CN115342807A - 一种复杂环境下多源信号自适应融合定位方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复杂环境下多源信号自适应融合定位方法和系统，属于多源融合定位技术领域，其中方法内容包括通过定位终端采集定位信号；判断所述定位信号所在区域；根据所述所在区域以及定位信号的强度变化，确定定位方法；分别根据不同的定位方法采用不同定位算法机制解算所述定位信号，输出定位信息。本发明解决了现有定位技术无法满足诸如地铁这种复杂的非暴露空间内的定位需求，实现了对定位目标室内外无缝切换的精确定位。
Description
技术领域
本发明属于多源融合定位技术领域，具体涉及一种复杂环境下多源信号自适应融合定位方法和系统。
背景技术
现有技术中通常采用GNSS、UWB技术、惯性传感器及WiFi定位技术中的某一种或是两种技术进行定位，通过使用定位元件辅以改进的定位算法，例如卡尔曼滤波，遗传算法或是神经网络算法，通过在客户端运算算法解算所在位置，达到定位的目的。
现有综合定位系统存在以下缺点：
所能覆盖到的定位场景有限，无法满足诸如地铁这种复杂的非暴露空间内的定位需求；
在室内及遮挡条件下定位性能不足，无法实现多种场景下定位技术、算法、精度和覆盖范围的平滑过渡和无缝连接；
在室内外交界区域的复杂环境下，单一的定位技术很难同时覆盖室内外空间，无法满足整体精度要求；
使用单一信号源易造成定位结果的误差较大，且由于缺少对照信号源，难以通过模糊算法减小误差；
单一信号源在面对一些特殊情况时会出现数据异常的情况，如蓝牙易被干扰、WIFI信号易受地磁信号的影响等情形。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种复杂环境下多源信号自适应融合定位方法和系统。
针对目前的综合定位系统在面对地铁这类非暴露空间所体现出的缺点，本发明针对地铁复杂环境，通过利用北斗卫星信号、北斗地基增强方法、超宽带信号、5G信号、WiFi与蓝牙等多种导航定位信号源实现定位。基于北斗芯片或板块、超宽带芯片、5G模块、WiFi模块、蓝牙模块和惯性导航模块等定位元件，通过高精度的自适应融合定位算法，满足了多种定位场景的需求。例如，行人在室外走动时，GNSS卫星导航系统和移动基站信号可以作为用户的定位服务观测信息，但是行人进入室内后这两种信号会逐渐减弱、信号的多径影响也会加重，这时行人手机的WiFi芯片，可以通过室内的AP热点强度数据库进行定位，如果行人有UWB标签设备也可以通过室内的UWB锚点实现高精度定位。
因此为了对定位目标的位置信息进行实时精准定位，本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种复杂环境下多源信号自适应融合定位的方法，具体步骤包括：
步骤S1：通过定位终端采集定位信号；
步骤S2：判断所述定位信号所在区域；
步骤S3：根据所述所在区域以及定位信号的强度变化，确定定位方法；
步骤S4：分别根据不同的定位方法采用不同定位算法机制解算所述定位信号，输出定位信息。
进一步地，所述判断所述定位信号所在区域包括：
当卫星数量大于等于4时，判断所述定位信号所在区域为卫星高信号区，否则为卫星低信号区；当5G通讯信号发送和接收的定位包功率高于100dBm时，判断所述定位信号所在区域为通讯高信号区，否则所述定位信号所在区域为通讯低信号区。
进一步地，所述根据所述所在区域以及定位信号的强度变化，确定定位方法，其中确定定位方法内容包括：
所述定位信号所在区域位于高信号区时，采用第一融合定位方法；
所述定位信号所在区域位于低信号区时，采用第二融合定位方法；
当定位信号强度发生变化时，所述定位信号所在区域位于高低信号区，首先采用第三融合定位方法，待所述定位信号强度稳定后再根据定位信号所在区域选择对应定位方法。
进一步地，所述第一融合定位方法包括：
通过建设北斗连续运行参考站接收定位信号；
通过设置线路中心，采用改正数算法对多个定位信号解算，输出改正数；
同时接收多类定位终端通过5G公网传输来的定位信号，经加入所述改正数解算后，得到终端北斗地基增强定位解算结果，即采用第一融合定位方法得到的定位信息。
进一步地，所述第二融合定位方法包括：
在低信号区通过UWB定位基站进行定位；利用TOA/TDOA定位方法，测量出不同基站与定位终端的传输时延差，并将所述传输时延差输入到观测方程中，得到第一定位结果；
通过定位终端内置的惯性测量单元中的加速计和陀螺仪测得加速度及角速度，推导出步长和航向，将所述步长和航向输入状态方程，得到第二定位结果；
将所述第一定位结果与第二定位结果进行加权融合，得到定位信息。
进一步地，所述TOA/TDOA定位方法为根据UWB信号在基站与UWB标签设备之间的传播速度和时间来计算两者之间的距离。
进一步地，所述第三融合定位方法包括：
定位终端通过5G、WIFI网络将定位信号发送至线路中心，所述线路中心结合定位信号和联合解算改正数进行CORS联合解算得到终端北斗地基增强定位解算结果；
所述线路中心保存所述终端超宽带UWB定位解算结果及所述终端北斗地基增强定位解算结果；
将所述终端超宽带UWB定位解算结果及所述终端北斗地基增强定位解算结果进行加权融合，得到定位信息。
第二方面，一种复杂环境下多源信号自适应融合定位系统，包括：线路中心、站点前置机、UWB定位基站、定位终端、北斗连续运行参考站；
所述北斗连续运行参考站通过专线与线路中心相连接，所述定位终端通过公网与所述线路中心相连接，所述定位终端通过UWB网与所述UWB定位基站相连接，所述UWB定位基站与所述站点前置机相连接，所述站点前置机与所述线路中心相连接。
进一步地，所述北斗连续运行参考站包括基准站、全球导航卫星系统接收机、射频线缆、避雷器。
进一步地，所述定位终端包括北斗芯片、GPS芯片，通信模块及UWB定位模块。
有益效果：
本发明提出了一种复杂环境下多源信号自适应融合定位方法和系统，实现了室内外的高精度定位，本发明系统架构简单，项目成本相对较低，实现了对定位目标的室内外无缝切换精确定位。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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他的附图。
图1为本发明实施例所示的一种复杂环境下多源信号自适应融合定位的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所示的一种复杂环境下多源信号自适应融合定位的系统的架构示意图。
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
一种复杂环境下多源信号自适应融合定位的方法，如图1所示，具体步骤包括：
步骤S1：通过定位终端采集定位信号；
步骤S2：判断所述定位信号所在区域；
步骤S3：根据所述所在区域以及定位信号的强度变化，确定定位方法；
步骤S4：分别根据不同的定位方法采用不同定位算法机制解算所述定位信号，输出定位信息。
根据卫星信号及5G通讯信号强度的不同，将该方法服务的应用场景划分为两类场景：
1、卫星信号及5G通讯信号强度满足定位需求的区域，以下简称为高信号区。
2、卫星信号及5G通讯信号强度不满足定位需求的区域，以下简称为低信号区。
整个定位方法的服务场景可分为三种，分别为：高信号区定位、低信号区定位及高低信号区定位。定位终端由高信号区进入低信号区时，由于卫星信号和5G通讯信号较为薄弱，需要切换为低信号区以进行UWB定位基站定位。因此，本发明根据应用场景的不同共设计了三种融合定位方法。
进一步地，所述判断所述定位信号所在区域包括：
当卫星数量大于等于4时，判断所述定位信号所在区域为卫星高信号区，否则为卫星低信号区；当5G通讯信号发送和接收的定位包功率高于100dBm时，所述定位信号所在区域为通讯高信号区，否则所述定位信号所在区域为通讯低信号区；当定位信号所在区域同时为卫星低信号区和通讯低信号区时定位信号所在区域称为低信号区，同理当定位信号所在区域同时为卫星高信号区和通讯高信号区时定位信号所在区域为高信号区，其余情况下定位信号所在区域为高低信号区。
进一步地，所述根据所述所在区域以及定位信号的强度变化，确定定位方法，其中确定定位方法内容包括：
所述定位信号所在区域位于高信号区时，采用第一融合定位方法；
所述定位信号所在区域位于低信号区时，采用第二融合定位方法；
当定位信号强度发生变化时，所述定位信号所在区域位于高低信号区，首先采用第三融合定位方法，待所述定位信号强度稳定后再根据定位信号所在区域选择对应定位方法。
进一步地，所述第一融合定位方法包括：
通过建设北斗连续运行参考站接收定位信号；
通过设置线路中心，采用改正数算法对多个定位信号解算，输出改正数；本实施例中所述改正数算法为RTK/RTD算法。
同时接收多类定位终端通过5G公网传输来的定位信号，经加入所述改正数解算后，得到终端北斗地基增强定位解算结果，即采用第一融合定位方法得到的定位信息。
本实施例中所述第一融合定位方法内容步骤描述如下：
第一步在车辆段、地铁沿线或地铁站的开阔地点建设北斗连续运行参考站，安装时应保证其周围两百米范围内没有较高的遮挡物，无强电磁干扰，参考一类站标准进行建设，接收定位信号，将定位信号通过环网返回至线路中心BD-OCC(Building Distributor-Operation Control Center，建筑配电运行控制中心)。
第二步通过在线路中心BD-OCC的定位算法模块中完成对多个定位信号解算，所述定位算法支持RTK/RTD(Real Time Kinematic，载波相位动态实时差分/Real TimeDifferential，实时动态码相位差分)多种改正数解算。通过在线路中心部署复杂环境下多源信号自适应融合定位系统的解算软件，实现对多个定位信号的解算，输出改正数。同时接收多类定位终端通过5G公网传输来的定位信号，经加入改正数解算后，输出得到终端北斗地基增强定位解算结果。
网络RTK/RTD是基于CORS(Continuously Operating Reference Stations，连续运行参考站)基础上的实时差分定位技术。在某一区域内建立若干个GNSS(GlobalNavigation Satellite System，全球导航卫星系统)基准站，对该地区构成网状覆盖，联合若干基准站数据解算或消除电离层、对流层等影响，发播GNSS改正信息，对该地区内的GNSS用户进行实时载波相位/伪距差分改正的定位方式，称为GNSS网络RTK/RTD。网络RTK技术就是单点GPS(Global positioning system，全球卫星定位系统)误差模型被区域型的GPS网络误差模型所取代，用多个连续运行参考站组成的GPS网络来估计一个地区的GPS误差模型，并为网络覆盖地区的用户提供校虚拟参考站技术。
进一步地，所述第二融合定位方法的内容如下：
在低信号区通过UWB定位基站进行定位；利用TOA/TDOA定位方法，测量出不同基站与定位终端的传输时延差，并将所述传输时延差输入到观测方程中，得到第一定位结果；
通过定位终端内置的惯性测量单元中的加速计和陀螺仪测得加速度及角速度，推导出步长和航向，将所述步长和航向输入状态方程，得到第二定位结果；
将所述第一定位结果与第二定位结果进行加权融合，得到定位信息。本实施例第一定位结果的权重为0.5，第二定位结果的权重为0.5。
进一步地，所述TOA/TDOA定位方法为根据UWB(Ultra Wide Band，超宽带)信号在基站与UWB标签设备之间的传播速度和时间来计算两者之间的距离。
假设基站与UWB标签设备之间时间同步，UWB标签设备A在发送UWB信号的同时发送一个同步消息，告知接收基站B发送时间为t0，基站B在接收信号的同时接收同步消息，并记录接收信号的时间t1，则两者之间的距离d为：
d＝c×(t1-t0)
其中，c为光速，即UWB信号在介质中的传播速度。
基于TDOA的定位方法又称为双曲线定位，其原理是通过测量UWB信号从UWB标签设备到两个基站之间传播时间的差值，得到UWB标签设备到两个基站之间的固定距离差。TDOA算法是对TOA算法的改进，它并不是直接利用信号到达时间，而是利用多个基站接收到信号的时间差来确定移动目标的位置。因此与TOA相比并不需要加入专门的时间戳来进行时钟同步，定位精度相对有所提高。
进一步地，所述第三融合定位方法包括内容如下：
定位终端通过5G/4G或WIFI网络将定位信号发送至线路中心，所述线路中心结合定位信号和联合解算改正数进行CORS联合解算得到终端北斗地基增强定位解算结果，所述联合解算改正数获得方法与第一融合方法获得改正数方法相同，CORS联合解算为现有技术，本申请此处不再赘述；图2中4G/5G公网通讯模块也可以采用WIFI网络模块代替。
CORS的核心思想是，在一个多台仪器同步的观测站中，固定其中几台仪器作为基准站，在测量期间不搬迁观测站，其余若干台仪器可在观测期间流动设站观测。其中基准站卫星跟踪数据可用来改进卫星轨道，然后用改进后的卫星轨道对其他流动设站进行精密的、静态的网定位，使其定位精度可大大提高。
所述线路中心保存终端超宽带UWB定位解算结果及终端北斗地基增强定位解算结果，将所述终端超宽带UWB定位解算结果及所述终端北斗地基增强定位解算结果进行加权融合，得到定位信息。本实施例终端超宽带UWB定位解算结果的权重为0.5，终端北斗地基增强定位解算结果的权重为0.5。
一种复杂环境下多源信号自适应融合定位系统，如图2所示，包括：线路中心、站点前置机、UWB定位基站、定位终端、北斗连续运行参考站；
所述北斗连续运行参考站通过专线与线路中心相连接，所述定位终端通过公网与所述线路中心相连接，所述定位终端通过UWB网与所述UWB定位基站相连接，所述UWB定位基站与所述站点前置机相连接，所述站点前置机与所述线路中心相连接。
进一步地，所述北斗连续运行参考站包括基准站、全球导航卫星系统接收机、射频线缆、避雷器。
进一步地，所述定位终端包括北斗芯片、GPS芯片，通信模块及UWB定位模块。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
需要多种定位信号源及配套硬件的支持，所列出的硬件仅作为参考。
1、卫星导航定位信号源，配套硬件：支持北斗地基增强与星基增强的北斗板卡，支持北斗/GPS/GLONASS等全系统全部频点，和芯星通UB4B0M小型高精度板卡。
2、惯性导航定位信号源，配套硬件：9轴姿态传感器，支持倾角策略，HipNUC无线惯导HI221系列IMU/VRU/AHRS。
3、超宽带导航定位信号源，配套硬件：超宽带芯片，DW1000无线收发芯片。
4、5G通信与定位信号源，配套硬件：5G通信模块，华为5G工业模组MH5000-31通信开发套件配巴龙5000芯片。
4、指纹定位信号源，配套硬件：WIFI与蓝牙模块，工业级WIFI、蓝牙与4G全兼容模块。
所述北斗连续运行参考站：需通过静态测量的方法获取该基准站GNSS(GlobalNavigation Satellite System，全球导航卫星系统)接收机天线位置的高精度坐标值。GNSS天线通过射频线缆和避雷器，连接部署在室内的基准站GNSS接收机，实现原始观测数据的采集，将定位信号通过环网或专用网络返回至复杂环境下多源信号自适应融合定位系统的线路的数据/计算中心，串联的基站与站点通过环网进行数据传输与通信。
室外定位解算在所述线路级中心BD-OCC的定位算法模块中完成，算法支持RTK/RTD多种改正数解算。通过在线路中心部署复杂环境下多源信号自适应融合定位系统的解算软件，实现对多个定位信号的解算，输出改正数。同时接收多类定位终端通过4G/5G公网传输来的定位信号，经加入改正数解算后，输出室外定位信息，得到位置信息。
室内外连续定位在线路中心BD-OCC联合解算软件完成。BD-OCC中拥有终端超宽带UWB的定位解算结果(室内xyz)和终端在室外北斗地基增强的定位解算结果(室外xyz)，采用联合解算的定位算法机制，实现室内外一体化的高精度定位导航。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换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以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种复杂环境下多源信号自适应融合定位的方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤S1：通过定位终端采集定位信号；
步骤S2：判断所述定位信号所在区域；
步骤S3：根据所述所在区域以及定位信号的强度变化，确定定位方法；
步骤S4：分别根据不同的定位方法采用不同定位算法机制解算所述定位信号，输出定位信息。
2.根据权利要求1所述的复杂环境下多源信号自适应融合定位的方法，其特征在于，所述判断所述定位信号所在区域包括：
当卫星数量大于等于4时，判断所述定位信号所在区域为卫星高信号区，否则为卫星低信号区；当5G通讯信号发送和接收的定位包功率高于100dBm时，判断所述定位信号所在区域为通讯高信号区，否则所述定位信号所在区域为通讯低信号区。
3.根据权利要求1所述的复杂环境下多源信号自适应融合定位的方法，其特征在于，所述根据所述所在区域以及定位信号的强度变化，确定定位方法，其中确定定位方法内容包括：
所述定位信号所在区域位于高信号区时，采用第一融合定位方法；
所述定位信号所在区域位于低信号区时，采用第二融合定位方法；
当定位信号强度发生变化时，所述定位信号所在区域位于高低信号区，首先采用第三融合定位方法，待所述定位信号强度稳定后再根据定位信号所在区域选择对应定位方法。
4.根据权利要求3所述的复杂环境下多源信号自适应融合定位的方法，其特征在于，所述第一融合定位方法包括：
通过建设连续运行参考站接收定位信号；
通过设置线路中心，采用改正数算法对多个定位信号解算，输出改正数；
同时接收多类定位终端通过5G公网传输来的所述定位信号，经加入所述改正数解算后，得到终端北斗地基增强定位解算结果，即采用第一融合定位方法得到的定位信息。
5.根据权利要求3所述的复杂环境下多源信号自适应融合定位的方法，其特征在于，所述第二融合定位方法包括：
在低信号区通过UWB定位基站进行定位；利用TOA/TDOA定位方法，测量出不同基站与定位终端的传输时延差，并将所述传输时延差输入到观测方程中，得到第一定位结果；
通过定位终端内置的惯性测量单元中的加速计和陀螺仪测得加速度及角速度，推导出步长和航向，将所述步长和航向输入状态方程，得到第二定位结果；
将第一定位结果与第二定位结果进行加权融合，得到定位信息。
6.根据权利要求5所述的复杂环境下多源信号自适应融合定位的方法，其特征在于，所述TOA/TDOA定位方法为根据UWB信号在基站与UWB标签设备之间的传播速度和时间来计算两者之间的距离。
7.根据权利要求3所述的复杂环境下多源信号自适应融合定位的方法，其特征在于，所述第三融合定位方法包括：
定位终端通过5G/4G或WIFI网络将定位信号发送至线路中心，所述线路中心结合所述定位信号和联合解算改正数进行CORS联合解算得到终端北斗地基增强定位解算结果；
所述线路中心保存所述终端超宽带UWB定位解算结果及所述终端北斗地基增强定位解算结果；
将所述终端超宽带UWB定位解算结果及所述终端北斗地基增强定位解算结果进行加权融合，得到定位信息。
8.一种复杂环境下多源信号自适应融合定位系统，包括：线路中心、站点前置机、UWB定位基站、定位终端、北斗连续运行参考站；
所述北斗连续运行参考站通过专线与线路中心相连接，所述定位终端通过公网与所述线路中心相连接，所述定位终端通过UWB网与所述UWB定位基站相连接，所述UWB定位基站与所述站点前置机相连接，所述站点前置机与所述线路中心相连接。
9.根据权利要求8所述的复杂环境下多源信号自适应融合定位系统，其特征在于，所述北斗连续运行参考站包括基准站、全球导航卫星系统接收机、射频线缆、避雷器。
10.根据权利要求8所述的复杂环境下多源信号自适应融合定位系统，其特征在于，所述定位终端包括北斗芯片、GPS芯片，通信模块及UWB定位模块。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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