CN113899370B - 一种基于gnss_uwb的多传感器组合室内外无缝定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GNSS_UWB的多传感器组合室内外无缝定位方法。本发明主要使用到UWB、Zigbee和RFID传感器，在建筑物边缘设置Zigbee基站来检测终端与建筑物距离，在建筑物的门口设立RFID阅读器检测终端环境的切换，利用Zigbee信标强度阈值进行室内外交接处遮挡环境的判断以及组合定位方式的转换；利用RFID射频识别技术进行室内外环境的判断并进行室内外定位的方式的切换。能够有效解决因室内外定位系统相互覆盖影响而引起的室内外环境判断错误，导致的定位失效和定位精度下降的情况。
Description
技术领域
本发明属于室内外无缝定位技术领域，特别是涉及一种基于GNSS_UWB的多传感器组合室内外无缝定位方法。
背景技术
随着北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)组网的全面完善、近距离通信技术、物联网技术以及无线定位技术的迅速发展，新兴应用场景对定位的需求也不再局限于单纯的室外定位和室内定位，室内外无缝定位技术成为近几年来的研究热点。
无缝定位技术是指在室内外遮挡区域与室外空旷区域范围内，能够联合采用室内外定位技术以及其他辅助识别技术以达到对室内、室外、室内外交接处的无缝覆盖，同时保证在不同场景下定位技术、定位算法和覆盖范围的平滑过渡和无缝连接。全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)可以在室外良好观测环境下取得良好的定位结果，超宽带(Ultra Wide-Band,UWB)定位技术在室内环境下可进行高精度室内定位；但在室内外交接处等复杂环境下，GNSS和UWB的定位能力和精度均受到较大影响。由于GNSS卫星信号易受到建筑物的遮挡和折射，导致观测卫星个数变少或产生多路径效应，在室内外结合处UWB信号也会遭受折射、多径或非视距误差(Non Light of Sight,NLOS)等影响；因此有必要对室内外交接处的高精度无缝定位方法进行研究。
目前，针对室内外交界处的高精度无缝定位技术主要有以下方案：
1、基于数字地图的态势感知、场景识别技术，其主要缺点是基于事先建模完成的数字地图，对终端的定位坐标和定位误差进行态势感知，判断其所处场景，后进行室内外定位方式的切换。其主要缺点是对数字地图的建模以及边缘判断有很高的要求，对终端的硬件要求高。
2、基于WiFi指纹库、信号匹配技术，其主要缺点是，WiFi指纹库的建立较为容易，但是由于WiFi信号强度的影响因素较多，比如，WiFi链接数量、建筑物材质厚度、路由器发射功率的波动，都会影响Wifi信号的强度，从而对终端位置判断造成影响。
3、基于蓝牙信标信号强度、信号匹配技术，其主要缺点是，虽然蓝牙相对Wifi更加低功耗、低成本，但是蓝牙技术有诸多限制，响应速度慢、最大连接数仅为8个、节点加入撤出速度慢，这也限制了其使用场景。
针对各个定位技术、识别技术进行了对比比较，提出了基于GNSS_UWB的多传感器组合室内外无缝定位方法。ZigBee是一种低速短距离传输的无线通信技术，主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。其具有传统网络通信技术所不可比拟的优势。其优点主要在于：①低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi仅数小时；②低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求；③短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。④高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，最多可组成65000个节点的大网。
射频识别技术半有源RFID又叫做低频激活触发技术。在通常情况下，半有源RFID产品处于休眠状态，仅对标签中保持数据的部分进行供电，因此耗电量较小，可维持较长时间。当标签进入射频识别阅读器识别范围后，阅读器先利用低频信号精确定位标签，再利用高频信号快速传输数据。其主要优点在于：①适用性：RFID技术依靠电磁波，并不需要连接双方的物理接触。②高效性：RFID系统的读写速度极快，一次传输通常不到100毫秒。高频段的RFID阅读器甚至可以同时识别、读取多个标签的内容，极大地提高了信息传输效率。③独一性：每个RFID标签都是独一无二的，可进行标签身份的识别。④简易性：RFID标签结构简单，所需读取设备简单。尤其随着NFC技术在智能手机上逐渐普及，手机都将成为最简单的RFID阅读器。
该方法主要包含三部分内容：
在室外良好观测环境下，单纯利用GNSS卫星定位即可取得良好的定位效果，此时UWB模块关闭，GNSS模块单独运行，同时Zigbee模块接收基站信号，实时检测环境的变化。
在室内外交接处等复杂环境下，受到建筑物的遮挡影响，GNSS和UWB的定位能力和精度大幅下降。当Zigbee模块接收到了基站的广播数据包，确定其信号强度大于设定的强度阈值时，判断其位于室外复杂交接区域，此时UWB模块、GNSS模块同时运行，切换为组合定位模式，对GNSS和UWB观测值采用和赫尔默估计法进行定权，后将加权的GNSS和UWB数据采用扩展卡尔曼滤波算法进行松组合定位，同时进行RFID模块、Zigbee模块信号的监测，判断定位环境的变化。
室外切换室内环境下，当RFID电子标签接收到了阅读器的识别成功数据时，且Zigbee信号强度始终大于阈值，说明终端的定位环境切换为室内，此时关闭室外GNSS定位模块，UWB定位模块单独工作，利用UWB模块进行高精度室内定位。同时终端继续Zigbee模块以及RFID模块的信号变化，判断等待。
发明内容
本发明主要针对现有技术存在的上述不足，针对各个定位技术、识别技术进行了对比比较，本发明旨在提供一种基于GNSS_UWB的多传感器组合室内外无缝定位方法，本发明在建筑物边缘设置Zigbee基站来检终端与建筑物距离，在建筑物的门口附近设立RFID阅读器检测终端环境切换，利用Zigbee信标强度阙值进行室内外交接处遮挡环境的判断以及组合定位方式的转换；利用RFID射频识别技术进行室内外环境的判断并进行室内外定位的方式的切换。能够有效解决因室内外定位系统相互覆盖影响而引起的室内外环境判断错误，导致的定位失效和定位精度下降的情况。
本发明提供一种基于GNSS_UWB的多传感器组合室内外无缝定位方法，具体包含如下步骤：
步骤S1：假设终端起始点为室外，读取终端Zigbee信号强度值，与设定阈值比较：若低于阈值，则判定终端在室外良好观测区域，则转入步骤S2；若高于阈值，则判定终端处在室内外交接处，转入步骤S3；
步骤S2：终端控制模块MCU保持GNSS模块开启、UWB模块关闭，通过GNSS定位进行位置解算，然后返回步骤S1；
步骤S3：终端控制模块MCU保持GNSS模块开启、并开启UWB模块，终端同时接收GNSS观测值以及UWB观测值，采用插值方式搜索与GNSS历元最近的UWB历元进行时间上的匹配，实现GNSS/UWB时间同步，采用赫尔默特估计法对两种观测数据进行定权，将加权的GNSS和UWB数据进行组合定位，对终端进行位置结算；然后跳转运行步骤S4；
步骤S4：当前处于室内外交接处，读取终端Zigbee模块信号强度值，并监测RFID模块接收的信号：当RFID电子标签接收到阅读器信号，则表明终端即将进入室内环境，终端控制模块MCU关闭GNSS模块、并保持UWB模块开启；用室内入口坐标对初始坐标进行优化修正，然后进入室内进行UWB定位，跳转至步骤S5；未接收到RFID阅读器的识别信号，且Zigbee信号强度始终大于设定阈值，则跳回步骤S3，进行GNSS_UWB组合定位；当Zigbee信号强度低于设定阈值，则说明终端进入室外良好观测区域，跳转至步骤S2，进行GNSS定位；
步骤S5：室内环境下，进行UWB单独定位，首先，对UWB基站进行标定，获得测距模型；终端获取终端与基站之间的距离信息；利用标定好的测距模型对距离信息进行预处理，后由EKF或粒子滤波算法等进行解算；跳转至步骤S6；
步骤S6：当前处于室内环境，监测RFID模块接收的信号，若RFID电子标签接收到了阅读器的识别成功数据，则终端由室内转至室内外交接处，则跳转至步骤S4；若未接收到阅读器识别信号，则跳回步骤S5，继续室内定位解算。
作为本发明进一步改进，所述步骤3中定权的步骤如下：
1)对GNSS、UWB的观测量的权重赋一个经验初值P1、P2；
2)通过间接平差，求出V1 TP1V1、其中V1、V2分别为GNSS、UWB独立观测值的平差改正数；
3)根据赫尔默特估算方法进行初始分量的估计：
式中：
其中，为单位数方差；n1，n2为GNSS与UWB对应的卫星或基站个数；tr()为矩阵的迹；N＝N1+N2，N1、N2分别为GNSS、UWB系统观测方程形成的方法方程系数矩阵；Wθ为GNSS、UWB独立观测值的平差改正数矩阵；S，Wθ均为中间变量；
4)根据以上公式求出单位数方差后重新定权：
其中c为任意常数，一般取的某一中间值；
5)按照步骤2)、3)进行反复迭代更新与/>直到二者的比值收敛于1；
具体实现中将不等式作为收敛条件。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、本发明的基于GNSS_UWB的多传感器组合室内外无缝定位方法，采用了RFID_Zigbee技术进行室内外无缝切换方法的实现，具有低耗电、低成本、支持大量网上节点、低复杂度、快速、可靠、安全的优点，适用于各种不同定位场景；利用两种技术实现三场景切换，利用Zigbee阈值实现室外、室内外交接处的切换，利用RFID实现室内、室外的切换，使切换方案更加合理、高效。
2、本发明的方法，在室内外交接处环境，GNSS信号易受建筑物遮挡和，定位精度、稳定性下降。利用赫尔默特方差估计方法对GNSS、UWB观测值进行定权后，使用GNSS和UWB信号进行紧组合定位，弥补了GNSS在复杂环境下的精度稳定性下降的问题，是室内外交接处可提供稳定可靠定位。
3、本发明使用的RFID技术、GNSS定位技术、UWB技术、Zigbee技术在智能手机等终端设备都有集成，有益于集成于智能设备、扩展应用环境：对于使用者来说，该方法相对于已有技术(蓝牙、WiFI)方法更低功耗，对于服务提供者来说，Zigbee技术和RFID技术都支持更大量的节点，可减少基站的布设，给更多终端提供服务。
附图说明
图1为本发明涉及的定位标签的结构原理示意框图；
图2为本发明涉及的定位系统切换基站的结构原理示意框图；
图3为本发明涉及的Zigbee_RFID辅助GNSS_UWB室内外无缝定位方法流程图；
图4为本发明涉及的GNSS/UWB组合定位原理框图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明旨在提供一种基于GNSS_UWB的多传感器组合室内外无缝定位方法，本发明在建筑物边缘设置Zigbee基站来检终端与建筑物距离，在建筑物的门口附近设立RFID阅读器检测终端环境切换，利用Zigbee信标强度阙值进行室内外交接处遮挡环境的判断以及组合定位方式的转换；利用RFID射频识别技术进行室内外环境的判断并进行室内外定位的方式的切换。能够有效解决因室内外定位系统相互覆盖影响而引起的室内外环境判断错误，导致的定位失效和定位精度下降的情况。
如图1所示，本发明涉及的室内外无缝定位系统中定位标签结构包含一下七个模块：MCU控制模块、供电模块、通信模块、RFID模块、Zigbee模块、GNSS模块、UWB模块。当定位标签处于室外环境下，定位标签与GNSS定位系统进行通讯获取卫星定位数据并解算得到位置；当定位标签处于室内外交接处，MCU控制GNSS模块、UWB模块开启，进行GNSS/UWB组合定位；上述两种场景的切换通过Zigbee模块信号强度值与设定的阈值比较判断；当定位标签处于室内环境下，MCU控制开启UWB模块、关闭GNSS模块，进行UWB室内定位解算；室内与室外环境的切换通过RFID模块接收信号来判断。
如图2所示，本发明涉及的室内外无缝定位系统中定位系统切换基站结构包含一下六个模块：MCU控制模块、供电模块、通信模块、RFID阅读器、Zigbee基站、UWB模块。Zigbee模块用于上述室外环境与室内外交接处环境之间的切换判断基准；RFID阅读器用于室内环境、室外环境之间的切换判断基准；通信模块用于与标签之间的信息通讯。
考虑到现有室内外无缝定位方法功耗高、可支持节点少、设备成本高、室内外切换条件限定不清楚、容错率不高、鲁棒性不强、切换方法不完善等缺点，本发明对室内外无缝定位方法做出了以下改进：
1、采用了RFID_Zigbee技术进行室内外无缝切换方法的实现。同时利用两种不同技术实现三种场景的切换，利用Zigbee阈值实现室外、室内外交接处的切换，利用RFID实现室内、室内外交接处的切换，使切换方案更加合理、高效、提高系统容错率、鲁棒性。
2、在室内外交接处，GNSS信号易受建筑物遮挡，定位精度、稳定性下降。利用赫尔默特方差估计法对两观测值进行定权后，使用GNSS和UWB信号进行紧组合定位，弥补了GNSS在复杂环境下的精度稳定性下降的问题。
3、使用的RFID技术、GNSS定位技术、UWB技术、Zigbee技术在智能手机等终端设备都有集成，有益于该方法集成于智能设备，Zigbee技术和RFID技术都支持更大量的节点，可减少基站的布设，给更多终端提供服务，减少成本。
如图3所示，Zigbee_RFID辅助GNSS_UWB室内外无缝定位切换方法流程框图，其整体实施步骤包括：
S1.在定位室内区域布设UWB基站，要求基站在同一高度且覆盖整个定位区域；室内外门口处设置定位系统切换基站；室外墙沿处设置UWB基站，直线等间距放置。
S2.待定位人员携带定位标签。
S3.读取Zigbee信号强度值，与预先设定的阈值进行比较：若小于阈值，说明待定位人员始终在室外良好观测区域，则转入步骤S4；若大于阈值，说明待定位人员处在室内外交接处的复杂环境内，则转入步骤S5；
S4.待定位人员处于卫星良好观测区域，标签GNSS模块开启、UWB模块关闭。采用GPS、BDS组合相对定位模型，进行GNSS相对差分定位，重复进行步骤S1。
S5.待定位人员处于室内外交接区域，标签GNSS模块开启、UWB模块开启。同时接收GNSS观测值以及UWB观测值，采用插值方式搜索与GNSS历元最近的UWB历元进行时间上的匹配，实现GNSS/UWB时间同步，采用赫尔默特估计法对两种观测数据进行定权，后将加权的GNSS和UWB数据进行紧组合定位，进行位置解算。跳转至步骤S6。
S6.读取Zigbee信号强度值，并监测RFID模块信号：当RFID电子标签识别成功，说明待定位人员进入室内环境，标签GNSS模块关闭、UWB模块开启。根据预设室内入口坐标对此时刻定位坐标进行修正，后进入室内进行UWB单独定位，跳转至步骤S7。若未接收到RFID识别信号，则跳回步骤S5，进行GNSS_UWB组合定位。若未受到RFID识别信号，且Zigbee模块信号强度低于设定阈值，则说明终端进入室外良好观测区域，跳转至步骤S4，进行GNSS定位。
S7.待定位人员处于室内环境下，进行UWB单独定位或组融合其他传感器进行组合定位，本实施例采用NOOPLOOP的产品LTP，采用IMU辅助UWB进行室内定位。首先，对UWB各个基站进行标定，获得测距模型；UWB模块获取标签与基站之间的测距信息，后对测距信息进行预处理，剔除异常值，作为EKF的观测数据之一；
IMU输岀终端的加速度与角速度等信息，首先采用惯导方法进行解算，获得姿态、速度、位置等信息，并将速度与位置作为EKF的观测数据之二；
最后，利用EFK算法得到导航信息的误差估计并与惯导解算出的导航信息做差，得到UWB/IMU紧组合的定位结果，实现室内环境下精准定位。跳转至步骤S6；
S8.监测RFID模块接收的信号。若标签接收到RFID识别信息，则待定位人员由室内转至室外，则跳转至步骤S4；若未接收到识别信号，则跳回步骤S5。
如图4所示，GNSS/UWB组合定位方法的关键是GNSS数据与UWB数据的观测值定权方法和组合定位模型的构建，其S5定位包括：
GNSS/UWB观测值定权方法：
本实施例采用赫尔默特方差估计方法进行定权，其简要公式为：
1)采用经验值对GNSS/UWB组合定位系统的各个观测量的权重赋初值P1、P2。
2)进行间接平差，求出V1 TP1V1、
3)按赫尔默特估算公式进行第1次分量估计为
式中：
其中，N＝N1+N2，N1、N2分别为2系统观测方程形成的方法方程系数矩阵。
4)求出单位数方差并重新定权为
其中c为任一常数，一般取的某一中间值。
5)按照2)、3)步骤反复迭代与/>使的比值收敛于1。
程序中将不等式作为收敛条件。
GNSS/UWB组合定位模型：
在GNSS/UWB组合定位的过程中，标签概略坐标由GNSS伪距单点定位获取。若可见卫星数过少将导致概略坐标困难。若能够将UWB的观测方程加入到GNSS观测方程中，并将UWB基准站看做伪卫星，可以增加有效观测值个数，进行GNSS/UWB组合定位解算坐标。
根据GNSS伪距双差方程和UWB观测方程泰勒级数线性展开式可反演得到GNSS/UWB线性化后的观测模型为
参数解算方法可选择最小二乘法，选择p号GPS卫星和s号BDS卫星为参考卫星，根据最小二乘原理得X＝(BTPB)-1BTPL，求得坐标改正数及单差模糊度浮点解。其中：
P为权阵，由赫尔默特方差估计方法获得。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (2)
1.一种基于GNSS_UWB的多传感器组合室内外无缝定位方法，其特征在于，具体包含如下步骤：
步骤S1：假设终端起始点为室外，读取终端Zigbee信号强度值，与设定阈值比较：若低于阈值，则判定终端在室外良好观测区域，则转入步骤S2；若高于阈值，则判定终端处在室内外交接处，转入步骤S3；
步骤S2：终端控制模块MCU保持GNSS模块开启、UWB模块关闭，通过GNSS定位进行位置解算，然后返回步骤S1；
步骤S3：终端控制模块MCU保持GNSS模块开启、并开启UWB模块，终端同时接收GNSS观测值以及UWB观测值，采用插值方式搜索与GNSS历元最近的UWB历元进行时间上的匹配，实现GNSS/UWB时间同步，采用赫尔默特估计法对两种观测数据进行定权，将加权的GNSS和UWB数据进行组合定位，对终端进行位置结算；然后跳转运行步骤S4；
步骤S4：当前处于室内外交接处，读取终端Zigbee模块信号强度值，并监测RFID模块接收的信号：当RFID电子标签接收到阅读器信号，则表明终端即将进入室内环境，终端控制模块MCU关闭GNSS模块、并保持UWB模块开启；用室内入口坐标对初始坐标进行优化修正，然后进入室内进行UWB定位，跳转至步骤S5；未接收到RFID阅读器的识别信号，且Zigbee信号强度始终大于设定阈值，则跳回步骤S3，进行GNSS_UWB组合定位；当Zigbee信号强度低于设定阈值，则说明终端进入室外良好观测区域，跳转至步骤S2，进行GNSS定位；
步骤S5：室内环境下，进行UWB单独定位，首先，对UWB基站进行标定，获得测距模型；终端获取终端与基站之间的距离信息；利用标定好的测距模型对距离信息进行预处理，后由EKF或粒子滤波算法等进行解算；跳转至步骤S6；
步骤S6：当前处于室内环境，监测RFID模块接收的信号，若RFID电子标签接收到了阅读器的识别成功数据，则终端由室内转至室内外交接处，则跳转至步骤S4；若未接收到阅读器识别信号，则跳回步骤S5，继续室内定位解算。
2.根据权利要求书1所述一种基于GNSS_UWB的多传感器组合室内外无缝定位方法，其特征在于：所述步骤3中定权的步骤如下：
1)对GNSS、UWB的观测量的权重赋一个经验初值P1、P2；
2)通过间接平差，求出V1 TP1V1、其中V1、V2分别为GNSS、UWB独立观测值的平差改正数；
3)根据赫尔默特估算方法进行初始分量的估计：
式中：
其中，为单位数方差；n1，n2为GNSS与UWB对应的卫星或基站个数；tr()为矩阵的迹；N＝N1+N2，N1、N2分别为GNSS、UWB系统观测方程形成的方法方程系数矩阵；Wθ为GNSS、UWB独立观测值的平差改正数矩阵；S，Wθ均为中间变量；
4)根据以上公式求出单位数方差后重新定权：
其中c为任意常数，取的某一中间值；
5)按照步骤2)、3)进行反复迭代更新与/>直到二者的比值收敛于1；
具体实现中将不等式作为收敛条件。
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