CN113406683A - 基于多模式立体联合定位的全场景定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模式立体联合定位的全场景定位系统及方法，包括多模式立体联合定位系统，由北斗卫星定位系统、前端超宽带UWB定位系统、惯导辅助定位系统及多传感器数据融合算法组成，用于实现室内外场景自由转换，并高精度、低延时输出载体位置坐标；定位数据传输优化系统，由数据缓存模块、网络检测与数据回传模块组成，优化数据刷新率低且回传丢包问题；本发明可有效在室内外多种场景下进行精准定位，并且解决了回传数据刷新率低、容易丢包的问题，对于各类定位场景有着很好的适用性。

Description

基于多模式立体联合定位的全场景定位系统及方法

技术领域

本发明属于导航定位的技术领域，具体涉及一种基于多模式立体联合定位的全场景定位系统及方法。

背景技术

目前，导航定位领域，常采用单一定位方式进行导航。

最为常用的定位方式为GPS卫星定位系统，GPS系统是最早被应用于飞机、车辆导航的定位系统，采用无线电导航方式，可为用户终端提供全球范围内全授时的位置、速度、时间等信息，具有不随时间发散、导航精度高等特点。

但GPS依靠接收机收到的卫星星座信息进行定位，使得某些情况下，GPS接收机丢星或信号失锁，导致定位服务不准，一定程度上限制了使用范围。

导致定位不准原因主要是：1)多路径效应，GPS信号会受到建筑物的反射；2)阴影，浓密的植被下，城市高楼间，信号接收效果差；3)在室内、隧道等场景会出现丢星与信号失锁；4)接收信号差的区域初始化时间被延长；5)动态因素影响，如载体短时间内速度快速增减。上述原因会导致接收机定位精度下降甚至无法定位，误差有时可大于500米。

此外，UWB(超宽带无线通信技术)作为一种无载波通信技术，不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。UWB具有室内定位、传输速率快、空间容量大、成本低、功耗低等特点。但UWB定位依赖于基站，覆盖范围较小，且载体位置信息为相对位置而非经纬度坐标。

因此，单一定位方式，无法保证在复杂环境下满足导航定位需求。并且，定位设备在将定位数据实时回传时，往往由于网络堵塞、拥挤，出现数据丢包，失真情况。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于多模式立体联合定位的全场景定位系统及方法，能够在室内外多种场景下进行精准定位，并且解决了回传数据刷新率低，并且容易丢包的问题，对于各类定位需求有着很好的适用性。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于多模式立体联合定位的全场景定位系统，包括多模式立体联合定位系统和定位数据传输优化系统；

所述多模式立体联合定位系统包括北斗卫星定位系统、前端超宽带UWB定位系统、惯导辅助定位系统及多传感器数据融合算法模块；用于实现室内外场景自由转换，并实时输出载体位置坐标；

所述定位数据传输优化系统包括数据缓存模块及网络检测与数据回传模块；用于实时缓存载体位置信息，并向服务器发送位置信息；

所述北斗卫星定位系统，配合差分纠偏基站，获取载体室外无遮挡环境下的位置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数据；

所述前端超宽带UWB定位系统，辅以RTK基站，获取载体有遮挡环境下的位置、速度、时间和位置精度强弱度数据；

所述惯导辅助定位系统，预测载体的位置、速度、加速度、载体角速度、时间和位置精度强弱度数据；

所述多传感器数据融合算法模块，对北斗卫星定位系统、前端超宽带UWB定位系统、惯导辅助定位系统所获数据进行处理与融合，获得不同场景下载体的具体位置信息。

进一步地，所述多传感器数据融合算法模块包括数据校正模块、坐标转换模块和数据融合模块；

所述数据校正模块将惯导辅助定位系统获取的坐标数据转换成与北斗卫星定位系统相同坐标系，所述坐标转换模块将前端超宽带UWB定位系统所获位置数据，结合RTK差分基站，转为与北斗卫星定位系统相同坐标系下的经纬度坐标；所述数据融合模块为卡尔曼滤波器，通过在不同场景下对北斗卫星定位系统、前端超宽带UWB定位系统、惯导辅助定位系统所获位置数据进行加权融合计算出载体的具体位置信息。

进一步地，所述数据缓存模块将实时记录的载体位置数据进行打包存储，确保数据完整不丢包，所述网络检测与数据回传模块，用于检测网络状况，根据实际网络环境往服务器发送位置数据。

一种基于多模式立体联合定位的全场景定位方法，包括以下步骤：

步骤一、通过北斗卫星定位系统，配合差分纠偏基站，获取载体室外无遮挡环境下的位置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数据；

通过前端超宽带UWB定位系统，辅以RTK基站，获取载体有遮挡环境下的位置、速度、时间、位置精度强弱度数据；

通过惯导辅助定位系统，预测载体的位置、速度、加速度、载体角速度、时间、位置精度强弱度数据；

步骤二、将步骤一获取的位置信息进行数据融合，计算出载体的具体位置信息；

步骤三、将步骤二获得的载体位置信息打包，检测网络状况，根据实际网络环境往服务器发送位置数据。

进一步地，所述步骤二具体包括如下步骤：

21)设定全场景定位系统连接卫星数阈值为A，连接UWB基站数阈值为B；

22)若全场景定位系统连接卫星数大于等于阈值A，且连接UWB基站数小于阈值B，则输出北斗卫星定位数据；

若全场景定位系统连接卫星数小于阈值A，且连接UWB基站数大于等于阈值B，则输出UWB定位数据；

若全场景定位系统连接卫星数大于等于阈值A，且连接UWB基站数大于等于阈值B，则输出UWB定位数据；

若全场景定位系统连接卫星数小于阈值A，连接UWB基站数小于阈值B，则执行步骤23；

23)根据步骤一惯导辅助定位系统得到的速度、加速度、载体角速度反馈载体最终位置信息进行航向计算；判断载体的速度是否为0，如果是，则载体位置信息为惯导辅助定位系统输出定位信息，否则执行步骤24；

24)将卫星定位数据、UWB定位数据及惯导定位数据进行融合得到载体的位置信息。

进一步地，所述步骤24具体操作步骤如下：

241)读取步骤22输出的卫星定位数据或UWB定位数据中的速度v_g、方向θ_g和坐标(X_g、Y_g)及位置精度强弱度，读取惯导定位数据中的速度v_d、方向θ_d和坐标(X_d、Y_d)；

242)根据位置精度强弱度，调整分配因子：

式中，α₁表示卫星定位数据或UWB定位数据的分配因子，α₂表示惯导定位数据的分配因子，PDOP表示位置精度强弱度；

243)根据分配因子，求得载体的权重坐标(x₁,y₁)：

x₁＝α₁·X_g+α₂·X_d，y₁＝α₁·Y_g+α₂·Y_d

244)推算载体的位置信息(x₂,y₂)：

x₂＝x₀₁+(α₁·v_g+α₂v_d)·cos(α₁·θ_g+α₂·θ_d)，

y₂＝y₀₁+(α₁·v_g+α₂·v_d)·sin(α₁·θ_g+α₂·θ_d)；

式中，x₀₁、y₀₁表示前一时刻载体的位置信息；

245)计算分配权重：

β₁＝1-β₂；

β₁表示x₁和y₁的权重，β₂表示x₂和y₂的权重，x₀₂、y₀₂表示前第二个时刻的位置信息，v_t表示通过前两个时刻位置信息计算出的载体速度，T表示前两个时刻间的时间间隔。

246)获得载体实际位置信息：

x＝β₁·x₁+β₂·x₂，

y＝β₁·y₁+β₂·y₂。

有益效果：

本发明可有效解决室内无法精准定位、室内外定位坐标间转换等问题。利用多传感器多模式立体联合定位，实现定位技术信息互补，且解决了回传数据刷新率低、容易丢包的问题，对于各类定位场景具有很好的适用性，使用前景广阔。

附图说明

图1为本发明基于多模式立体联合定位的全场景定位系统的工作原理图。

图2为本发明基于多模式立体联合定位的全场景定位系统实现数据融合、传输的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

图1为本发明基于多模式立体联合定位的全场景定位系统的工作原理图；本发明系统包括北斗卫星定位系统、前端超宽带UWB定位系统、惯导辅助定位系统、数据处理与融合系统(多传感器数据融合算法模块)以及数据打包与回传系统；

北斗卫星定位系统，用于获取载体室外无遮挡环境下的位置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数据；

前端超宽带UWB定位系统，用于获取载体有遮挡环境下的位置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数据；

惯导辅助定位系统，用于预测载体位置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数据；

数据处理与融合系统，用于完成数据校正、坐标转换及数据融合；

数据打包与回传系统，用于将载体位置数据打包存储，并通过网络传至服务器中。

本发明系统中各子系统与模块的其他具体功能与下述流程图中相应执行过程相对应，此处不再赘述。

图2为本发明基于多模式立体联合定位的全场景定位系统实现数据融合、传输的流程示意图；本系统具体包括如下步骤：

1)通过北斗卫星定位系统、前端超宽带UWB定位系统以及惯导辅助定位系统采集载体位置信息；

2)根据卫星数与UWB基站数，判定所采用的定位数据，优先采用UWB定位数据，并完成坐标转换等系列工作；

3)利用卫星/UWB定位数据与惯导辅助定位数据，完成数据融合得到载体的位置信息；

4)将载体位置信息进行打包，并检测网络，回传数据；

下面详细说明本方法中的具体步骤中的内容：

步骤1)中，使用北斗卫星定位系统，配合差分纠偏基站，获取载体室外无遮挡环境下的位置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数据；使用前端超宽带UWB定位系统，辅以RTK基站，载体有遮挡环境下的位置、速度、时间、位置精度强弱度数据；使用惯导辅助定位系统，预测载体丢星失锁后30秒内的位置、速度、时间位置精度强弱度数据；

步骤2)中，判断北斗卫星定位系统获得的数据中，卫星数是否大于3，如若是则认为所获坐标数据为载体位置所在，否则判定前端超带宽UWB定位系统获得的数据中，UWB基站数是否大于3，如若是则认为所获坐标数据为载体位置所在(同等情况下UWB定位数据优先)，并进行坐标转换；

步骤3)判定惯导辅助定位数据中速度是否为0，如果是，则所获坐标数据为载体位置所在；

若惯导辅助定位数据中速度不为0，则对定位数据进行数据校正，并进行航位推算，与卫星/UWB定位数据在卡尔曼滤波器中进行数据融合；

步骤4)将融合后的数据，以5秒为周期进行打包，并同时进行网络环境检测，根据实际网络情况回传数据至服务器。

本发明的优点包括：

1)本发明可有效在室内外、涵道、地下等多种场景下进行精准定位，场景使用率可达90％以上。

2)本发明引入卫星数、UWB基站数、载体速度等判定机制，为位置数据融合奠定基础，并充分保证载体位置数据的真实可靠性。

3)本发明有效解决了回传数据刷新率低、容易丢包的问题。

4)本发明实现了卫星定位与UWB定位方式的快速切换。

5)本发明完成了卫星定位、UWB定位、航位推算等位置数据间的坐标转换，实现了统一坐标系转换。

综上，本发明可以有效解决在室内外、涵道、地下等场景下无法进行精准定位的问题，且能快速完成统一坐标系转换，并且解决了回传数据刷新率低、容易丢包的问题，具有很好的环境适用性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多模式立体联合定位的全场景定位系统，其特征在于，包括多模式立体联合定位系统和定位数据传输优化系统；

所述多模式立体联合定位系统包括北斗卫星定位系统、前端超宽带UWB定位系统、惯导辅助定位系统及多传感器数据融合算法模块；用于实现室内外场景自由转换，并实时输出载体位置坐标；

所述定位数据传输优化系统包括数据缓存模块及网络检测与数据回传模块；用于实时缓存载体位置信息，并向服务器发送位置信息；

所述北斗卫星定位系统，配合差分纠偏基站，获取载体室外无遮挡环境下的位置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数据；

所述前端超宽带UWB定位系统，辅以RTK基站，获取载体有遮挡环境下的位置、速度、时间和位置精度强弱度数据；

所述惯导辅助定位系统，预测载体的位置、速度、加速度、载体角速度、时间和位置精度强弱度数据；

所述多传感器数据融合算法模块，对北斗卫星定位系统、前端超宽带UWB定位系统、惯导辅助定位系统所获数据进行处理与融合，获得不同场景下载体的具体位置信息。

2.如权利要求1所述的一种基于多模式立体联合定位的全场景定位系统，其特征在于，所述多传感器数据融合算法模块包括数据校正模块、坐标转换模块和数据融合模块；

所述数据校正模块将惯导辅助定位系统获取的坐标数据转换成与北斗卫星定位系统相同坐标系，所述坐标转换模块将前端超宽带UWB定位系统所获位置数据，结合RTK差分基站，转为与北斗卫星定位系统相同坐标系下的经纬度坐标；所述数据融合模块为卡尔曼滤波器，通过在不同场景下对北斗卫星定位系统、前端超宽带UWB定位系统、惯导辅助定位系统所获位置数据进行加权融合计算出载体的具体位置信息。

3.如权利要求1所述的一种基于多模式立体联合定位的全场景定位系统，其特征在于，所述数据缓存模块将实时记录的载体位置数据进行打包存储，确保数据完整不丢包，所述网络检测与数据回传模块，用于检测网络状况，根据实际网络环境往服务器发送位置数据。

4.一种基于多模式立体联合定位的全场景定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过北斗卫星定位系统，配合差分纠偏基站，获取载体室外无遮挡环境下的位置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数据；

通过前端超宽带UWB定位系统，辅以RTK基站，获取载体有遮挡环境下的位置、速度、时间、位置精度强弱度数据；

通过惯导辅助定位系统，预测载体的位置、速度、加速度、载体角速度、时间、位置精度强弱度数据；

步骤二、将步骤一获取的位置信息进行数据融合，计算出载体的具体位置信息；

步骤三、将步骤二获得的载体位置信息打包，检测网络状况，根据实际网络环境往服务器发送位置数据。

5.如权利要求4所述的一种基于多模式立体联合定位的全场景定位方法，其特征在于，所述步骤二具体包括如下步骤：

21)设定全场景定位系统连接卫星数阈值为A，连接UWB基站数阈值为B；

22)若全场景定位系统连接卫星数大于等于阈值A，且连接UWB基站数小于阈值B，则输出北斗卫星定位数据；

若全场景定位系统连接卫星数小于阈值A，且连接UWB基站数大于等于阈值B，则输出UWB定位数据；

若全场景定位系统连接卫星数大于等于阈值A，且连接UWB基站数大于等于阈值B，则输出UWB定位数据；

若全场景定位系统连接卫星数小于阈值A，连接UWB基站数小于阈值B，则执行步骤23；

23)根据步骤一惯导辅助定位系统得到的速度、加速度、载体角速度反馈载体最终位置信息进行航向计算；判断载体的速度是否为0，如果是，则载体位置信息为惯导辅助定位系统输出定位信息，否则执行步骤24；

24)将卫星定位数据、UWB定位数据及惯导定位数据进行融合得到载体的位置信息。

6.如权利要求5所述的一种基于多模式立体联合定位的全场景定位方法，其特征在于，所述步骤24具体操作步骤如下：

241)读取步骤22输出的卫星定位数据或UWB定位数据中的速度v_g、方向θ_g和坐标(X_g、Y_g)及位置精度强弱度，读取惯导定位数据中的速度v_d、方向θ_d和坐标(X_d、Y_d)；

242)根据位置精度强弱度，调整分配因子：

式中，α₁表示卫星定位数据或UWB定位数据的分配因子，α₂表示惯导定位数据的分配因子，PDOP表示位置精度强弱度；

243)根据分配因子，求得载体的权重坐标(x₁,y₁)：

x₁＝α₁·X_g+α₂·X_d，y₁＝α₁·Y_g+α₂·Y_d

244)推算载体的位置信息(x₂,y₂)：

x₂＝x₀₁+(α₁·v_g+α₂v_d)·cos(α₁·θ_g+α₂·θ_d)，

y₂＝y₀₁+(α₁·v_g+α₂·v_d)·sin(α₁·θ_g+α₂·θ_d)；

式中，x₀₁、y₀₁表示前一时刻载体的位置信息；

245)计算分配权重：

β₁＝1-β₂；

β₁表示x₁和y₁的权重，β₂表示x₂和y₂的权重，x₀₂、y₀₂表示前第二个时刻的位置信息，v_t表示通过前两个时刻位置信息计算出的载体速度，T表示前两个时刻间的时间间隔。

246)获得载体实际位置信息：

x＝β₁·x₁+β₂·x₂，

y＝β₁·y₁+β₂·y₂。

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