一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位系统及方法

1.本发明涉及海洋导航技术领域，具体涉及一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位系统及方法。


背景技术：

2.海上光伏电站由于其工作环境恶劣，需要经常对其进行巡检，这样便需要耗费大量的人力物力，通过无人设备进行巡检可以大幅减少成本和人力。
3.无人设备在自主航行时，需要准确的定位，而在高遮挡的环境下，通过全球导航卫星系统gnss定位的效果受到影响。
4.超宽带技术uwb是一种新型的通讯技术，通过利用窄脉冲来传输数据，具有很高的时间分辨率，适合用来做局域内定位，同时脉冲信号又能包含一定的信息，可以用来传播数据。
5.传统gnss与惯性测量单元imu组合导航适用于海域较为开阔的环境作业，且通常基站架设在岸边，其中间的通信距离限制了实时动态测量技术rtk的使用。在高遮挡的环境下，gnss信号受到了严重的干扰，无人船只能接收到其正上方的卫星，可用卫星数量减少，卫星的分布结构变差，导致定位结果差，甚至没有定位结果。
6.imu定位系统虽然在短时间内的精度较好，但是缺乏了gnss信息的修正，其定位误差将会随着时间增大，导致定位结果较差。
7.因此，现需要一种在高遮挡的环境下能够实现对无人船精确定位的系统及方法。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的在于提供一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位系统，以解决现有技术中不能在高遮挡的环境下实现对无人船精确定位的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位系统，包括：基站系统，uwb标签系统，gnss定位系统，imu定位系统和无人船控制系统，基站系统包括：gnss基站和uwb基站，gnss定位系统、uwb标签系统和imu定位系统均设置在无人船上；基站系统中的gnss基站用于接收卫星的原始观测数据，基站系统中的uwb基站用于向无人船发送uwb基站位置信息和转发基站gnss的卫星数据信息；uwb标签系统用于测量相对于uwb基站的位置，并接收由uwb基站发送的信息；gnss定位系统用于接收卫星信号实现无人船的定位和接收gnss基站的差分信号；imu定位系统用于估计无人船的姿态、速度和位置；无人船定位系统融合uwb标签系统，gnss定位系统和imu定位系统的信息，得到无人船的准确姿态、速度和位置信息，无人船控制系统根据姿态、速度和位置信息控制无人船运动。
10.进一步地，基站系统通过固定支架设置在海上光伏电厂的光伏板上，gnss基站和uwb基站分别设置在固定支架上下两端，固定支架设置在光伏板的一个顶点上，gnss基站位于光伏板的上方，uwb基站位于光伏板的下方，基站系统均匀分布在海上光伏电厂的光伏板上。
11.进一步地，固定支架通过连接件和卡箍固定在光伏板的框架上，连接件固定于光伏板上，两个卡箍相对设置，固定支架穿过由两个卡箍形成的圆形空间，两个卡箍通过螺钉紧固，螺钉固定于连接件上。
12.一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位方法，具体包括如下步骤：s1，在海上光伏电站中以矩阵式安装基站系统，其中gnss基站位于光伏板上部，uwb基站位于光伏板下部。
13.s2，调试gnss基站与uwb基站间的数据信息，完成uwb基站对gnss基站数据的接收和转发。
14.s3，在无人船上安装uwb标签系统，gnss定位系统和imu定位系统，并测量出uwb标签系统相位中心和imu定位系统中心分别到gnss基站相位中心在右、前、上方向上的距离，即杆臂值。
15.s4，根据uwb基站位置，获得无人船相对于基站的位置，同时接收gnss基站的数据信息。
16.s5，调试无人船gnss定位系统，并通过uwb标签系统接收由基站系统发送的差分数据，完成对无人船的rtk差分定位。
17.s6，对imu定位系统的角速度和加速度数据进行积分和航位推算，获得无人船的位置、速度、姿态信息。
18.s7，无人船定位系统对uwb标签系统，gnss定位系统和imu定位系统的信息进行融合，得到在高遮挡环境下的无人船的准确位置、速度和姿态信息。
19.进一步地，步骤s1具体包括：s1.1，利用抱箍将固定支架固定在光伏板框架上。
20.s1.2，在光伏板上方安装gnss基站，在gnss基站正下方安装uwb基站。
21.s1.3，测量gnss基站相位中心到uwb基站天线相位中心距离h。
22.s1.4，呈矩阵式安装基站系统，使得无人船在按照测线行进过程中能够同时接收到至少4个的基站系统发送的信号。
23.进一步地，步骤s2具体包括：s2.1，设置gnss基站数据格式，输出含有时间和位置的信息及卫星原始观测值信息。
24.s2.2，uwb基站接收gnss基站的信息后解析得到时间和位置信息，再通过硬件pps接口完成对uwb基站的时间同步，再减去gnss基站天线相位中心到uwb基站天线相位中心距离h得到uwb基站的准确位置，uwb基站开始发送自身的位置和时间信息。
25.s2.3，gnss基站将rtcm数据信息发送给uwb基站，uwb基站将rtcm数据发送至通讯范围内的uwb标签系统。
26.进一步地，步骤s4具体包括：s4.1，至少四个uwb基站同时发送自己的位置信息和时间信息。
27.s4.2，uwb标签系统接收到uwb基站发送的位置和时间信息。
28.s4.3，uwb标签系统计算出uwb基站信号到uwb标签系统之间的时间t，通过乘以光速c，得到uwb基站距离uwb标签系统的距离d，即d=t
×
c。
29.s4.4，多个uwb基站与uwb标签系统进行定位信息的获取，得到多个uwb基站到uwb标签系统的距离d。
30.s4.5，建立uwb基站与uwb标签系统的观测方程，通过最小二乘法计算出uwb标签系
统的相对位置。
31.s4.6，根据uwb基站的经纬高信息，得到uwb标签系统的经纬高信息和地球坐标系下的位置，获取无人船在地球坐标系中的位置。
32.进一步地，步骤s5具体包括：s5.1，无人船gnss定位系统的载波相位观测方程为：（1）。
33.其中为载波相位观测值，为载波波长，为载波相位中的未知整周数，代表光速，代表接收机钟差，代表卫星钟差，代表电离层误差，代表对流层误差，代表相位观测噪声，为卫星至无人船天线之间的几何距离；如果卫星在发射时刻的位置为，无人船gnss定位系统在接收时刻的瞬时位置为，则：（2）。
34.s5.2，判断当前接收到的卫星数量是否小于4，小于4则无法定位，大于4则可以利用此定位信息。
35.对（1）式线性化得：（3）；其中，，为载波相位观测值与伪距观测值的差，为线性化系数矩阵，为卫星和接收机之间的近似几何距离，为无人船坐标改正数。
36.s5.3，根据uwb标签系统到uwb基站的距离选择最近的基站系统。
37.s5.4，距离无人船最近的基站系统播发gnss基站的数据信息。
38.s5.5，uwb标签系统接收由uwb基站播发的rtcm信息，并将rtcm信息转发给gnss定位系统。
39.s5.6，gnss定位系统通过gnss基站的rtcm数据完成差分定位。
40.某一gnss基站和某一无人船gnss定位系统均为接收机，其中某一gnss基站为第一接收机，某一gnss定位系统为第二接收机，当第一接收机和第二接收机在同一时刻对同一卫星进行观测时，可以得到单差观测方程为：（4）。
41.其中代表第二接收机的观测值，代表第一接收机的观测值， 、分别代表第一接收机和第二接收机的载波相位中的未知整周数，代表第二接收机的系数矩阵，代表
……
， 、分别代表第一接收机和第二接收机的钟差， 、分别代表第一接收机和第二接收机的相位观测噪声；将（4）式整理得： （5）。
42.其中， 代表第一接收机和第二接收机的观测值之差，即单差；假设有两颗
卫星和，同时被第一接收机和第二接收机同时观测，对式（5）进行做差运算，则有：
43.（6）。
44.进一步整理式（6）得：（7）。
45.其中，代表第一接收机和第二接收机的双差。
46.进一步地，步骤s6具体包括：s6.1，建立位置微分方程，其中为无人船无人船在地固坐标系的位置矢量对时间的导数，为无人船在地固坐标系中的速度矢量。
47.s6.2，建立速度微分方程，其中，代表无人船坐标系到地心地固系的转换矩阵，代表加速计的比力观测值，代表矢量反对称阵，为地球自转角速度在ｅ系下的投影，表示地球重力加速度在ｅ系下的投影矢量。
48.s6.3，建立姿态微分方程，其中为矢量的反对称阵，可表示为，其中为陀螺仪的角速度测量值，为的转置矩阵。
49.s6.4，根据gnss定位系统结果或uwb标签系统的定位结果确定imu定位系统的初始位置，速度和姿态。
50.s6.5，姿态矩阵解算，使用四元数法解算姿态对应的微分方程为，其中为四元数，为四元数的微分，为陀螺仪的测量值。
51.（8）。
52.其中、、为矢量的分量，表示无人船坐标系相对当地水平坐标系的旋转角速度在无人船系上的投影。
53.四元数的离散解析解为：（9）。
54.其中代表采样间隔，代表采样间隔内的旋转角的模，i代表四阶单位矩阵。
55.其中，为前一历元的四元数，结为当前历元的四元数。
56.采用地球坐标系为导航坐标系，则时刻ｂ系相对于ｅ系的旋转角速度和旋转角为：（10）。
57.（11）。
58.式中，为时刻陀螺仪观测量，代表t时刻的变换矩阵，代表地球旋转角速度矢量，根据公式（9）和公式（10）得到转换矩阵。
59.s6.6，姿态更新求得无人船坐标系与地球坐标系的转换矩阵，可以得到无人船在地固系中的运动加速度，对其积分可得：（12）；其中，代表速度增量。
60.更新后的速度为（13），其中，代表速度增量。
61.s6.7，对速度积分得（14）。
62.更换新后的位置（15）。
63.进一步地，步骤s7具体包括：s7.1，根据pdop值判断无人船gnss定位系统结果的可信度，若pdop值大于5，则认为定位结果不可信。
64.s7.2，根据无人船uwb标签系统能够接收到的uwb基站数量，判断无人船uwb标签系统的定位精度，当uwb基站数量小于4时，则无人船uwb标签系统定位无结果。
65.s7.3，根据无人船上gnss定位系统的定位精度和无人船uwb标签系统的精度与imu定位系统进行抗差卡尔曼滤波组合导航。
66.s7.4，将uwb标签系统和imu定位系统的结果根据杆臂值改正到gnss基站相位中心上。
67.s7.5，输出无人船的位置、速度、姿态信息。
68.本发明具有如下有益效果：
69.1．实现了无人船再高遮挡环境下的准确定位。
70.2．在丢失卫星定位的情况下也能利用uwb完成无人船的定位。
71.3．在较少卫星覆盖的情况下，能够利用gnss基站提升定位数据质量。
附图说明
72.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
73.图1示出了本发明的一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位系统的整体结构示意图。
74.图2示出了图1的无人船定位系统的固定支架的连接结构示意图。
75.图3示出了本发明的无人船在光伏电厂环境中的位置示意图。
76.其中，上述附图中的附图标记为：01、无人船；02、待测航线；10、基站系统；11、gnss基站；12、uwb基站；3、光伏板；4、太阳能光伏板桩基；5、固定支架；6、连接件；7、卡箍；8、框架；9、螺钉。
具体实施方式
77.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
78.如图1所示的一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位系统，包括：基站系统，uwb标签系统，gnss定位系统，imu定位系统和无人船控制系统，基站系统包括：gnss基站11和uwb基站12，gnss定位系统、uwb标签系统和imu定位系统均设置在无人船上；基站系统中的gnss基站11用于接收卫星的原始观测数据，基站系统中的uwb基站12用于向无人船发送uwb基站12位置信息和转发基站gnss的卫星数据信息；uwb标签系统用于测量相对于uwb基站12的位置，并接收由uwb基站12发送的信息；uwb标签系统为无人船上的uwb定位终端，能够测量出相对于uwb基站12的位置，实现相对定位。同时uwb标签系统还能够接收uwb基站12的数据流，为无人船gnss定位系统提供差分数据。
79.gnss定位系统用于接收卫星信号实现无人船的定位和接收gnss基站11的差分信号；gnss定位系统为无人船上的卫星定位系统，能够接收卫星信号和gnss基站11的差分信号，实现对无人船的位置和速度的测量。
80.imu定位系统用于估计无人船的姿态、速度和位置；imu定位系统由惯性原件组成，能够测量无人船的加速度与角速度，通过捷联惯导算法实现对无人船姿态、速度、位置的推算。
81.无人船定位系统融合uwb标签系统，gnss定位系统和imu定位系统的信息，得到无人船的准确姿态、速度和位置信息，无人船控制系统根据姿态、速度和位置信息控制无人船运动。通过无人船的检测系统完成对海上光伏电站的检测任务。
82.无人船在高遮挡环境根据uwb标签系统、gnss定位系统和imu定位系统实现自主定位。uwb标签系统与uwb基站12包含相对定位、站间通信、时间同步功能，能够实现自组网式运行。
83.具体地，如图1所示的基站系统通过固定支架5设置在海上光伏电厂的光伏板3上，gnss基站11和uwb基站12分别设置在固定支架5上下两端，固定支架5设置在光伏板3的一个顶点上，gnss基站11位于光伏板3的上方，uwb基站12位于光伏板3的下方，如图3所示，基站系统均匀分布在海上光伏电厂的光伏板3上。其中gnss基站11位于光伏板3上部，uwb基站12位于光伏板3下部，避免uwb信号受到光伏板3的影响，同时便于gnss基站11接收更多的卫星信号。光伏板3为太阳能光伏板，通过太阳能光伏板桩基4固定。无人船01沿着待测航线02运动。
84.具体地，如图2所示，固定支架5通过连接件6和卡箍7固定在光伏板3的框架8上，连接件6固定于光伏板3上，两个卡箍7相对设置，固定支架5穿过由两个卡箍7形成的圆形空间，两个卡箍7通过螺钉9紧固，螺钉9固定于连接件6上。
85.一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位方法，具体包括如下步骤：s1，在海上光伏电站中以矩阵式安装基站系统，其中gnss基站位于光伏板上部，uwb基站位于光伏板下部。
86.s2，调试gnss基站与uwb基站间的数据信息，完成uwb基站对gnss基站数据的接收和转发；gnss基站通过卫星定位和授时功能获得gnss基站的位置和时间，通过基站系统将gnss基站位置发送给uwb基站系统，完成对uwb基站的位置时间同步，调试gnss基站与uwb基站间的数据流，完成uwb基站对gnss基站数据的接收和转发。
87.s3，在无人船上安装uwb标签系统，gnss定位系统和imu定位系统，并测量出uwb标签系统相位中心和imu定位系统中心分别到gnss基站相位中心在右、前、上方向上的距离，即杆臂值。
88.s4，根据uwb基站位置，获得无人船相对于基站的位置，同时接收gnss基站的数据信息。
89.s5，调试无人船gnss定位系统，并通过uwb标签系统接收由基站系统发送的差分数据，完成对无人船的rtk差分定位；
90.s6，对imu定位系统的角速度和加速度数据进行积分和航位推算，获得无人船的位置、速度、姿态信息。
91.s7，无人船定位系统对uwb标签系统，gnss定位系统和imu定位系统的信息进行融合，得到在高遮挡环境下的无人船的准确位置、速度和姿态信息。
92.具体地，步骤s1具体包括：s1.1，利用抱箍将固定支架固定在光伏板框架上。
93.s1.2，在光伏板上方安装gnss基站，在gnss基站正下方安装uwb基站。
94.s1.3，测量gnss基站相位中心到uwb基站天线相位中心距离h。
95.s1.4，呈矩阵式安装基站系统，使得无人船在按照测线行进过程中能够同时接收到至少4个的基站系统发送的信号，满足最小的定位要求。在无遮挡情况下，uwb的通信距离为200米，在海上光伏电站中，以间隔100米的方式呈矩阵式安装基站系统，使基站系统均匀分布在海上光伏电站中，确保无人船在行进过程中能够同时接收到至少4个的基站系统发送的信号。
96.具体地，步骤s2具体包括：s2.1，设置gnss基站数据格式，输出含有时间和位置的信息及卫星原始观测值信息；输出nmea格式的$gpgga含有时间和位置的信息及rtcm3格式的卫星原始观测值，硬件上通过pps接口输出秒脉冲信号。$gpgga是nmea协议中的一种，包含了时间和位置信息，nmea是gnss导航系统中统一的标准协议。
97.s2.2，uwb基站接收gnss基站的信息后解析得到时间和位置信息，再通过硬件pps接口完成对uwb基站的时间同步，再减去gnss基站天线相位中心到uwb基站天线相位中心距离h得到uwb基站的准确位置，uwb基站开始发送自身的位置和时间信息。
98.s2.3，gnss基站将rtcm数据信息发送给uwb基站，uwb基站将rtcm数据发送至通讯范围内的uwb标签系统。
99.具体地，步骤s4具体包括：s4.1，至少四个uwb基站同时发送自己的位置信息和时间信息。
100.s4.2，uwb标签系统接收到uwb基站发送的位置和时间信息。
101.s4.3，uwb标签系统计算出uwb基站信号到uwb标签系统之间的时间t，通过乘以光
速c，得到uwb基站距离uwb标签系统的距离d，即d=t
×
c。
102.s4.4，多个uwb基站与uwb标签系统进行定位信息的获取，得到多个uwb基站到uwb标签系统的距离d。
103.s4.5，建立uwb基站与uwb标签系统的观测方程，通过最小二乘法计算出uwb标签系统的相对位置。
104.s4.6，根据uwb基站的经纬高信息，得到uwb标签系统的经纬高信息和地球坐标系下的位置，获取无人船在地球坐标系中的位置。
105.具体地，步骤s5具体包括：s5.1，无人船gnss定位系统的载波相位观测方程为：（1）。
106.其中为载波相位观测值，为载波波长，为载波相位中的未知整周数，代表光速，代表接收机钟差，代表卫星钟差，代表电离层误差，代表对流层误差，代表相位观测噪声，为卫星至无人船天线之间的几何距离；如果卫星在发射时刻的位置为，无人船gnss定位系统在接收时刻的瞬时位置为，则：（2）。
107.卫星坐标可以由导航电文计算出来，在定位中作为已知量，假设接收机近似坐标为。
108.s5.2，判断当前接收到的卫星数量是否小于4，小于4则无法定位，大于4则可以利用此定位信息。
109.对（1）式线性化得：（3）；当卫星数量大于等于4时，即可对（3）式求解，得到坐标改正数。
110.其中，，为载波相位观测值与伪距观测值的差，为线性化系数矩阵，为卫星和接收机之间的近似几何距离，为无人船坐标改正数；可以得到无人船的概略坐标。
111.s5.3，根据uwb标签系统到uwb基站的距离选择最近的基站系统。
112.s5.4，距离无人船最近的基站系统播发gnss基站的数据信息。
113.基站系统与移动站相同，获得卫星与基站的载波相位观测方程，由于基站系统是固定不动的，可以人为测量基站系统的准确坐标作为已知点，会使移动站的测量精度更准确。
114.s5.5，uwb标签系统接收由uwb基站播发的rtcm信息，并将rtcm信息转发给gnss定位系统；rtcm为应对gnss实时数据服务，提供一种通用的gnss数据编码格式。
115.s5.6，gnss定位系统通过gnss基站的rtcm数据完成差分定位。
116.某一gnss基站和某一无人船gnss定位系统均为接收机，其中某一gnss基站为第一接收机，某一gnss定位系统为第二接收机，当第一接收机和第二接收机在同一时刻对同一
卫星进行观测时，可以得到单差观测方程为：（4）。
117.其中代表第二接收机的观测值，代表第一接收机的观测值， 、分别代表第一接收机和第二接收机的载波相位中的未知整周数，代表第二接收机的系数矩阵，代表
……
， 、分别代表第一接收机和第二接收机的钟差， 、分别代表第一接收机和第二接收机的相位观测噪声；将（4）式整理得： （5）。
118.其中， 代表第一接收机和第二接收机的观测值之差，即单差。
119.gps差分定位可以分为站间差分、星间差分及历元差分。通过差分可以将不同观测方程中同时包含的相同参数消除，例如通过星间差分可以消除接收机钟差，通过站间差分可以消除卫星轨道误差、卫星钟差等，减少了未知参数的数量，计算简单，但是差分方法使得观测值之间存在相关性。一般说差分方法可以提高定位精度实质是提高相对定位的精度，即基线矢量的精度。
120.如果两台接收机同步观测多颗卫星，为双差定位模型；假设有两颗卫星和，同时被第一接收机和第二接收机同时观测，对式（5）进行做差运算，则有：
121.（6）；
122.具体整理式（6）得：（7）。
123.其中，代表第一接收机和第二接收机的双差。
124.gnss的观测值受到多种误差的影响，例如卫星钟差、星历误差、对流层误差、多路径效应、接收机钟差等。在海上光伏电站中，无人船由于受到光伏板的遮挡，卫星观测数量少，多路径效应大，卫星观测角度只能集中在天顶方向，导致卫星的分布不均匀，在上述误差项的影响下，会导致无人船在光伏电站中的定位效果更差。而通过本发明提供的无人船定位系统将基站系统通过固定支架5设置在海上光伏电厂的光伏板上，并且gnss基站位于光伏板的上方， uwb基站位于光伏板的下方，再通过本发明提高的方法便可以实现对无人船的精确定位，弥补在高遮挡环境下的定位不准确问题，提高了无人船的定位精度。
125.具体地，步骤s6具体包括：s6.1，建立位置微分方程，其中为无人船在地固坐标系的位置矢量对时间的导数，为无人船在地固坐标系中的速度矢量。
126.s6.2，建立速度微分方程，其中，代表无人船坐标系到地心地固系的转换矩阵，代表加速计的比力观测值，代表矢量反对称阵，为地球自转角速度在ｅ系下的投影，表示地球重力加速度在ｅ系下的投影矢量。
127.s6.3，建立姿态微分方程，其中为矢量的反对称阵，可表示为，其中为陀螺仪的角速度测量值，为的转置矩阵。
128.s6.4，根据gnss定位系统结果或uwb标签系统的定位结果确定imu定位系统的初始位置，速度和姿态。
129.s6.5，姿态矩阵解算，使用四元数法解算姿态对应的微分方程为，其中为四元数，为四元数的微分，为陀螺仪的测量值。
130.（8）。
131.其中、、为矢量的分量，表示无人船坐标系相对当地水平坐标系的旋转角速度在无人船系上的投影。
132.四元数的离散解析解为：（9）。
133.其中代表采样间隔，代表采样间隔内的旋转角的模，i代表四阶单位矩阵。
134.已知前一历元的四元数，结合采样间隔内的旋转角及旋转角速度，即可求得当前历元的四元数；采用地球坐标系为导航坐标系，则时刻ｂ系相对于ｅ系的旋转角速度和旋转角为：（10）。
135.（11）。
136.式中，为时刻陀螺仪观测量，代表时刻的变换矩阵，代表地球旋转角速度矢量，根据公式（9）和公式（10）得到转换矩阵。
137.s6.6，，姿态更新求得无人船坐标系与地球坐标系的转换矩阵，可以得到无人船在地固系中的运动加速度，对其积分可得：（12）。
138.更新后的速度为（13）。
139.其中，代表速度增量。
140.s6.7，对速度积分得（14）。
141.更换新后的位置（15）。
142.具体地，步骤s7具体包括：s7.1，根据pdop值判断无人船gnss定位系统结果的可信度，若pdop值大于5，则认为定位结果不可信；其中，pdop代表空间位置精度因子，反映了定位结果误差的无单位数字，值越小证明精度越高，反之精度越差，一般小于3为理想状态。pdop值是gnss接收机在定位过程中计算得到的，这里判断的是无人船的pdop值。
143.s7.2，根据无人船uwb标签系统能够接收到的uwb基站数量，判断无人船uwb标签系统的定位精度，当uwb基站数量小于4时，则无人船uwb标签系统定位无结果。
144.s7.3，根据无人船上gnss定位系统的定位精度和无人船uwb标签系统的精度与imu定位系统进行抗差卡尔曼滤波组合导航。
145.s7.4，将uwb标签系统和imu定位系统的结果根据杆臂值改正到gnss基站相位中心上。
146.s7.5，输出无人船的位置、速度、姿态信息。
147.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位系统，其特征在于，包括：基站系统，uwb标签系统，gnss定位系统，imu定位系统和无人船控制系统，所述基站系统包括：gnss基站和uwb基站，所述gnss定位系统、所述uwb标签系统和所述imu定位系统均设置在无人船上；所述基站系统中的gnss基站用于接收卫星的原始观测数据，所述基站系统中的uwb基站用于向无人船发送uwb基站位置信息和转发基站gnss的卫星数据信息；所述uwb标签系统用于测量相对于所述uwb基站的位置，并接收由uwb基站发送的信息；所述gnss定位系统用于接收卫星信号实现无人船的定位和接收gnss基站的差分信号；所述imu定位系统用于估计无人船的姿态、速度和位置；所述无人船定位系统融合uwb标签系统，gnss定位系统和imu定位系统的信息，得到无人船的准确姿态、速度和位置信息，所述无人船控制系统根据姿态、速度和位置信息控制无人船运动。2.根据权利要求1所述的一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位系统，其特征在于，所述基站系统通过固定支架设置在海上光伏电厂的光伏板上，所述gnss基站和所述uwb基站分别设置在固定支架上下两端，所述固定支架设置在所述光伏板的一个顶点上，所述gnss基站位于所述光伏板的上方，所述uwb基站位于所述光伏板的下方，所述基站系统均匀分布在海上光伏电厂的光伏板上。3.根据权利要求2所述的一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位系统，其特征在于，所述固定支架通过连接件和卡箍固定在所述光伏板的框架上，所述连接件固定于所述光伏板上，两个所述卡箍相对设置，所述固定支架穿过由两个所述卡箍形成的圆形空间，两个所述卡箍通过螺钉紧固，所述螺钉固定于所述连接件上。4.一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位方法，利用权利要求1至3中任意一项所述的无人船定位系统，其特征在于，具体包括如下步骤：s1，在海上光伏电站中以矩阵式安装基站系统，其中gnss基站位于光伏板上部，uwb基站位于光伏板下部；s2，调试gnss基站与uwb基站间的数据信息，完成uwb基站对gnss基站数据的接收和转发；s3，在无人船上安装uwb标签系统，gnss定位系统和imu定位系统，并测量出uwb标签系统相位中心和imu定位系统中心分别到gnss基站相位中心在右、前、上方向上的距离，即杆臂值；s4，根据uwb基站位置，获得无人船相对于基站的位置，同时接收gnss基站的数据信息；s5，调试无人船gnss定位系统，并通过uwb标签系统接收由基站系统发送的差分数据，完成对无人船的rtk差分定位；s6，对imu定位系统的角速度和加速度数据进行积分和航位推算，获得无人船的位置、速度、姿态信息；s7，无人船定位系统对uwb标签系统，gnss定位系统和imu定位系统的信息进行融合，得到在高遮挡环境下的无人船的准确位置、速度和姿态信息。5.根据权利要求4所述的一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位方法，其特征在于，步骤s1具体包括：s1.1，利用抱箍将固定支架固定在光伏板框架上；
s1.2，在光伏板上方安装gnss基站，在gnss基站正下方安装uwb基站；s1.3，测量gnss基站相位中心到uwb基站天线相位中心距离h；s1.4，呈矩阵式安装基站系统，使得无人船在按照测线行进过程中能够同时接收到至少4个的基站系统发送的信号。6.根据权利要求4所述的一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位方法，其特征在于，步骤s2具体包括：s2.1，设置gnss基站数据格式，输出含有时间和位置的信息及卫星原始观测值信息；s2.2，uwb基站接收gnss基站的信息后解析得到时间和位置信息，再通过硬件pps接口完成对uwb基站的时间同步，再减去gnss基站天线相位中心到uwb基站天线相位中心距离h得到uwb基站的准确位置，uwb基站开始发送自身的位置和时间信息；s2.3，gnss基站将rtcm数据信息发送给uwb基站，uwb基站将rtcm数据发送至通讯范围内的uwb标签系统。7.根据权利要求4所述的一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位方法，其特征在于，步骤s4具体包括：s4.1，至少四个uwb基站同时发送自己的位置信息和时间信息；s4.2，uwb标签系统接收到uwb基站发送的位置和时间信息；s4.3，uwb标签系统计算出uwb基站信号到uwb标签系统之间的时间t，通过乘以光速c，得到uwb基站距离uwb标签系统的距离d，即d=t
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c；s4.4，多个uwb基站与uwb标签系统进行定位信息的获取，得到多个uwb基站到uwb标签系统的距离d；s4.5，建立uwb基站与uwb标签系统的观测方程，通过最小二乘法计算出uwb标签系统的相对位置；s4.6，根据uwb基站的经纬高信息，得到uwb标签系统的经纬高信息和地球坐标系下的位置，获取无人船在地球坐标系中的位置。8.根据权利要求4所述的一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位方法，其特征在于，步骤s5具体包括：s5.1，无人船gnss定位系统的载波相位观测方程为：（1）；其中为载波相位观测值，为载波波长，为载波相位中的未知整周数，代表光速，代表接收机钟差，代表卫星钟差，代表电离层误差，代表对流层误差，代表相位观测噪声，为卫星至无人船天线之间的几何距离；如果卫星在发射时刻的位置为，无人船gnss定位系统在接收时刻的瞬时位置为，则：（2）；s5.2，判断当前接收到的卫星数量是否小于4，小于4则无法定位，大于4则可以利用此定位信息；
对（1）式线性化得：（3）；其中，，为载波相位观测值与伪距观测值的差，为线性化系数矩阵，为卫星和接收机之间的近似几何距离，为无人船坐标改正数；s5.3，根据uwb标签系统到uwb基站的距离选择最近的基站系统；s5.4，距离无人船最近的基站系统播发gnss基站的数据信息；s5.5，uwb标签系统接收由uwb基站播发的rtcm信息，并将rtcm信息转发给gnss定位系统；s5.6，gnss定位系统通过gnss基站的rtcm数据完成差分定位；某一gnss基站和某一无人船gnss定位系统均为接收机，其中某一gnss基站为第一接收机，某一gnss定位系统为第二接收机，当第一接收机和第二接收机在同一时刻对同一卫星进行观测时，可以得到单差观测方程为：（4）；其中代表第二接收机的观测值，代表第一接收机的观测值， 、分别代表第一接收机和第二接收机的载波相位中的未知整周数，代表第二接收机的系数矩阵，代表
……
， 、分别代表第一接收机和第二接收机的钟差， 、分别代表第一接收机和第二接收机的相位观测噪声；将（4）式整理得：（5）；其中， 代表第一接收机和第二接收机的观测值之差，即单差；假设有两颗卫星和，同时被第一接收机和第二接收机同时观测，对式（5）进行做差运算，则有：（6）；进一步整理式（6）得：（7）；其中，代表第一接收机和第二接收机的双差。9.根据权利要求4所述的一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位方法，其特征在于，步骤s6具体包括：s6.1，建立位置微分方程，其中为无人船在地固坐标系的位置矢量对时间的导数，为无人船在地固坐标系中的速度矢量；s6.2，建立速度微分方程，其中，代表无人船坐标系到地心地固系的转换矩阵，代表加速计的比力观测值，代表矢量反对称阵，为地
球自转角速度在ｅ系下的投影，表示地球重力加速度在ｅ系下的投影矢量；s6.3，建立姿态微分方程，其中为矢量的反对称阵，可表示为，其中为陀螺仪的角速度测量值，为的转置矩阵；s6.4，根据gnss定位系统结果或uwb标签系统的定位结果确定imu定位系统的初始位置，速度和姿态；s6.5，姿态矩阵解算，使用四元数法解算姿态对应的微分方程为，其中为四元数，为四元数的微分，为陀螺仪的测量值：（8）；其中、、为矢量的分量，表示无人船坐标系相对当地水平坐标系的旋转角速度在无人船系上的投影；四元数的离散解析解为：（9）；其中代表采样间隔，代表采样间隔内的旋转角的模，i代表四阶单位矩阵；其中，为前一历元的四元数，结为当前历元的四元数；采用地球坐标系为导航坐标系，则时刻ｂ系相对于ｅ系的旋转角速度和旋转角为：（10）；（11）；式中，为时刻陀螺仪观测量，代表t时刻的变换矩阵，代表地球旋转角速度矢量，根据公式（9）和公式（10）得到转换矩阵；s6.6，姿态更新求得无人船坐标系与地球坐标系的转换矩阵，得到无人船在地固系中的运动加速度，对其积分可得：（12）；更新后的速度为
（13）；其中，代表速度增量；s6.7，对速度积分得（14）；更换新后的位置（15）。10.根据权利要求4所述的一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位方法，其特征在于，步骤s7具体包括：s7.1，根据pdop值判断无人船gnss定位系统结果的可信度，若pdop值大于5，则认为定位结果不可信；s7.2，根据无人船uwb标签系统能够接收到的uwb基站数量，判断无人船uwb标签系统的定位精度，当uwb基站数量小于4时，则无人船uwb标签系统定位无结果；s7.3，根据无人船上gnss定位系统的定位精度和无人船uwb标签系统的精度与imu定位系统进行抗差卡尔曼滤波组合导航；s7.4，将uwb标签系统和imu定位系统的结果根据杆臂值改正到gnss基站相位中心上；s7.5，输出无人船的位置、速度、姿态信息。

技术总结
本发明提供了一种适用于海上光伏电厂环境的无人船定位系统及方法，属于海洋导航技术领域，无人船定位系统包括：基站系统，UWB标签系统，GNSS定位系统，IMU定位系统和无人船控制系统，基站系统包括：GNSS基站和UWB基站，GNSS定位系统、UWB标签系统和IMU定位系统均设置在无人船上；基站系统中的GNSS基站用于接收卫星的原始观测数据，基站系统中的UWB基站用于向无人船发送UWB基站位置信息和转发基站GNSS的卫星数据信息；UWB标签系统用于测量相对于UWB基站的位置，并接收由UWB基站发送的信息。本发明的技术方案克服现有技术中不能在高遮挡的环境下实现对无人船精确定位的问题。环境下实现对无人船精确定位的问题。环境下实现对无人船精确定位的问题。


技术研发人员：王磊 安玉美 赵然硕 杨继岳 杨继超 王胜利 董文辉
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.08.08
技术公布日：2023/9/9