射频信号进行放大，提高信号的幅度，以便后续电路能够正常处理，功放即功率放大器，其作用是将待发射的信号放大到足够的功率，以便通过天线发送出去，环形器用于连接天线和收发通道的信号路径，实现信号的单向传输，达到发射通道和接收通道的隔离的效果，接收到的测距信号通过环形器输入再进入开关。
10、进一步的，所述开关用于控制信号路径的通断，在接收和发射之间切换，限幅器用于限制输入信号的最大幅度，防止过高的信号幅度对后续电路造成损坏或干扰，用于保护低噪声放大器免受强信号的损害，其通过非线性元件如二极管将输入信号幅度限制在一定范围内，同时保持信号的波形不失真。
11、进一步的，所述低噪放负责放大接收到的微弱射频信号，由于低噪放位于接收通道的前端，在放大微弱信号的同时保持信号的质量，滤波器用于从接收到的射频信号中筛选出特定频率范围的信号，抑制不需要的杂散信号和干扰，滤波器位于低噪放之后，用于进一步提高接收信号的质量。
12、进一步的，所述测距授时模块采用正交编码实现若干个节点在同一信道同时测距。
13、进一步的，所述远距离无中心集群自主定位装置采用分布式系统实现各个节点之间时钟自动、高精度同步，系统不依赖某个中心节点而运作，由此具有自适应性和鲁棒性，即使在拓扑结构发生变化或存在通信故障的情况下，节点仍然能够保持高同步精度，具体实现方式如下：
14、系统采用自同步工作机制，网络中不设主时钟，各个节点时钟相互控制，最后调整到一个稳定统一的时钟基准上，由此防止网络的系统时钟随节点的传输时延而变化，从而实现全网的时隙同步，某一节点的时钟发生故障或连接中断时，网络时钟只受其他节点的控制而与有故障的节点时钟无关，由此参与时钟交换的节点越多，全网时钟的稳定性越高。
15、进一步的，所述自主定位算法实现无卫星定位信号情况下的集群自主定位，具体流程如下：
16、首先，初始化过程中，将各节点采集到绝对坐标建立绝对坐标模型，每个节点的绝对坐标信息包括纬度x、经度y、高度z，p表示每个节点，具体如下：
17、
18、将各节点间的测距数据收集后建立相对坐标模型，通过矩阵表示各节点间的距离d，具体如下：
19、
20、绝对坐标与相对坐标的换算关系可表示为：
21、dij(t)＝|pi(t)-pj(t)|＝|xi(t)-xj(t)，yi(t)-yj(t)，zi(t)-zj(t)|；
22、在单位时间内某节点的相对位移矢量可表示为vi(δt)，再通过惯导数据对绝对坐标进行迭代p′i＝pi+vi(δt)；
23、通过聚合算法计算绝对坐标模型和相对坐标模型的质心，并将其重合，最后计算绝对坐标模型和相对坐标模型的顶点差值，并进行修正。
24、进一步的，所述远距离无中心集群自主定位装置的工作流程如下：
25、s1、获取初始坐标：
26、通过北斗定位模块获取初始绝对坐标，用于后续运动过程中的坐标解算；
27、s2、自同步：
28、测距授时模块首先发出自同步信号，与其他节点建立时钟同步；
29、s3、收发测距信号；
30、测距授时模块采用正交编码，多个节点在同一个信道内同时测距且互不干扰；
31、s4、获取三轴传感器数据：
32、通过传感器采集速率和方位信息，用于后续运动过程中的坐标解算；
33、s5、同步整网测距数据：
34、通过自组网通信模块，将测距信息，传感器数据，初始坐标发送给其他节点，同时接收其他节点发送的数据；
35、s6、坐标解算：
36、通过数据处理模块，将整网的测距数据、传感器数据、初始坐标进行坐标解算，完成相对坐标到绝对坐标的换算。
37、进一步的，所述远距离无中心集群自主定位装置应用于无人机、无人艇集群作战的技术领域。
38、本发明提供了一种远距离无中心集群自主定位装置，具备以下有益效果：
39、面向无人集群北斗拒止环境下的协同通信和定位问题，突破多对多远距离无线电测距技术，采用集群相对定位、绝对定位算法，融合无中心抗毁的自组网通信技术，为无人集群提供自主定位服务，提升无人机、无人艇集群在复杂环境下的作战能力。
40、1.该远距离无中心集群自主定位装置，采用sdr软件无线电技术，射频电路上通过预放、功放、lna、滤波器和开关等对信号进行放大，并通过加大发射功率，调整工作频点，提升信号质量和作用距离，测距距离可达100公里，相比现有的uwb、雷达测距，具有更远的作用距离，波形设计上通过调整保护间隔，以适合远距离测距的场景。
41、2.该远距离无中心集群自主定位装置，采用正交编码实现多个节点在同一信道同时测距，达到测距速度快、精度高的效果，可支持100节点以上的集群，针对集群移动速度快的场景，具有实时性高的特点，可在100ms内完成一次整网测距，相比现有的点对点测距，具有精度高、节点规模大的特点，适合无人机、无人艇等集群协作的应用场景。
42、3.该远距离无中心集群自主定位装置，在分布式系统中实现了各个节点之间时钟自动、高精度同步，系统不依赖某个中心节点而运作，具有很强的自适应性和鲁棒性，即使在拓扑结构发生变化或存在通信故障的情况下，节点仍然能够保持较高的同步精度。
43、4.该远距离无中心集群自主定位装置，通过初始绝对坐标3d模型、整网惯导数据、推算集群质心的位移和方向角，同时通过整网测距数据生成相对坐标3d模型，测距精度可保持在10米内不累积，将相对坐标模型的质心与绝对坐标模型的质心重合后，对绝对坐标模型进行修正，算法通过集群内多个惯导的数据聚合，减低惯导本身的累计误差，快速的更新频率可支持300公里每小时的移动速度，在卫星信号拒止情况下，仍能为快速移动中的各个集群节点提供自主定位服务。
1.一种远距离无中心集群自主定位装置，其特征在于：所述远距离无中心集群自主定位装置由测距授时模块、自组网通信模块、北斗定位模块、三轴传感器和数据处理模块组成，所述数据处理模块分别与测距授时模块、自组网通信模块、北斗定位模块、三轴传感器相连接；
2.根据权利要求1所述的一种远距离无中心集群自主定位装置，其特征在于：所述测距授时模块采用fpga平台sdr架构，而射频功放电路由预放、功放、环形器、限幅器、lna即低噪放、射频收发控制器、滤波器和开关组成。
3.根据权利要求2所述的一种远距离无中心集群自主定位装置，其特征在于：所述fgpa按照设计的波形产生测距信号，送至射频收发控制器进行ad/dc转换，同时将收发控制信号至功放、低噪放和开关，射频收发控制器负责信号的接收和发射，预放即预放大器，其作用是对微弱射频信号进行放大，提高信号的幅度，以便后续电路能够正常处理，功放即功率放大器，其作用是将待发射的信号放大到足够的功率，以便通过天线发送出去，环形器用于连接天线和收发通道的信号路径，实现信号的单向传输，达到发射通道和接收通道的隔离的效果，接收到的测距信号通过环形器输入再进入开关。
4.根据权利要求2所述的一种远距离无中心集群自主定位装置，其特征在于：所述开关用于控制信号路径的通断，在接收和发射之间切换，限幅器用于限制输入信号的最大幅度，防止过高的信号幅度对后续电路造成损坏或干扰，用于保护低噪声放大器免受强信号的损害，其通过非线性元件如二极管将输入信号幅度限制在一定范围内，同时保持信号的波形不失真。
5.根据权利要求2所述的一种远距离无中心集群自主定位装置，其特征在于：所述低噪放负责放大接收到的微弱射频信号，由于低噪放位于接收通道的前端，在放大微弱信号的同时保持信号的质量，滤波器用于从接收到的射频信号中筛选出特定频率范围的信号，抑制不需要的杂散信号和干扰，滤波器位于低噪放之后，用于进一步提高接收信号的质量。
6.根据权利要求1所述的一种远距离无中心集群自主定位装置，其特征在于：所述测距授时模块采用正交编码实现若干个节点在同一信道同时测距。
7.根据权利要求1所述的一种远距离无中心集群自主定位装置，其特征在于：所述远距离无中心集群自主定位装置采用分布式系统实现各个节点之间时钟自动、高精度同步，系统不依赖某个中心节点而运作，由此具有自适应性和鲁棒性，即使在拓扑结构发生变化或存在通信故障的情况下，节点仍然能够保持高同步精度，具体实现方式如下：
8.根据权利要求1所述的一种远距离无中心集群自主定位装置，其特征在于：所述自主定位算法实现无卫星定位信号情况下的集群自主定位，具体流程如下：
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种远距离无中心集群自主定位装置，其特征在于：所述远距离无中心集群自主定位装置的工作流程如下：
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种远距离无中心集群自主定位装置，其特征在于：所述远距离无中心集群自主定位装置应用于无人机、无人艇集群作战的技术领域。
