一种基于UWB/GNSS/INS的室内外无缝定位方法

技术领域

本发明涉及空间定位技术领域，更具体地说，它涉及一种基于UWB/GNSS/INS的室内外无缝定位方法。

背景技术

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，最常用的室外定位技术是全球导航卫星系统(GNSS)，它具有良好的性能和实时定位能力。然而，在室内或隧道环境中，GNSS信号受到干扰，定位效果不佳，无法提供可靠的定位。

由此，本发明提供了一种基于UWB/GNSS/INS的室内外无缝定位方法，改善了上述技术问题。

发明内容

本公开实施例旨在针对现有技术的不足，提供一种基于UWB/GNSS/INS的室内外无缝定位方法，本发明通过结合GNSS接收器的测量速率与UWBLNS的测量速率，并将GNSS观测模型和LNSUWB观测模型之间的坐标统一、时间戳对齐、置信度统一，实现UWB/GNSS系统集成，从而基于集成后的UWB/GNSS系统，能够在室外和室内获得连续定位。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于UWB/GNSS/INS的室内外无缝定位方法，包括如下步骤：S1、GNSS接收器的测量速率与UWBLNS的测量速率结合；

S2、统一GNSS观测模型和LNSUWB观测模型之间的坐标；

S3、对齐GNSS观测模型和LNSUWB观测模型之间的时间戳；

S4、统一UWB和GNSS系统的置信度；

S5、使用扩展卡尔曼滤波器计算误差并校正惯性传感器测量值和导航参数；

S6、使用UWB数据来更新INS导航。

作为本发明的一种优选技术方案，所述GNSS接收器的测量速率与UWBLNS的测量速率结合的过程为：

GNSS观测模型的定义：设

其中，

式中，R

UWBLNS观测模型可以表示为：

式中，

作为本发明的一种优选技术方案，所述统一GNSS观测模型和LNSUWB观测模型之间的坐标的过程为：

设原点O′在X′O′Y′上在高斯坐标系中对应的坐标为(X

通过两个坐标系的坐标可以相互转换，从而将坐标反算，即可找到A点在UWB坐标系中的直角坐标(X′

作为本发明的一种优选技术方案，所述对齐GNSS观测模型和LNSUWB观测模型之间的时间戳的过程为：将GNSS模型获取的UTC时间添加到定位标签发送的定位信息中，服务器获取定位信息并将UWBLNS和GNSS信息绑定为大致相同的时间元素，UWBLNS模型通过插值将GNSS数据添加到定位信息中,从而实现UWBLNS和GNSS模型之间的时间戳对齐。

作为本发明的一种优选技术方案，所述统一UWB和GNSS系统的置信度的过程为：残差可以用来描述之前N组定位的估计结果的稳定性，定位结果误差越大，残差值就越大，使得F为样本标准残差：

式中，N是计算残差的输入值滑动窗口，d

GNSS和UWB的联合置信度可以分别表示为：

式中，F

UWB和GNSS归一化后的置信度为：

作为本发明的一种优选技术方案，所述扩展卡尔曼滤波器由一组递归应用于两个步骤的方程组成；两个步骤的方程分别为：预测方程和更新方程；所述预测方程和更新方程均基于状态转换模型和测量模型；

所述状态转换模型描述了状态随时间变化的时间行为，用于从先前的估计开始预测状态向量；定义为：

x

所述测量模型描述了观测值与所估计的状态之间的关系，用于校正状态向量，定义为：

y

式中，w

作为本发明的一种优选技术方案，所述预测方程和更新方程均不是线性的，所以需要对机械化方程进行线性化；INS误差随时间演化的方程组

将一阶泰勒级数展开应用于导航坐标系中参数化的运动方程来计算误差传播，并且可以按以下形式简化：

式中，矩阵T将位置误差与其时间导数联系起来；

因此，先从初始估计

其中，状态向量由INS状态误差组成，INS状态误差包括：位置p、速度υ、姿态ψ、加速度b

状态向量定义为：

状态噪声向量w

通过

P

作为本发明的一种优选技术方案，GNSS或UWB系统独立解决方案可用时，获得新的测量值，用于校正预测解

GNSS/UWB-LNS集成的EKF测量模型为：

δy

在松耦合集成中，该测量向量分别由GNSS/UWB之间的差值、INS位置和速度(δy

H＝[I

估计测量噪声向量υ

然后，状态误差δx

P

最后，针对估计的状态误差向量校正INS参数：

作为本发明的一种优选技术方案，所述使用UWB数据来更新INS导航的过程为：通过迭代非线性最小二乘估计来解决UWB的3D定位问题，迭代细化误差r低于预设容差时获得的线性化点；

若m是网络中锚点的数量，则第i个残差可以设为目标节点坐标的函数：

其中，d

在迭代的每一步，从目标节点位置的初始猜测x

估计值由下式给出：

x

作为本发明的一种优选技术方案，所述扩展卡尔曼滤波器的状态向量具有以下形式：

其中，x

综上所述，本发明具有以下有益效果：通过结合GNSS接收器的测量速率与UWBLNS的测量速率，保证发射器在物体上以UWBLNS的规模内发射信号的周期；然后将GNSS观测模型和LNSUWB观测模型之间的坐标统一、时间戳对齐、置信度统一，完成将超宽带UWB室内定位系统集成到全球导航卫星系统-惯性导航系统GNSS中，从而基于集成后的UWB/GNSS系统，能够在室外和室内获得连续定位；最后使用扩展卡尔曼滤波器计算误差并校正惯性传感器测量值和导航参数和UWB数据来更新INS导航，能够连续提供室内外的导航方案。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于UWB/GNSS/INS的室内外无缝定位方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的两个观测模型之间的坐标系的转换框架图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本申请进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本申请，但不以任何形式限制本申请。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本申请的保护范围。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，如果不冲突，本申请实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。此外，本文所采用的“第一”、“第二”、“第三”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本申请各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本公开实施例旨在解决在室内或隧道环境中，GNSS信号受到干扰，定位效果不佳，无法提供可靠的定位。有鉴于此，本公开实施例提出了一种基于UWB/GNSS/INS的室内外无缝定位方法以用于完成将超宽带UWB室内定位系统集成到全球导航卫星系统-惯性导航系统GNSS中，从而基于集成后的UWB/GNSS系统，能够实现在室外和室内获得连续定位。

请参考图1，图1示出了本公开实施例所述基于UWB/GNSS/INS的室内外无缝定位方法的流程图。整体流程主要包括以下6个步骤：

扩展卡尔曼滤波器的状态向量具有以下形式：

其中，x

步骤1：GNSS接收器的测量速率与UWBLNS的测量速率结合。

在离散过程中，扩展卡尔曼滤波器是以非永久速率处理来自UWBLNS或GNSS的观测数据；进而，当GNSS接收器的测量速率与UWBLNS的测量速率相结合时，需要保证发射器在物体上以UWBLNS的规模内发射信号的周期，具体过程为：

GNSS观测模型的定义：设

其中，

式中，R

在离散过程中，n

UWBLNS观测模型可以表示为：

式中，

步骤2：统一GNSS观测模型和UWBLNS观测模型之间的坐标；如图2所示，利用高斯投影和相对坐标变换可以实现两个观测模型之间的坐标系的转换。

坐标转换过程中，建筑物方向可能与相对定位坐标系的方向不同。所以，设原点O′在X′O′Y′上在高斯坐标系中对应的坐标为(X

通过两个坐标系的坐标可以相互转换，从而将坐标反算，即可找到A点在UWB坐标系中的直角坐标(X′

步骤3：对齐GNSS观测模型和UWBLNS观测模型之间的时间戳；

具体的，将GNSS模型获取的UTC时间添加到定位标签发送的定位信息中，服务器获取定位信息并将UWBLNS和GNSS信息绑定为大致相同的时间元素。由于GNSS模型的输出定位频率为1-10HZ，所以为了降低标签的功耗，将GNSS模型定位频率设置为1HZ。同时，为了获得良好的室内定位点动态效果，UWBLNS模型的定位频率设置在4HZ以上。UWBLNS模型通过插值将GNSS数据添加到定位信息中,从而实现UWBLNS和GNSS模型之间的时间戳对齐。

步骤4：统一UWB和GNSS系统的置信度；

残差可以用来描述之前N组定位的估计结果的稳定性，定位结果误差越大，残差值就越大，使得f为样本标准残差：

式中，N是计算残差的输入值滑动窗口，d

GNSS和UWB的联合置信度可以分别表示为：

式中，F

UWB和GNSS归一化后的置信度为：

步骤5：使用扩展卡尔曼滤波器计算误差并校正惯性传感器测量值和导航参数。具体过程为：

EKF由一组递归应用于两个步骤的方程组成；两个步骤的方程分别为：预测方程(时间更新或传播)和更新方程(测量辅助或校正)。

构建滤波器模型时考虑以下因素：观测区间内GNSS接收机时间尺度与LNS时间尺度相同。在滤波器运行之前分别估计GNSS和LNS时间尺度之间的差异。发射机向LNS发射信号的周期不是恒定的，而是在标称值0.1秒的10％范围内离散变化(离散间隔为1毫秒)。由于GNSS和LNS信号观测时刻之间的周期不固定，滤波器的运行速率也不是恒定的；因此，滤波器的运行率由观测时刻之间的观测差异决定：LNS观测的两个相邻时刻之间或LNS和GNSS观测之间。

两个步骤的方程均基于两个估计模型，分别是：状态转换模型和测量模型。

其中，状态转换模型描述了状态随时间变化的时间行为，用于从先前的估计开始预测状态向量。状态转换模型，定义为：

x

测量模型描述了观测值与所估计的状态之间的关系，用于校正状态向量。测量模型，定义为：

y

式中，w

在GNSS/UWB-LNS集成的情况下，估计值应由惯性平台的位置、速度和姿态

由于上述两个步骤的方程均不是线性的，所以需要对机械化方程进行线性化。特别是，表示INS误差随时间演化的方程组

然后，将一阶泰勒级数展开应用于导航坐标系中参数化的运动方程来计算误差传播，并且可以按以下形式简化：

；

；

式中，矩阵T将位置误差与其时间导数联系起来；

因此，先从初始估计

其中，状态向量由INS状态误差组成，INS状态误差包括：位置p、速度υ、姿态ψ、加速度b

状态噪声向量w

通过

P

在闭环配置中，每次INS集成时，状态向量为零并且不及时向前传播。

在更新时，当GNSS或UWB系统独立解决方案可用时，获得新的测量值，用于校正预测解

GNSS/UWB-LNS集成的EKF测量模型为：

δy

在松耦合集成中，该测量向量分别由GNSS/UWB之间的差值、INS位置和速度(δy

H＝[I

估计测量噪声向量υ

然后，状态误差δx

P

最后，针对估计的状态误差向量校正INS参数：

步骤6：使用UWB数据来更新INS导航。

GNSS位置和速度用于估计INS误差；当系统移至室内时，GNSS接收器停止测量，UWB接收器进行测量。同时，UWB以1Hz的频率工作，在室内环境中提供定位。

实施例，通过松耦合集成，仅使用UWB数据来更新INS导航；具体过程为：

通过迭代非线性最小二乘估计来解决UWB的3D定位问题，迭代细化误差r低于预设容差时获得的线性化点。

如果m是网络中锚点的数量，则第i个残差可以设为目标节点坐标的函数：

其中，d

在迭代的每一步，从目标节点位置的初始猜测x

估计值由下式给出：

x

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。