本发明涉及海洋导航，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：
：1、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。2、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。3、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。4、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。5、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。6、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。技术实现思路1、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。2、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。3、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。4、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。5、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。6、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。7、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。8、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。9、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。10、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。11、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。12、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。13、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。14、s1.3，测量gnss基站相位中心到uwb基站天线相位中心距离h。15、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。16、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。17、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。18、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。19、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。20、s4.2，uwb标签系统接收到uwb基站发送的位置和时间信息。21、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。22、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。23、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。24、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。25、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）。26、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<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mo>[</mo><mtable><mtr><mtd><msup><mi>x</mi><mi>s</mi></msup></mtd><mtd><msup><mi>y</mi><mi>s</mi></msup></mtd><mtd><msup><mi>z</mi><mi>s</mi></msup></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mstyle>，无人船gnss定位系统在接收时刻的瞬时位置为<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mo>[</mo><mtable><mtr><mtd><mi>x</mi></mtd><mtd><mi>y</mi></mtd><mtd><mi>z</mi></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mstyle>，则：（2）。27、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。28、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，<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>δ</mi><mi>x</mi><mi>=</mi><msup><mrow><mo>[</mo><mtable><mtr><mtd><mi>dx</mi></mtd><mtd><mi>dy</mi></mtd><mtd><mi>dz</mi></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mrow><mi>t</mi></msup></mstyle>为无人船坐标改正数。29、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。30、s5.4，距离无人船最近的基站系统播发gnss基站的数据信息。31、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。32、s5.6，gnss定位系统通过gnss基站的rtcm数据完成差分定位。33、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）。34、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）。35、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：36、（6）。37、进一步整理式（6）得：（7）。38、其中，代表第一接收机和第二接收机的双差。39、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。40、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。41、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。42、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。43、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。44、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>ω</mi><mi>=</mi><mrow><mo>[</mo><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mi>−</mi><msub><mi>ω</mi><mi>x</mi></msub></mtd><mtd><mi>−</mi><msub><mi>ω</mi><mi>y</mi></msub></mtd><mtd><mi>−</mi><msub><mi>ω</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>ω</mi><mi>x</mi></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>ω</mi><mi>z</mi></msub></mtd><mtd><mi>−</mi><msub><mi>ω</mi><mi>y</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>ω</mi><mi>y</mi></msub></mtd><mtd><mi>−</mi><msub><mi>ω</mi><mi>z</mi></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>ω</mi><mi>x</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>ω</mi><mi>z</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>ω</mi><mi>y</mi></msub></mtd><mtd><mi>−</mi><msub><mi>ω</mi><mi>x</mi></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mrow></mstyle>（8）。45、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。46、四元数的离散解析解为：（9）。47、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。48、其中，为前一历元的四元数，结为当前历元的四元数。49、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）。50、（11）。51、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。52、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。53、更新后的速度为（13），其中，代表速度增量。54、s6.7，对速度积分得（14）。55、更换新后的位置（15）。56、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。57、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。58、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。59、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。60、s7.5，输出无人船的位置、速度、姿态信息。61、本发明具有如下有益效果：62、1．实现了无人船再高遮挡环境下的准确定位。63、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。64、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。当前第1页12