本书深入研究了全局导航信息拒止环境下多飞行器的协同定位问题，系统分析了多飞行器协同定位系统的可观性条件，以及协同定位估计器不一致的原因和机理。基于理论分析结果，本书提出了新的一致性估计方法，有效提高了定位准确性和可靠性，为全局导航信息拒止环境下多飞行器的可信定位提供了新的解决思路和技术途径。

本书适合于航空航天、移动机器人等相关领域的研究人员与工程技术人员，尤其对从事多飞行器系统与自主导航技术研发的专业人士具有重要参考价值。同时，相关高校及科研机构的师生亦可从中获得有益的理论指导与工程应用经验。

目录

第 1 章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 多机器人定位主要技术路线

1.2.2 多机器人协同定位可观性分析方法

1.2.3 多机器人协同定位一致性分析方法

1.2.4 多机器人协同定位一致性估计方法

1.3 主要研究内容

第 2 章 基于谱图的协同定位可观性分析方法

2.1 研究内容

2.2 协同定位系统模型

2.2.1 状态模型

2.2.2 相对测量模型

2.3 扩展相对测量图构建

2.3.1 相对测量图

2.3.2 非线性局部可观性矩阵分析

2.3.3 扩展相对测量图

2.4 基于谱矩阵的协同定位可观性分析

2.4.1 扩展相对测量图的谱矩阵秩等价关系

2.4.2 等价相对测量图的谱矩阵秩等价关系

2.4.3 基于谱矩阵秩等价关系的可观性条件

2.5 基于谱图拓扑的可观性条件分析

2.5.1 配置矩阵与基本环的关系分析

2.5.2 基于谱图拓扑的可观性条件

2.6 基于谱图的可观性判别算法设计

2.6.1 等价相对测量图的生成树构建

2.6.2 基于基本环的配置矩阵生成

2.6.3 判别算法整体流程

2.7 仿真结果及分析

2.7.1 相对测量影响仿真

2.7.2 控制输入影响仿真

2.7.3 综合影响仿真

2.8 本章小结

第 3 章 基于可观性分解的协同定位一致性分析方法

3.1 研究内容

3.2 线性时变系统的可观性分解

3.2.1 线性时变系统的局部可观性矩阵

3.2.2 基于不可观子空间的可观性分解变换设计

3.3 基于扩展卡尔曼滤波器的协同定位估计器

3.3.1 协同定位系统模型

3.3.2 协同定位估计器

3.3.3 不一致性分析问题

3.4 协同定位估计器系统的可观性分解

3.4.1 理想 EKF-CL 估计器系统的可观性分解

3.4.2 标准 EKF-CL 估计器系统的可观性分解

3.5 协同定位的最优性能分析

3.5.1 理想 EKF-CL 估计器的可观和不可观状态的协方差界分析

3.5.2 理想 EKF-CL 估计器的协方差稳态下界分析

3.5.3 协同定位最优性能分析

3.6 协同定位的一致性分析

3.6.1 标准 EKF-CL 估计器的可观和不可观状态的协方差界分析

3.6.2 标准 EKF-CL 估计器的协方差稳态上界分析

3.6.3 标准 EKF-CL 估计器的不一致性机理分析

3.7 仿真结果及分析

3.7.1 评价指标

3.7.2 仿真结果

3.8 本章小结

第 4 章 基于可观性分解的协同定位一致性估计方法

4.1 研究内容

4.2 基于不可观子空间的可观性分解变换设计

4.3 基于可观性分解的协同定位估计器设计

4.3.1 协同定位估计器设计

4.3.2 协同定位估计器整体流程

4.4 基于可观性分解的协同定位估计器分析

4.4.1 可观性分解变换的等价性分析

4.4.2 估计器的一致性分析

4.4.3 估计器的一阶最优性分析

4.5 仿真结果及分析

4.5.1 精度和一致性评估

4.5.2 鲁棒性评估

4.6 实验结果及分析

4.7 本章小结

第 5 章 基于误差状态变换的一致性估计方法

5.1 研究内容

5.2 基于误差状态变换的扩展卡尔曼滤波器

5.2.1 基于误差状态变换的线性化

5.2.2 误差状态和协方差传递与更新

5.2.3 误差状态和协方差逆变换

5.2.4 估计器整体框架

5.3 基于不可观子空间的误差状态变换设计

5.3.1 不可观子空间分析

5.3.2 全局位姿变换

5.3.3 全局方位变换

5.3.4 局部方位变换

5.4 协同定位估计器性能分析

5.5 仿真结果及分析

5.5.1 仿真设置

5.5.2 精度和一致性评估

5.5.3 鲁棒性评估

5.6 实验结果及分析

5.7 本章小结

第 6 章 总结与展望

参考文献

前言

随着人工智能与机器人技术的迅猛发展，多飞行器系统正逐渐成为执行监视与侦察、搜索与救援、海洋与深空探测等复杂任务的主要选择。然而，这些任务的成功开展需要多飞行器系统具有精准且可信的自主定位能力。在全局信息拒止环境下，传统的依赖卫星、预装信标或基站的定位方法面临诸多挑战，难以满足实时性与高精度的需求。协同定位方法通过利用飞行器之间的相对测量进行多飞行器定位，突破了传统方法的局限，能够在全局信息受限情况下实现多飞行器的有效定位，为全局信息拒止环境中的多飞行器定位提供了新的选择，具有重要的理论意义和实际应用价值。本书旨在深入探讨这一领域的关键问题，以推动多飞行器协同定位技术的研究与应用。

本书的主要内容围绕多飞行器协同定位可观性分析与估计器不一致性机理分析展开，旨在通过系统深入的理论分析与实验验证，为多飞行器系统在全局导航信息拒止环境下的导航定位应用提供理论与方法支撑。本书的具体研究内容主要包括以下几个方面：（1）协同定位系统可观性分析：构建扩展相对测量图表示影响系统可观性的因素，进而建立基于图拓扑的高效可观性判据。（2）协同定位估计器不一致机理分析：分析导致部分可观系统的估计器不一致的原因和机理，为后续一致性估计方法设计提供理论基础。（3）基于可观性分解的一致性估计方法：基于不可观子空间实现估计器系统的可观性分解，进而基于可观性分解设计一致性协同定位估计器。（4）基于时变误差状态变换的一致性估计方法：针对部分可观系统进行状态估计时面临的估计不一致问题，提出基于时变误差状态变换的通用一致性估计方法。

本书编著人员长期从事控制理论、状态估计理论、机器人技术和计算机科学等领域的研究工作，具有扎实的理论功底和丰富的工程经验。在编撰过程中，本书撰写人员通力合作，充分发挥各自专业特长，确保了专著内容的科学性与严谨性。通过对各章节撰写与审阅工作的合理分工，确保了每个章节的准确性。针对各章节研究内容，本书撰写人员进行了充分的讨论与交流，保证了本书的整体质量。

在本书即将完成之际，我们谨向所有在本书研究与撰写过程中给予支持与帮助的师长、同仁与亲友致以诚挚感谢。特别感谢家人的无私理解与支持，使我们能够心无旁骛地投入这项艰辛而充实的工作；感谢团队专家们的宝贵意见与悉心指导，他们的真知灼见极大提升了本书的理论深度与逻辑严谨性；亦感谢编辑团队的专业校对，为全书质量提供了重要保障。我们希望本书不仅能为从事多飞行器协同导航研究的学者与工程师提供有价值的参考资料，而且可以鼓励更多的研究人员深入这一充满挑战的领域，共同促进多飞行器技术的进步与应用。

作者2025 年 9 月