CN109341683A

CN109341683A - 基于uwb双标签的航向计算及其性能分析方法

Info

Publication number: CN109341683A
Application number: CN201810701416.4A
Authority: CN
Inventors: 傅军; 高端阳; 李安
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2019-02-15

Abstract

本发明公开了一种基于UWB双标签的航向计算及其性能分析方法，包括：步骤1，对双标签到至少三个基站之间的距离分别进行测算；步骤2，基于UKF算法建立UWB系统的定位解算模型；步骤3，依据步骤1所得的各个距离，结合步骤2所得的定位结算模型获取双标签道位置；步骤4，建立基于UWB双标签道航向解算模型，利用双标签的位置信息进行运动载体的航向解算。本发明通过构建基于UWB双标签的航向解算模型，将双标签间隔一定距离安装在运动目标的中轴线上，利用UWB定位系统在室内环境下的定位信息，解算适用于惯导的航向信息，提高惯导系统室内定位性能，满足运动目标在复杂室内环境下的运动需求。

Description

基于UWB双标签的航向计算及其性能分析方法

技术领域

本发明属于导航技术等领域，具体涉及一种基于UWB双标签的航向解算方法。

背景技术

室内定位在公共安全、资产管理、智能交通、社交网络等具有广泛的应用前景。随着人们对基于位置服务的需求日益迫切，开展室内定位研究，更显出它的重要性和紧迫性。

然而，室内环境复杂、多变，到目前为止室内定位问题依然没有提出一种普适的解决方案。UWB具有极大的带宽，超高精度的时间分辨率，良好的抗多径干扰，测距精度可达厘米级，与其他定位技术相比优势明显。但由于信号体制特性，UWB室内定位系统受非视距干扰严重。惯性导航系统具有自主性、抗干扰性、隐蔽性等优势，使其成为军事上一种必要的导航手段，在环境复杂的室内定位中也显得尤为重要，但误差随时间积累。UWB与惯性组合可以实现优势互补，是一种有效的室内定位方法。但室内环境复杂、多变等特点使得现有组合系统主要存在以下两个问题：

1、给定初始航向误差较大。这是因为室内环境复杂，尤其是在封闭金属环境下，磁场易受干扰，进而影响给定的初始航向误差较大，降低室内定位精度。

2、惯导解算过程中输出航向误差较大。这是因为室内环境复杂，地磁易受干扰，加之MEMS惯性器件精度受限，长时间惯导解算输出的航向误差较大。

发明内容：

为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种基于UWB双标签的航向计算及其性能分析方法，应用于室内惯导系统导航解算模块中，保证惯导定位精度。

为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

一种基于UWB双标签的航向计算及其性能分析方法，包括：

步骤1，对双标签到至少三个基站之间的距离分别进行测算；

步骤2，基于UKF算法建立UWB系统的定位解算模型；

步骤3，依据步骤1所得的各个距离，结合步骤2所得的定位结算模型获取双标签道位置；

步骤4，建立基于UWB双标签道航向解算模型，利用双标签的位置信息进行运动载体的航向解算。

较佳地，步骤1对双标签到至少三个基站之间的距离分别进行测算的具体方法包括：

步骤11，标签向基站发送一个带有标识和时间戳的数据包，基站接收数据包并记录当前时刻；

步骤12，基站向标签发送一个带有标识和时间戳的数据包，标签接收数据包并记录当前时刻；

步骤13，标签再向基站发送一个带有标识和时间戳的数据包，基站接收数据包之后进行信号飞行时间T_prop计算：

其中T_round1为标签信号往返时间，T_round2为基站信号往返时间， T_reply1为基站信号回复时间，T_reply2为标签信号回复时间，

步骤14，标签到基站之间的距离r为：

r＝c×T_prop

其中，c为光速。

较佳地，步骤2基于UKF算法建立UWB系统的定位解算模型的具体方法包括：

步骤21，建立系统状态量方程

状态量为X＝[x，v_x，y，v_y]，其中(x，y)表示标签的位置坐标，(v_x，v_y)表示标签的运动速度，T为采样时间间隔；

步骤22，建立系统观测方程如下：

观测量Z＝[r₁，r₂，r₃，r₄]表示标签至各个基站的距离，UKF 传播流程首先求解误差协方差矩阵的均方根采用Cholesky分解求解：

计算sigma点：

式中下标：，i表示矩阵第i列；

每个sigma点可通过系统模型进行传播：

传播过后的状态预测及其误差协方差为：

UKF的观测更新流程由下式产生新的sigma点：

sigma点和平均观测新息可由下式解算：

则观测新息的协方差为：

步骤23，更新UKF卡尔曼增益、状态向量更新和误差协方差得到UWB系统的定位解算模型：

式中：为k时刻状态估计值，为k时刻状态预测值，K_k为k 时刻卡尔曼增益值，为k时刻平均观测新息。

较佳地，步骤3依据步骤1所得的各个距离，结合步骤2所得的定位结算模型获取双标签道位置的具体方法包括：

在UWB定位区域内，2个标签实时测量至少到3个基站之间的距离，利用该距离信息，按照步骤2进行状态估计，分别得到各个时刻2个标签的状态估计值，根据步骤2中状态量的选取，提取2个标签状态量中的位置信息，得到2个标签的坐标Tag1(x_Tag1，y_Tag1) 和Tag2(x_Tag2，y_Tag2)。

较佳地，步骤4建立基于UWB双标签道航向解算模型，利用双标签的位置信息进行运动载体的航向解算的具体方法包括：

根据步骤3得到2个标签的位置信息分别为Tag1(x_Tag1，y_Tag1)和 Tag2(x_Tag2，y_Tag2)，利用双标签的位置信息进行运动载体的航向解算，航向

本发明的有益效果在于：本发明通过构建基于UWB双标签的航向解算模型，将双标签间隔一定距离安装在运动目标的中轴线上，利用UWB定位系统在室内环境下的定位信息，解算适用于惯导的航向信息，提高惯导系统室内定位性能，满足运动目标在复杂室内环境下的运动需求。本方法不需要加装地磁传感模块，无需采集地磁航向信息，在原有的UWB室内定位系统中采用双标签定位方式，即可解算运动目标的航向信息，因此方便在现有UWB室内定位系统中直接应用，且该方法在提供航向信息的同时还可以输出运动载体的位置信息。因此方便为UWB/MEMS组合导航解算提供航向信息，提高组合导航定位精度。一定时间内解算的航向精度优于复杂环境下地磁航向精度。

附图说明

图1为本发明实施例的双边双向测距示意图；

图2为本发明实施例的双标签航向解算示意图；

图3为本发明实施例的实验场景图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种基于UWB双标签的航向解算方法，具体包括：

步骤1，根据双向双边测距原理，2个标签分别测量至少到3个基站之间的距离。双边双向测距分为三次握手通信过程，首先，标签向基站发送一个带有标识和时间戳的数据包，基站接收数据包并记录当前时刻，然后，基站向标签发送一个带有标识和时间戳的数据包，标签接收数据包并记录当前时刻，最后，标签再向基站发送一个带有标识和时间戳的数据包，基站接收数据包之后进行信号飞行时间T_prop计算。计算公式如下：

其中T_round1为标签信号往返时间，T_round2为基站信号往返时间， T_reply1为基站信号回复时间，T_reply2为标签信号回复时间，因此，标签到基站之间的距离r为：

r＝c×T_prop

其中，c为光速。

步骤2，建立基于UKF算法的UWB系统的定位解算模型。UWB 系统的定位解算模型可由下式表示：

式中：为k时刻状态估计值，为k时刻状态预测值，K_k为k 时刻卡尔曼增益值，为k时刻平均观测新息。建立系统状态方程如下：

状态量为X＝[x，v_x，y，v_y]，其中(x，y)表示标签的位置坐标，(v_x，v_y)表示标签的运动速度，T为采样时间间隔。建立系统观测方程如下：

观测量Z＝[r₁，r₂，r₃，r₄]表示标签至各个基站的距离。UKF传播流程首先求解误差协方差矩阵的均方根采用Cholesky分解来求解：

计算sigma点：

式中下标“：，i”表示矩阵第i列。每个sigma点可通过系统模型进行传播：

传播过后的状态预测及其误差协方差为：

UKF的观测更新流程由下式产生新的sigma点：

sigma点和平均观测新息可由下式解算：

则观测新息的协方差为：

最后，UKF卡尔曼增益、状态向量更新和误差协方差更新为：

步骤3，根据第1步确定的2个标签至各个基站的距离，按照步骤2解算出2个标签的位置。在UWB定位区域内，2个标签实时测量至少到3个基站之间的距离，利用该距离信息，按照步骤2进行状态估计，分别得到各个时刻2个标签的状态估计值，根据步骤2中状态量的选取，提取2个标签状态量中的位置信息，得到2个标签的坐标并将其命名为Tag1(x_Tag1，y_Tag1)和Tag2(x_Tag2，y_Tag2)。

步骤4，建立基于UWB双标签的航向解算模型，根据第3步确定的2个标签的位置信息，解算出航向。根据步骤3得到2个标签的位置信息分别为Tag1(x_Tag1，y_Tag1)和Tag2(x_Tag2，y_Tag2)，最后利用双标签的位置信息进行运动载体的航向解算，计算公式如下：

本实施例依据仅基于UWB系统，采用双标签的方式计算运动目标的航向信息。

本发明是建立在UWB定位系统的硬件基础上，该模型为提高 UWB/MEMS组合导航的定位性能，需对航向解算方法进行研究。该模型的特性主要包括：

标签位置的计算；

双标签与运动目标航向关系的建立；

标签定位解算模型的构建。

本发明提供了基于UWB双标签的航向解算方法，基于以上构建的航向解算模型，对该方法进行研究。

为了证明该方法的有效性，在以下条件下进行实验分析：

1、实验模块的选型，采用市面上常用的一种一种I-UWB LPS无穷超宽带局部定位系统参与实验。

2、按照UWB系统使用要求对基站进行布置，对系统进行初始化设置。

3、将4个标签安装在运动目标的中轴线上，两两间隔30cm。

4、在目标运动过程中，实时采集4个标签至各个基站之间的距离信息。

5、分别对4个标签进行定位解算，得到4个标签运动过程中的位置信息。

6、利用航向与标签之间的计算关系，任意2个标签进行组合，实现对运动目标的航向进行求解。

具体方案实验场景如图3所示，航向计算结果下表所示

表1不同基线长度航行误差统计(/度)

由此可见：本文所使用的一种基于UWB双标签的航向解算方法可有效计算出运动目标的航向信息。本发明的方法可以为相关定位解算算法提供航行信息参考。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于UWB双标签的航向计算及其性能分析方法，其特征在于，包括：

步骤1，对双标签到至少三个基站之间的距离分别进行测算；

步骤2，基于UKF算法建立UWB系统的定位解算模型；

步骤3，依据步骤1所得的各个距离，结合步骤2所得的定位结算模型获取所述双标签道位置；

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB双标签的航向计算及其性能分析方法，其特征在于，所述步骤1对双标签到至少三个基站之间的距离分别进行测算的具体方法包括：

其中T_round1为标签信号往返时间，T_round2为基站信号往返时间，T_reply1为基站信号回复时间，T_reply2为标签信号回复时间，

步骤14，标签到基站之间的距离r为：

r＝c×T_prop

其中，c为光速。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB双标签的航向计算及其性能分析方法，其特征在于，所述步骤2基于UKF算法建立UWB系统的定位解算模型的具体方法包括：

步骤21，建立系统状态量方程

步骤22，建立系统观测方程如下：

观测量Z＝[r₁，r₂，r₃，r₄]表示标签至各个基站的距离，UKF传播流程首先求解误差协方差矩阵的均方根采用Cholesky分解求解：

计算sigma点：

式中下标：，i表示矩阵第i列；

每个sigma点可通过系统模型进行传播：

传播过后的状态预测及其误差协方差为：

UKF的观测更新流程由下式产生新的sigma点：

sigma点和平均观测新息可由下式解算：

则观测新息的协方差为：

式中：为k时刻状态估计值，为k时刻状态预测值，K_k为k时刻卡尔曼增益值，为k时刻平均观测新息。

4.根据权利要求3所述的一种基于UWB双标签的航向计算及其性能分析方法，其特征在于，所述步骤3依据步骤1所得的各个距离，结合步骤2所得的定位结算模型获取所述双标签道位置的具体方法包括：

在UWB定位区域内，2个标签实时测量至少到3个基站之间的距离，利用该距离信息，按照步骤2进行状态估计，分别得到各个时刻2个标签的状态估计值，根据步骤2中状态量的选取，提取2个标签状态量中的位置信息，得到2个标签的坐标Tag1(x_Tag1，y_Tag1)和Tag2(x_Tag2，y_Tag2)。

5.根据权利要求4所述的一种基于UWB双标签的航向计算及其性能分析方法，其特征在于，所述步骤4建立基于UWB双标签道航向解算模型，利用双标签的位置信息进行运动载体的航向解算的具体方法包括：

根据步骤3得到2个标签的位置信息分别为Tag1(x_Tag1，y_Tag1)和Tag2(x_Tag2，y_Tag2)，利用双标签的位置信息进行运动载体的航向解算，航向