一种基于UWB和GNSS的室内外无缝定位方法技术

一种基于UWB和GNSS的室内外无缝定位方法，属于定位导航技术领域。本发明专利技术将UWB定位技术应用于GNSS信号衰减区域，解决这些区域定位精度低的问题，并通过无缝定位的相关算法实现了不同定位区域间的平滑过渡和定位模式切换，采用软切换与硬切换相结合的无缝定位方式；在系统间的软切换方面：提出了基于UWB、GNSS系统的位置估计置信度方案和基于粒子滤波的置信度融合无缝定位算法，用于实现不同定位区域间的无缝定位与平滑过渡；在系统间的硬切换方面：提出基于联合系统置信度与运动趋势的定位终端的定位模式切换算法，用于实现UWB定位模式、UWB+GNSS无缝定位模式、GNSS定位模式间的有效及时切换，减少乒乓效应。减少乒乓效应。减少乒乓效应。

【技术实现步骤摘要】
一种基于UWB和GNSS的室内外无缝定位方法


[0001]本专利技术涉及定位导航
，尤其涉及一种基于UWB和GNSS的室内外无缝定位方法。

技术介绍

[0002]随着我国经济的快速发展，室内外高精度无缝定位已成为重要的热点之一，目前依靠单一的定位技术很难同时保证室内外无缝定位的可靠性。全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)在室内或信号遮挡环境下的应用有诸多限制，以超宽带(Ultra Wide Band，UWB)为代表的无线信号在室内定位技术中得到了快速发展，由于超宽带具有速率高、通信远、穿透能力强等优点，将GNSS技术与UWB定位技术相结合是目前无缝定位的重要研究方向。
[0003]传统的定位模式算法存在切换频繁或切换不及时的情况，由于定位终端的定位模式切换命令通常由服务器下发，而频繁切换会导致服务端的系统资源浪费，同时频繁切换或切换不及时也会导致定位点的连续性和稳定性受到一定影响。

技术实现思路

[0004]为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供了一种基于UWB和GNSS的室内外无缝定位方法，该方法将UWB定位技术应用于GNSS信号衰减区域，解决这些区域定位精度低的问题，并通过无缝定位的相关算法实现了不同定位区域间的平滑过渡和定位模式切换。该方法将定位区域划分为单UWB区域、单GNSS区域、混合定位区域(UWB+GNSS)，将定位模式分为UWB定位模式、UWB+GNSS无缝定位模式、GNSS定位模式，采用软切换与硬切换相结合的无缝定位方式。在系统间的软切换方面：提出了基于UWB、GNSS系统的位置估计置信度方案和基于粒子滤波的置信度融合无缝定位算法，用于实现不同定位区域间的无缝定位与平滑过渡；在系统间的硬切换方面：提出基于联合系统置信度与运动趋势的定位终端的定位模式切换算法，用于实现UWB定位模式、UWB+GNSS无缝定位模式、GNSS定位模式间的有效及时切换，减少乒乓效应。
[0005]技术方案如下：
[0006]一种基于UWB和GNSS的室内外无缝定位方法，步骤如下：
[0007]S1、划分定位区域为单UWB区域、单GNSS区域、混合定位区域；其中单UWB区域定义为部署UWB基站而无GNSS信号的区域，定位模式为UWB模式；单GNSS区域定义为有GNSS信号且无UWB基站部署的室外空旷区域，定位模式为GNSS模式；混合定位区域定义为GNSS信号衰减且部署UWB基站的过渡区域，定位模式为UWB+GNSS无缝定位模式；
[0008]S2、利用高斯投影和相对坐标转换进行UWB系统和GNSS系统间的地理坐标统一；
[0009]S3、通过多项式插值的方式在定位信息中加入GNSS数据以实现UWB系统与GNSS系统的时间戳对准；
[0010]S4、估计UWB系统位置的置信度；
[0011]S5、估计GNSS系统位置的置信度；
[0012]S6、执行UWB/GNSS联合系统置信度的同一标准化，并计算多系统联合置信度；
[0013]S7、执行基于粒子滤波的置信度融合无缝定位算法；
[0014]S8、执行基于联合系统置信度与运动趋势的定位终端的定位模式切换算法。
[0015]进一步的，步骤S2中，建筑物与相对定位坐标系进行相对坐标转换，转换步骤如下：
[0016]步骤1：建立独立平面直角坐标系与高斯
‑
克吕格直角坐标系的转换示意图，XOY坐标系为高斯
‑
克吕格坐标系；X
′
O
′
Y
′
坐标系是UWB系统的坐标系，两坐标系之间夹角为α；
[0017]步骤2：假设X
′
O
′
Y
′
上的原点O
′
在高斯坐标系下的对应坐标(X0,Y0)，则在UWB系统坐标系中的A点(X
′
A
,Y
′
A
)投影到高斯坐标系下的坐标(X
A
,Y
A
)可以表示为：
[0018][0019]步骤3：两坐标系的坐标相互转换，经过坐标反算，求得A点在UWB坐标系下的直角坐标(X
′
A
,Y
′
A
)为：
[0020][0021]进一步的，步骤S3中，在定位终端发送的定位信息中加入了GNSS模块获取到的UTC时间，对获取到定位信息中近似同一历元的UWB和GNSS信息进行绑定；GNSS模块工作频率为1HZ，UWB系统定位频率设置在4HZ以上。
[0022]进一步的，步骤S4中，
[0023]将衡量基站水平方向构型优劣的水平精度因子HDOP、衡量定位区域内某位置的定位误差的方差下限的克拉美罗下界CRLB作为预估性能指标，将位置观测信息与滤波输出估计值的迭代差Δd
u
作为动态性能指标构建系统置信度公式；
[0024]设定位区域内HDOP最小值为HDOP
min
，CRLB最小值为CRLB
min
，CRLB上限阈值CRLB
max
、HDOP上限阈值HDOP
max
；第i次UWB系统水平精度因子置信度和克拉美罗下限置信度可以分别表示为：
[0025][0026][0027]式中HDOP
i
为第i次UWB定位估计点的HDOP值，式中CRLB
i
为第i次UWB定位估计点的CRLB值，定位估计点的位置为上一时刻滤波输出的状态量在下一时刻的预测值；
[0028]定义滤波迭代差的置信度为P
ε
，则第i次UWB滤波迭代差的置信度可以表示为：
[0029][0030]式中，为i
‑
1时刻利用观测信息与滤波输出估计值的差的绝对值，T
u
为性能阈值，T
u
为UWB系统位置测量误差的3倍标准差；
[0031]第i次UWB系统综合置信度表达式为：
[0032][0033]式中，分别为第i次UWB系统定位点关于HDOP、CRLB和滤波迭代差的置信度，w
H
、w
C
、w
ε
为权重因子，设经验值w
H
＝0.1、w
C
＝0.15、w
ε
＝0.75；
[0034]通过设置时间窗口长度W
UWB
，T为系统时间窗口，FPS
UWB
为UWB系统的定位频率，且满足公式为：
[0035]W
UWB
＝FPS
UWB
×
T
ꢀꢀꢀ
(7)
[0036]UWB子系统的置信度可以表示为：
[0037][0038]式中T
N
为系统总运行时间。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB和GNSS的室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤如下：S1、划分定位区域为单UWB区域、单GNSS区域、混合定位区域；其中单UWB区域定义为部署UWB基站而无GNSS信号的区域，定位模式为UWB模式；单GNSS区域定义为有GNSS信号且无UWB基站部署的室外空旷区域，定位模式为GNSS模式；混合定位区域定义为GNSS信号衰减且部署UWB基站的过渡区域，定位模式为UWB+GNSS无缝定位模式；S2、利用高斯投影和相对坐标转换进行UWB系统和GNSS系统间的地理坐标统一；S3、通过多项式插值的方式在定位信息中加入GNSS数据以实现UWB系统与GNSS系统的时间戳对准；S4、估计UWB系统位置的置信度；S5、估计GNSS系统位置的置信度；S6、执行UWB/GNSS联合系统置信度的同一标准化，并计算多系统联合置信度；S7、执行基于粒子滤波的置信度融合无缝定位算法；S8、执行基于联合系统置信度与运动趋势的定位终端的定位模式切换算法。2.如权利要求1所述的基于UWB和GNSS的室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤S2中，建筑物与相对定位坐标系进行相对坐标转换，转换步骤如下：步骤1：建立独立平面直角坐标系与高斯
‑
克吕格直角坐标系的转换示意图，XOY坐标系为高斯
‑
克吕格坐标系；X
′
O
′
Y
′
坐标系是UWB系统的坐标系，两坐标系之间夹角为α；步骤2：假设X
′
O
′
Y
′
上的原点O
′
在高斯坐标系下的对应坐标(X0,Y0)，则在UWB系统坐标系中的A点(X
′
A
,Y
′
A
)投影到高斯坐标系下的坐标(X
A
,Y
A
)可以表示为：步骤3：两坐标系的坐标相互转换，经过坐标反算，求得A点在UWB坐标系下的直角坐标(X
′
A
,Y
′
A
)为：3.如权利要求1所述的基于UWB和GNSS的室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤S3中，在定位终端发送的定位信息中加入了GNSS模块获取到的UTC时间，对获取到定位信息中近似同一历元的UWB和GNSS信息进行绑定；GNSS模块工作频率为1HZ，UWB系统定位频率设置在4HZ以上。4.如权利要求1所述的基于UWB和GNSS的室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤S4中，将衡量基站水平方向构型优劣的水平精度因子HDOP、衡量定位区域内某位置的定位误差的方差下限的克拉美罗下界CRLB作为预估性能指标，将位置观测信息与滤波输出估计值的迭代差Δd
u
作为动态性能指标构建系统置信度公式；设定位区域内HDOP最小值为HDOP
min
，CRLB最小值为CRLB
min
，CRLB上限阈值CRLB
max
、HDOP上限阈值HDOP
max
；第i次UWB系统水平精度因子置信度和克拉美罗下限置信度可以分别表示为：
式中HDOP
i
为第i次UWB定位估计点的HDOP值，式中CRLB
i
为第i次UWB定位估计点的CRLB值，定位估计点的位置为上一时刻滤波输出的状态量在下一时刻的预测值；定义滤波迭代差的置信度为P
ε
，则第i次UWB滤波迭代差的置信度可以表示为：式中，为i
‑
1时刻利用观测信息与滤波输出估计值的差的绝对值，T
u
为性能阈值，T
u
为UWB系统位置测量误差的3倍标准差；第i次UWB系统综合置信度表达式为：式中，分别为第i次UWB系统定位点关于HDOP、CRLB和滤波迭代差的置信度，w
H
、w
C
、w
ε
为权重因子，设经验值w
H
＝0.1、w
C
＝0.15、w
ε
＝0.75；通过设置时间窗口长度W
UWB
，T为系统时间窗口，FPS
UWB
为UWB系统的定位频率，且满足公式为：W
UWB
＝FPS
UWB
×
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)UWB子系统的置信度可以表示为：式中T
N
为系统总运行时间。5.如权利要求1所述的基于UWB和GNSS的室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤S5中，将衡量GNSS系统卫星信号质量指标的位置精度因子PDOP、定位卫星的信噪比SNR以及GNSS接收机的启动方式作为预估性能指标，将位置观测信息与滤波输出估计值的迭代差Δd
u
作为动态性能指标构建系统置信度公式；首先构建基于PDOP与SNR的置信度P
D
、P
S
，公式为:
式中，D
min
、D
max
、snr
min
、snr
max
为参数阈值；令D
min
＝1、D
max
＝5，P
D
为单调递减函数；snr为卫星的信噪比映射到[0,9]整数集内的值，信噪比经验阈值为snr
min
＝1和snr
max
＝7，P
S
为单调递减函数；GNSS系统下多卫星的信噪比与位置精度因子PDOP所建立卫星信号质量置信度公式为：式中，为第i个卫星的SNR置信度，n为参与定位解算的卫星数量，P
A
越大，表示GNSS系统的定位卫星状态越好，系统的可信度越高；通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓俊，李玮，赵焕宇，
申请(专利权)人：大连计量检验检测研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：