适用于室内外的高精度定位组合导航系统及其导航方法

技术领域

本发明涉及导航定位技术领域，具体是一种适用于室内外的高精度定位组合导航系统。

背景技术

组合导航定位技术广泛应用于测绘及作业机器人，传统的组合导航系统基本组成为，移动站主机+基准站，如图1所示，其中：

移动站主机组成：RTK(Real-time Kinematic实时差分定位)+六轴IMU(InertialMeasurement Unit惯性测量单元(三轴加速度计+三轴陀螺仪))+嵌入式处理器+数传电台(LTE模块)；

基准站组成：RTK+嵌入式处理器+数传电台(LTE模块)

其中，基准站的作用是，通过RTK接收卫星信号，计算传输误差(差分信号)，通过数传电台或LTE模块传输给移动站。移动站接收到基准站的差分信号，解算传输误差并计算到基准站的距离，结合六轴IMU数据，从而确定自身坐标。在卫星信号良好的条件下，定位精度可以达到厘米级。

其主要缺陷为：

1，对卫星信号依赖性非常高，仅适用于室外开阔且卫星信号良好的应用场景，对于卫星信号不良区域或室内场景，仅能通过六轴IMU作部分补充，随卫星信号缺失的时间越长，带来的误差越大；

2，使用六轴IMU，没有定向卫星条件下，无法修正定位方向；

3，没有对海拔高度的定位。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种适用于室内外的高精度定位组合导航系统及其导航方法，在卫星信号良好的条件下，定位精度可以达到厘米级，在卫星信号不佳的个别位置或室内外过渡场景，结合自身九轴IMU，可对定位作修正补充，不过度依赖于卫星信号。

本发明提供了一种适用于室内外的高精度定位组合导航系统，包括移动站主机、室外基准站和室内基准站，所述室外基准站包括处理器以及与处理器连接的RTK模块和通讯模块；所述室外移动站包括处理器以及与处理器连接的RTK模块、通讯模块、九轴IMU模块(三轴加速度计+三轴陀螺仪+三轴磁力计)、气压计传感器和UWB模块(Ultra Wide Band超宽带通信)；所述室内基准站包括若干基站组，每个基站组均包括处理器以及与处理器连接的UWB模块。

进一步改进，所述的通讯模块为数传电台或LTE模块。

本发明还提供了一种适用于室内外的高精度定位组合导航方法，包括以下步骤：

1)移动站接收自身RTK模块定位信息及室外基准站差分信号信息；

2)通过RTK模块搜星数及室外基准站差分信号质量判断移动站处于室内还是室外；若在室内，移动站开启自身UWB模块，搜索室内UNB基准站信号并解算与多个室内基准站的距离；若在室外，移动站接收室外基准站差分数据，解算传输误差及到室外基准站的距离；

3)移动站获取自身九轴传感器数据以及气压传感器数据，根据结算数据结合自身九轴传感器以及气压传感器数据进行定位。

进一步改进，步骤2)所述的室内UWB模块定位过程采用TDoA的定位方式，通过比较信号到达各个UWB定位基站的时间差，计算出信号到各个定位基站的距离差，作出以定位基站为焦点，距离差为长轴的双曲线，三组双曲线的交点即为移动站的位置。

本发明有益效果在于：

1、在传统方案基础上，移动站增加UWB模块，将原六轴IMU更换为九轴IMU，定位过程增加了室内外的判定，在卫星信号不佳的个别位置或室内外过渡场景，结合自身九轴IMU，可对定位作修正补充，不过度依赖于卫星信号。

2、增加了气压传感器，可对移动站的高度作定位，在卫星信号良好的条件下，定位精度可以达到厘米级。

3、室内定位时，搭设多个室内基准站，采用TDoA的定位方式，具有较高定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1为常见组合导航定位系统。

图2为本发明组合导航系统组成。

图3为本发明组合导航方法流程图。

图4为UWB定位基本原理图。

图5为UWB、TDoA定位原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为现阶段常见组合导航定位系统整体架构，图中，基准站设备通过RTK模块获取卫星定位信息，并计算传输误差，然后通过数传电台或LTE模块发送给移动站主机。移动站主机接收到基准站的差分信号后，结合自身RTK的信息和六轴IMU，解算传输误差并计算到基准站的距离，从而确定自身坐标，达到定位目的。由图可见，系统定位依赖于卫星信号，当卫星信号不良或丢失时，基准站和移动站的RTK均无法得到准确位置信息，仅靠六轴IMU的惯导数据，无法定位。在卫星信号丢失情况下，系统没有方向修正，六轴IMU容易出现方向偏差。另外，系统缺少高度相关传感器，无法作出高度的定位。

本发明改进的适用于室内外的高精度定位组合导航系统如图2所示，架构上，是移动站主机+基准站组成，分为室内和室外不同场景。对于室外场景，基准站组成与传统组合导航系统方案一致，由RTK+处理器+数传电台(LTE模块)组成。移动站主机部分，在传统方案基础上，增加UWB(Ultra Wide Band超宽带通信)模块，增加气压计传感器，原六轴IMU更换为九轴IMU(三轴加速度计+三轴陀螺仪+三轴磁力计)。对于室内场景，使用不同架构基准站，其主要组成为：UWB模块+处理器。

具体实施方式如下：

室外场景：

部署好室外基准站，基准站通过RTK接收卫星信号，计算传输误差(差分信号)，通过数传电台或LTE模块传输给移动站主机。移动站接收到基准站的差分信号，解算传输误差并计算到基准站的距离，结合自身九轴传感器的惯导数据，从而确定自身坐标。新增加的气压传感器，可对移动站的高度作定位，在卫星信号良好的条件下，定位精度可以达到厘米级。在卫星信号不佳的个别位置或室内外过渡场景，结合自身九轴IMU，可对定位作修正补充。

室内场景：

部署好室内基准站(UWB基站)，室内基准站密度越高，定位精度越精确。各个室内基准站确定好自身坐标后，固定部署。当移动站主机进入室内无GPS信号区域后，将使用室内基准站进行定位。

UWB定位的基本原理是通过测定基准站与移动站的射频信号的ToF(Time ofFlight飞行时间)，然后将此时间乘以光速来计算基准站和移动站之间的距离，如图3所示。

实际应用中，Treply需要为一个绝对时间单位，方可保证定位计算的精度。然而，不管是基准站还是移动站，设备本身的时钟源存在自我偏差，无法保证Treply的绝对性。对此，真实场景下，将搭设多个室内基准站，采用TDoA的定位方式。

TDoA(Time Difference of Arrival到达时间差)定位是一种利用时间差进行计算的方法。精准的绝对时间相对较难测量，通过比较信号到达各个UWB定位基站的时间差，计算出信号到各个定位基站的距离差，就能作出以定位基站为焦点，距离差为长轴的双曲线，三组双曲线的交点就是移动站的位置。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。