一种双基站UWB/INS组合的密林环境人员定位方法技术

本发明专利技术公开了一种双基站UWB/INS组合的密林环境人员定位方法，属于导航定位及信息融合应用技术领域。本发明专利技术利用无人机、车辆和进入密林人员组成的空天地协同定位系统，无人机和车辆通过GNSS接收机获取卫星观测量，取得绝对定位结果，通过UWB基站和进入密林的人员UWB标签实现测距，密林人员同时配备惯性导航IMU实现人员的航迹推算，实现密林人员定位解析，并对IMU/UWB状态更新模型进行全局优化。本发明专利技术方法简单易行，能够在山地密林环境中为人员提供位置信息保障。供位置信息保障。供位置信息保障。

【技术实现步骤摘要】
一种双基站UWB/INS组合的密林环境人员定位方法


[0001]本专利技术涉及一种双基站UWB/INS组合的密林环境人员定位方法，属于导航定位及信息融合应用


技术介绍

[0002]随着北斗导航系统的建立，高精度定位服务逐步走向更加泛在的环境和场景，然而，受到树林遮蔽对卫星导航信号的影响，传统卫星导航设备难以取得有效的定位能力，实时连续、精准无缝的高精度导航定位是保障森林消防、森林公安、护林员等安全行进、作业的重要基础，因此，密林环境下的高精度定位是亟待解决的重大难题。鉴于卫星导航信号干扰，性能脆弱不足，视觉特征跟踪受限于大尺度、光照等林区环境，激光雷达场景辨识能力差，难以闭环全局修正，低成本惯性导航累积误差时间漂移等，现阶段，具备强穿透性的UWB定位方法是解决密林环境下高精度导航定位难题的有效手段。
[0003]当前，已知的UWB定位技术尽管已取得了一定的效果，但实际技术应用仅限于室内，工业园区，地下走廊等结构化环境，定位结果的优化依赖UWB基站的不设密度和标定，技术难以在密林环境进行应用推广。亟需发展面向密林环境的UWB有效定位技术研究，但是，现有技术中尚没有相关应用。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出了一种双基站UWB/INS组合的密林环境人员定位方法，该方法突破了传统卫星导航遮蔽环境限制，实现了密林环境下绝对定位。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种双基站UWB/INS组合的密林环境人员定位方法，包括如下步骤：
[0007](1)建立密林环境空天地协同定位基准与系统，包括无人机平台、车辆平台和进入密林人员，其中，无人机平台和车辆平台均搭建卫星导航和UWB基站，无人机平台飞行在密林上空，车辆平台在林区边缘，进入密林人员搭载惯性导航IMU和UWB标签；进入密林人员通过UWB标签分别与无人机平台UWB基站和车辆平台UWB基站进行TWR双向测距，建立解析方程，得到不同时刻密林人员位置；
[0008](2)进入密林人员通过惯性导航IMU进行航迹推算，获取密林人员在不同时刻的位置变化；
[0009](3)将通过TWR双向测距得到的位置变化作为观测值，将通过惯性导航IMU进行航迹推算得到的位置变化作为状态值，建立误差方程，将观测值为边，状态值为点，利用图优化进行全局约束，获得密林人员准确位置。
[0010]进一步的，步骤(1)中进入密林人员通过UWB标签分别与无人机平台UWB基站和车辆平台UWB基站进行TWR双向测距，建立解析方程，具体过程如下：
[0011]车辆平台通过卫星导航获取当前绝对位置L0(b0,l0,h0)，并定义为空天地协同定位系统基准局部坐标原点L0(0,0,0)；无人机平台通过卫星导航获取当前绝对位置L1(b1,
l1,h1)，并计算无人机在空天地协同定位系统基准局部坐标L1(x1,y1,z1)：
[0012]x1＝(b1‑
b0)λ
b
[0013]y1＝(l1‑
l0)λ
l
[0014]z1＝(h1‑
h0)
[0015]式中，λ
b
，λ
l
分别表示大地坐标系纬度和经度测量值转换为空间直角坐标系系数；
[0016]进入密林人员通过UWB标签分别与无人机平台UWB基站和车辆平台UWB基站进行TWR双向测距，建立如下解析方程：
[0017][0018][0019][0020][0021]式中，W0(x0,y0,z0)为t0时刻密林人员位置，为t0时刻密林人员与车辆平台UWB基站的测距距离，为t0时刻密林人员与无人机平台UWB基站测距距离；W1(x1,y1,z1)为t1时刻密林人员位置，为t1时刻密林人员与车辆平台UWB基站的测距距离，为t1时刻密林人员与无人机平台UWB基站测距距离。
[0022]进一步的，步骤(2)具体过程如下：
[0023]密林人员通过惯性导航IMU进行航迹推算，估计运动状态速度v
t+Δt
、位置r
t+Δt
以及旋转q
t+Δt
；
[0024][0025][0026][0027]式中，a
t
,ω
t
分别为t时刻的IMU原始加速度和角速度量测；分别为加速度量测偏差和随机白噪声，分别为角速度量测偏差和随机白噪声；g为世界坐标系W的重力加速度，为惯性本体坐标系到世界坐标系的旋转；
[0028]通过航迹推算结果获取密林人员在t0时刻到t1时刻的位置变化为Δr(Δx,Δy,Δz)。
[0029]本专利技术与现有技术相比所取得的有益效果为：
[0030]1、本专利技术利用无人机、车辆和进入密林人员组成的空天地协同定位系统，借助UWB强穿透性实现密林环境下人员绝对位置的传递，并在密林人员IMU/UWB融合状态更新模型的基础上，进行全局优化。
[0031]2、本专利技术可实现密林环境下可靠性定位。
[0032]3、本专利技术方法简单易行，能够在山地密林等遮蔽环境中为工作人员提供定位技术保障。
附图说明
[0033]图1本专利技术实施例方法的原理示意图。
具体实施方式
[0034]为了更好的说明本专利技术的目的和优点，下面对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0035]一种双基站UWB/INS组合的密林环境人员定位方法，该方法所需的设备包括无人机、车辆、GNSS接收机、惯性导航IMU、远距离UWB。如图1所示，无人机和车辆通过GNSS接收机获取卫星观测量，取得绝对定位结果，通过UWB基站和进入密林的人员UWB标签实现测距，密林人员同时配备惯性导航IMU实现人员的航迹推算，实现密林人员定位解析。
[0036]该方法具体包括如下步骤：
[0037](1)建立密林环境空天地双基站UWB/INS组合协同定位基准与系统；具体过程如下：
[0038]建立密林环境空天地协同定位基准与系统，定义无人机平台U，定义车辆平台V，定义进入密林人员为W，其中，无人机搭建卫星导航和UWB基站，飞行在密林上空，车辆平台搭载卫星导航和UWB基站，在林区边缘，进入密林人员搭载惯性导航IMU和UWB标签；
[0039]车辆平台通过卫星导航获取当前绝对位置L0(b0,l0,h0)，并定义为空天地协同定位系统基准局部坐标原点L0(0,0,0)；无人机平台通过卫星导航获取当前绝对位置L1(b1,l1,h1)，定义无人机在空天地协同定位系统基准局部坐标L1(x1,y1,z1)，其中：
[0040]x1＝(b1‑
b0)λ
b
[0041]y1＝(l1‑
l0)λ
l
[0042]z1＝(h1‑
h0)
[0043]式中，λ
b
，λ
l
分别表示大地坐标系纬度和经度测量值转换为空间直角坐标系系数；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双基站UWB/INS组合的密林环境人员定位方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立密林环境空天地协同定位基准与系统，包括无人机平台、车辆平台和进入密林人员，其中，无人机平台和车辆平台均搭建卫星导航和UWB基站，无人机平台飞行在密林上空，车辆平台在林区边缘，进入密林人员搭载惯性导航IMU和UWB标签；进入密林人员通过UWB标签分别与无人机平台UWB基站和车辆平台UWB基站进行TWR双向测距，建立解析方程，得到不同时刻密林人员位置；(2)进入密林人员通过惯性导航IMU进行航迹推算，获取密林人员在不同时刻的位置变化；(3)将通过TWR双向测距得到的位置变化作为观测值，将通过惯性导航IMU进行航迹推算得到的位置变化作为状态值，建立误差方程，将观测值为边，状态值为点，利用图优化进行全局约束，获得密林人员准确位置。2.根据权利要求1所述的一种双基站UWB/INS组合的密林环境人员定位方法，其特征在于，步骤(1)中进入密林人员通过UWB标签分别与无人机平台UWB基站和车辆平台UWB基站进行TWR双向测距，建立解析方程，具体过程如下：车辆平台通过卫星导航获取当前绝对位置L0(b0,l0,h0)，并定义为空天地协同定位系统基准局部坐标原点L0(0,0,0)；无人机平台通过卫星导航获取当前绝对位置L1(b1,l1,h1)，并计算无人机在空天地协同定位系统基准局部坐标L1(x1,y1,z1)：x1＝(b1‑
b0)λ
b
y1＝(l1‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子腾，盛传贞，王星星，张京奎，蔚保国，易卿武，潘树国，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：