CN111006668B - 基于超宽带和气压传感器融合的三维定位方法 - Google Patents

基于超宽带和气压传感器融合的三维定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超宽带和气压传感器融合的三维定位方法，其具体步骤如下：基于超宽带数据进行三维解算，首先得到高精度的二维位置信息及高度估计值，然后将解算得到的高度估计值和气压传感器数据进行融合得到更高稳定性的高度值。融合后的高度数据稳定性进一步提高，而且能够对单纯超宽带三维定位中高度估计的异常值进行抑制，不管是孤立野值还是连续野值，效果都比较显著。除此之外，本发明避免了传统差分测高中对两个差分气压站频繁校准的要求，实用性进一步提升。

Description

基于超宽带和气压传感器融合的三维定位方法
技术领域
本发明属于是无线定位技术领域，具体涉及一种基于超宽带和气压传感器融合的三维定位方法。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展，人们对定位与导航的需求日益增加，特别是对于电力巡检、城市综合管廊以及石化工厂等复杂室内场景，实现对移动目标位置信息的实时监控和追踪，具有很强的实用价值。目前，主要的室内无线定位技术有：超宽带(UWB)定位技术、射频识别技术和无线传感器网络等，相比于其他定位技术，UWB技术具有定位精度高、稳定性强、抗多径效果好，发射功率低及辐射量小等优点。理论上单纯的超宽带定位技术就能实现高精度的三维定位，但是由于室内高程的限制以及复杂的环境容易造成高程方向的遮挡，使得单纯的一种定位技术很难同时兼顾三个维度的精确定位。相较于超宽带技术，气压测高是一种传统的测高方法，在广阔区域的气压测高已得到广泛应用，在室内定位应用中，大气环境变化小，具有一定的适用性，但是传统的利用海平面为基准的差分测高精度较低，想要在室内小区域环境下得到高精度的高度估计，就需要重新建立基准站，以该基准站进行实时差分测高。已有很多文献对该方法进行了研究，但是这种利用两个气压传感器进行差分的方法也存在一定的弊端，例如进行差分的气压传感器都需要进行有效的校准，而校准值长期测试存在漂移，进而影响最终的高度估计精度，所以单纯使用气压差分实现的高度估计，其定位精度的长期稳定性较差，如果想要工程实用就需要频繁上电校准，这在客户使用接受度上大打折扣。考虑到单一技术的不足，将多种技术的优势互补能实现性能更加完善的定位效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超宽带和气压传感器融合的三维定位方法，在实现二维高精度实时定位的同时，满足高度的高精度、高稳定性输出，解决了现有技术中存在的问题。
综上所述，一种基于超宽带和气压传感器融合的三维定位方法，包括以下步骤：
步骤1，在室内三维定位中，在区域立体空间内布设超宽带定位基站，实时获取本区域内的超宽带观测值，在超宽带定位标签端带有气压传感器，移动目标进行在线实时定位时，超宽带定位基站可以同时获取超宽带信号和气压观测信号，超宽带信号进行二维平面信息获取，而超宽带和气压信号融合可以获得更稳定的高度信息；
步骤2，超宽带定位基站实时将超宽带数据和接收到的气压及温度数据上传至定位服务器，定位服务器对实时超宽带数据和气压及温度数据进行分类处理，并进行高精度位置解算，获得移动目标的实时三维位置数据。
进一步，所述的步骤2中的高精度位置解算分为两个部分，首先是基于超宽带数据的三维解算得到高精度的二维位置信息及高度估计值，然后将解算得到的高度估计值和气压传感器数据进行融合得到更高稳定性的高度值；
基于超宽带高度估计值和气压传感器融合的虚拟参考站差分高度解算的具体方法为：
初始化阶段，即首次定高h，则利用超宽带三维解算得到的高度估计值；
1)虚拟气压参考站气压值更新阶段，即根据得到的高度高度估计值h，及获取到的气压测量值P和温度测量值T，根据公式(1)计算得到虚拟参考站气压值P0：
Figure BDA0002310724390000021
2)实时高度更新阶段，
根据参考气压P0及测得的气压值P、温度值T，根据式(2)可得到高度的估计值h1：
Figure BDA0002310724390000022
同样根据UWB的测量值也可以计算得到一个高度的估计值h2，根据上次高度h、高程预设最大速度值及时间间隔预测本时刻的高度变化范围，如果h1、h2中某一个超过该范围则认为是异常值，取符合范围的值为此次高度估计值h；若两者都满足要求，则取两个高度估计值的加权和作为此次高度估计值h；若两者都不满足要求，则丢弃本次估计值，保持上次估计结果。
3)连续高度估计则转至2),进行虚拟气压参考站气压值更新，然后进行高度融合。
有效效果
根据气压传感器短期稳定性的特征，利用超宽带定位标签集成气压传感器信号，提出基于超宽带和气压传感器融合的三维定位方法，超宽带定位基站实时获取超宽带数据和标签端的气压及温度数据，并将其上传至定位服务器，定位服务器对实时超宽带数据和气压及温度数据进行分类处理，进行高精度位置解算，从而获得移动目标的实时三维位置数据。实验表明：气压传感器的短期稳定度较高，融合后的高度数据稳定性提高，而且本发明能够对单纯超宽带三维定位中高度估计的异常值进行抑制，不管是孤立野值还是连续野值，效果都比较显著。除此之外，本发明避免了传统差分测高中对两个差分气压站频繁校准的要求，实用性进一步提升。
附图说明
图1是基于超宽带和气压传感器融合的三维定位系统示意图；
图2是基于超宽带和气压传感器融合的三维定位方法流程图；
图3是基于超宽带高度估计值和气压传感器融合的虚拟参考站差分高度解算框图；
图4是动态条件下气压值测量结果；
图5a1是无异常值下UWB高度估计结果；
图5a2是无异常值下UWB高度估计值和气压计融合后的结果；
图5b1是孤立野值下UWB高度估计结果；
图5b2是孤立野值下UWB高度估计值和气压计融合后的结果；
图5c1是连续野值下UWB高度估计结果；
图5c2是连续野值下UWB高度估计值和气压计融合后的结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种基于超宽带和气压传感器融合的三维定位方法，主要过程是基于超宽带数据进行三维解算，首先得到高精度的二维位置信息及高度估计值，然后将解算得到的高度估计值和气压传感器数据进行融合得到更高稳定性的高度值。
具体按照以下步骤进行：
步骤1，在室内三维定位中，在区域立体空间内布设超宽带定位基站，具体布设如图1所示，其中1超宽带定位基站，2超宽带定位标签，3定位服务器，4定位解算模块。在超宽带定位标签2带有气压传感器，移动目标进行在线实时定位时，超宽带定位基站1可以同时获取超宽带信号和气压观测信号，超宽带信号进行二维平面信息获取，而超宽带和气压信号融合可以获得更稳定的高度信息；
步骤2，超宽带定位基站实时将超宽带数据和接收到的气压及温度数据上传至定位服务器，定位服务器对实时超宽带数据和气压及温度数据进行分类处理，并进行高精度位置解算，获得移动目标的实时三维位置数据。该步骤的主要处理过程如图2所示，其中的高精度位置解算分为两个部分，首先是基于超宽带数据的三维解算得到高精度的二维位置信息及高度估计值，然后将解算得到的高度估计值和气压传感器数据进行融合得到更高稳定性的高度值。
基于超宽带高度估计值和气压传感器融合的虚拟参考站差分高度解算的框图如图3所示，其具体方法可分解为：
1)初始化阶段，即首次定高h，则利用超宽带三维解算得到的高度估计值；
2)虚拟气压参考站气压值更新阶段，即根据得到的高度高度估计值h，及获取到的气压测量值P和温度测量值T，根据公式(3)计算得到虚拟参考站气压值P0：
Figure BDA0002310724390000031
3)实时高度更新阶段，
根据参考气压P0及测得的气压值P、温度值T，根据式(4)可得到高度的估计值h1：
Figure BDA0002310724390000032
同样根据UWB的测量值也可以计算得到一个高度的估计值h2，根据上次高度h、高程预设最大速度值及时间间隔预测本时刻的高度变化范围，如果h1、h2中某一个超过该范围则认为是异常值，取符合范围的值为此次高度估计值h；若两者都满足要求，则取两个高度估计值的加权和作为此次高度估计值h；若两者都不满足要求，则丢弃本次估计值，保持上次估计结果。
4)连续高度估计则转至2),进行虚拟气压参考站气压值更新，然后进行高度融合。
本发明的发明点在于，根据气压传感器短期稳定性的特征，利用超宽带定位标签集成气压传感器信号，提出基于超宽带和气压传感器融合的高度估计方法，并结合超宽带自身高精度的二维定位结果，实现高精度、高稳定度的三维定位方法。
实验场所为郑州联睿电子科技有限公司4楼办公室，选用泰科公司生产的MS5611-01BA03压力传感器进行实验，分别进行10s、30s及2min静态气压测量，对获得的数据进行统计分析，结果列于表1中。除此之外，还对动态条件下气压值变化进行了测量，获得数据如图4所示。
表1短期气压稳定度分析
Figure BDA0002310724390000033
Figure BDA0002310724390000041
通过上述测试可知，气压值能明显区分运动趋势的变化，而且气压值的变化是连续缓慢的，连续两次的气压值变化比较稳定，这是超宽带和气压传感器融合的前提条件。
气压传感器的短期稳定性较好，但是随着测试时间的增长，气压漂移比较大；基于超宽带的三维定位长期稳定度较好，但是难以避免短时间非视距的干扰。单纯的一种技术很难满足室内复杂的环境，结合多种技术的优点，是解决这类问题的必然趋势，基于本发明提出的超宽带与气压传感器融合的三维定位方法，其发明的关键是基于两种技术融合的高度估计，所以针对这一问题本文进行了实测仿真：假设UWB高程估计值符合零均值，标准差为20cm的正态分布，单个气压传感器在高度0处静止采集数据，图5a1为没有异常值情况下UWB高程估计值，图5a2为没有异常值情况下按照本文提出的方法融合后高度估计值；图5b1为存在孤立野值情况下UWB高程估计值，图5b2为存在孤立野值情况下按照本分提出的方法融合后高度估计值；图5c1为存在连续野值情况下UWB高程估计值，图5c2为存在连续野值情况下按照本文提出的方法融合后高度估计值。实验表明：气压传感器的短期稳定度较高，融合后的高度数据稳定性提高，而且本发明能够对单纯超宽带三维定位中高度估计的异常值进行抑制，不管是孤立野值还是连续野值，效果都比较显著。除此之外，本发明避免了传统差分测高中对两个差分气压站频繁校准的要求，实用性进一步提升。

Claims (1)

1.一种基于超宽带和气压传感器融合的高精度三维定位方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤1，在室内三维定位中，在区域立体空间内布设超宽带定位基站，实时获取本区域内的超宽带观测值，在超宽带定位标签端带有气压传感器，移动目标进行在线实时定位时，超宽带定位基站同时获取超宽带信号和气压观测信号，超宽带信号进行二维平面信息获取，而超宽带和气压信号融合获得更稳定的高度信息；
步骤2，超宽带定位基站实时将超宽带数据和接收到的气压及温度数据上传至定位服务器，定位服务器对实时超宽带数据和气压及温度数据进行分类处理，并进行高精度位置解算；
高精度位置解算分为两个部分，首先是基于超宽带数据的三维解算得到高精度的二维位置信息及高度估计值，然后将解算得到的高度估计值和气压传感器数据进行融合得到更高稳定性的高度值；
高度融合方法采用基于超宽带高度估计值和气压传感器融合的虚拟参考站差分高度解算，其具体方法为：
1)初始化阶段，即首次定高h，则利用超宽带三维解算得到的高度估计值；
2)虚拟气压参考站气压值更新阶段，即根据得到的高度估计值h，及获取到的气压测量值P和温度测量值T，根据公式(1)计算得到虚拟参考站气压值P0：
Figure FDA0004218416620000011
3)实时高度更新阶段，
根据P0及测得的气压值P、温度值T，根据式(2)可得到高度的估计值h1：
Figure FDA0004218416620000012
同样根据UWB的测量值也计算得到一个高度的估计值h2，根据上次高度h、高程预设最大速度值及时间间隔预测本时刻的高度变化范围，如果h1、h2中某一个超过该范围则认为是异常值，取符合范围的值为此次高度估计值h；若两者都满足要求，则取两个高度估计值的加权和作为此次高度估计值h；若两者都不满足要求，则丢弃本次估计值，保持上次估计结果；
4)连续高度估计则转至2),进行虚拟气压参考站气压值更新，然后进行高度融合；
最终获得移动目标的实时三维位置数据。
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