CN114814919A - 一种基于伪卫星和uwb的融合定位系统及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于伪卫星和UWB的融合定位系统及定位方法。该融合定位系统包括多个一体化基站组成的伪卫星定位星座，以及用于接收基站信号进行位置坐标计算和导航的一体化接收机。一体化基站和一体化接收机均由伪卫星模块和UWB模块组成，伪卫星模块和UWB模块共用多频段天线收发伪卫星信号和UWB信号并由同一时钟驱动；一体化基站使用同一1PPS信号触发产生伪卫星信号和UWB信号，保证两种信号严格时钟同步；一体化接收机的伪卫星模块和UWB模块协调产生1PPS授时信号并联合解算出定位信息。该发明大大提高了室内定位精度，使定位结果更加可靠稳定。

Description

一种基于伪卫星和UWB的融合定位系统及定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于伪卫星和UWB的融合定位系统及定位方法，属于无线电导航定位技术领域。
背景技术
随着技术的发展，人们对室内定位精度的要求越来越高，使用2种及以上的定位技术进行融合以获得优于单一技术的定位性能，是目前室内定位的主要研究方向。
伪卫星系统播发定位信号的载波频率和信号体制可以自行调整和变换，具有较高的灵活性。使用载波相位测量法可获得厘米级精度并可以提供授时服务和建立时间基准，能够满足在卫星信号遮挡严重的室内区域进行定位。然而室内环境复杂多变，伪卫星信号在室内传播时会受到无线信道的影响，存在功率衰落、多径效应等问题，以至于接收机无法正常完成信号的捕获和跟踪过程，影响定位结果。伪卫星载波相位观测定位法存在整周模糊度问题，还会产生整周跳变现象，故需要其它条件进行辅助。UWB（即超宽带，Ultra WideBand）技术利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，具有很强的穿透能力和较好的抗干扰效果，采用TOF方法可在室内快速实现定位。使用UWB定位技术作为伪卫星定位方法的补充，以实现提高定位精度和定位结果的稳定性。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决伪卫星高精度、高稳定性的室内定位问题，设计一种基于伪卫星和UWB的融合定位系统及定位方法。该定位系统和方法将UWB定位方法与载波相位定位法进行融合，利用UWB定位结果来初始化载波相位定位方法中的整周模糊度初值，并约束载波相位定位的定位结果，可以提供可靠的高精度定位服务。
技术方案：本发明解决上述技术问题的方法通过如下的技术方案实现：
本发明的一种基于伪卫星和UWB的融合定位系统，包括布设在室内的多个伪卫星基站组成伪卫星定位星座，以及用于接收多个伪卫星基站信号进行位置坐标计算和导航的多个一体化接收机；每个伪卫星基站包括基站天线模块、基站伪卫星模块、基站UWB模块、基站时钟模块；每个一体化接收机包括接收机天线模块、接收机伪卫星模块、接收机UWB模块、接收机时钟模块、定位结算模块；基站天线模块和接收机天线模块均采用多频段共用天线，针对频点约为1.5GHz的伪卫星信号和频点约为3.7GHz～6.5GHz的UWB信号，可实现同时发射或接收伪卫星信号和UWB信号。
进一步地，所述基站时钟模块用于提供系统工作时钟，同时提供1PPS信号作为起始脉冲和触发脉冲，保证伪卫星信号和UWB信号的时钟同步。
进一步地，所述基站伪卫星模块包括基带信号生成模块和射频模块；所述基带信号生成模块产生中频信号，包括导航电文生成、PRN码生成、中频载波生成三个部分，经过信号调制输出数字信号；所述射频模块包括D/A数模转换电路、上变频电路，D/A数模转换电路将经过信号调制的数字信号转换为模拟信号，再通过上变频电路可输出所需的伪卫星信号。
进一步地，所述基站UWB模块包括主控模块和射频模块；所述主控模块以MCU为核心，用以控制射频模块；所述射频模块以UWB射频芯片为核心，产生和接收UWB信号。
进一步地，所述接收机伪卫星模块包括射频模块和基带信号处理模块；所述射频模块包括下变频电路、A/D模数转换电路，进而输出基带信号；所述下变频电路用于将天线模块接收得伪卫星信号下变频为中频信号，A/D模数转换电路通过采样将模拟信号转化为数字信号；所述基带信号处理模块对信号进行捕获、跟踪，解调出导航电文，获得包括伪距观测量、载波相位观测值等原始观测量信息。
进一步地，所述接收机UWB模块包括射频模块和主控模块；所述射频模块以UWB射频芯片为核心，接收和产生UWB信号；所述主控模块以MCU为核心，用以控制射频模块和输出位置信息。
进一步地，所述接收机时钟模块用于提供系统工作时钟，并通过获得伪卫星模块和UWB模块产生的不同的1pps信号，修正得到精准的1pps授时信号。
用上述基于伪卫星和UWB的融合定位系统进行伪卫星和UWB融合定位的方法，该方法包含以下步骤：
步骤1：UWB测距值获取和定位；
步骤2：载波相位定位算法初始化；
步骤3：在初始化后，依据当前观测量信息进行持续的跟踪定位；
步骤4：PVT定位结算，输出定位结果。
进一步地，步骤1中所述UWB测距值获取是根据TOF定位方法快速获取到用户接收机与各基站的距离测量值，进一步运算可得到UWB定位结果。
进一步地，步骤2中所述载波相位定位算法初始化是在载波相位定位算法中，有两种情况下需要对载波相位定位算法进行整周模糊度的初始化：
第一种情况是室内定位初始状态，当接收机初始进入室内环境中还未进行定位时，接收机依靠UWB定位结果对其进行初始化，从而使载波相位整周模糊度获得一个初值，然后逐渐收敛达到高精度定位效果；
第二种情况是接收机载波相位产生周跳后，周跳现象会造成载波相位定位的不连续，再次进行整周模糊度估计及载波相位定位结果收敛时需要一个初值进行约束搜索范围，这时候初值的给定除了基于UWB定位结果外，还可以依据周跳前的定位结果；
载波相位模糊度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
的固定基于载波双差平方值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，伪卫星载波相位观测方程如式（1）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（1）
载波双差平方值如式（2）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（2）
将式（1）带入式（2）并线性化，得载波双差平方观测方程的线性表达式（3）：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（3）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为第i个伪卫星基站的位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为第j个伪卫星基站的位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为用户接收机位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
分别为第i个伪卫星基站的位置
Figure 841656DEST_PATH_IMAGE012
、第j个伪卫星基站的位置
Figure 447212DEST_PATH_IMAGE014
与用户接收机位置
Figure 695791DEST_PATH_IMAGE016
之间的载波相位观测量，
Figure 950054DEST_PATH_IMAGE004
为
Figure 187263DEST_PATH_IMAGE018
的双差平方值，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为载波相位模糊度，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
分别为伪卫星和接收机钟差，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为随机噪声，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
分别为附有模糊度的参数、附有伪卫星钟差的参数，b为系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为线性项，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为附有伪卫星基站、接收机坐标和随机误差的参数项；通过以上方法，消去伪卫星钟差、接收机钟差，基于初始值固定载波相位的初始模糊度。
进一步地，步骤4中所述PVT定位结算是先得到载波相位观测方程，将方程线性化后使用抗差最小二乘法得到整周模糊度的浮点解，再通过LAMBDA算法得到模糊度整数解，最终输出高精度定位结果；
所述抗差最小二乘法可削弱小周跳和粗差对测速结果的影响，若观测方程如式（4）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
（4）
式中，L为观测向量，A为设计矩阵，x为待估参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为观测噪声；则式（4）的抗差最小二乘解如式（5）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
（5）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为抗差最小二乘解，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为等价权矩阵；
所述LAMBDA算法通过对模糊度参数及其协方差矩阵进行整数高斯变换，实现模糊度的降相关，并建立搜索空间以求得最优整数解。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明提出的一种基于伪卫星和UWB的融合定位系统中，所述基站天线模块和所述接收机天线模块均采用多频段共用天线，用于收发双频点信号，可同时发射或接收伪卫星信号和UWB信号，提高定位精度并减少了布设成本。融合定位方法使用UWB定位技术作为载波相位定位方法的补充，利用TOF方法实现室内快速定位，然后将UWB定位结果作为初值输入到载波相位定位方法中。该方法解决了伪卫星室内定位结果过渡依赖于载波相位定位的问题，使定位结果更加快速可靠稳定。
附图说明
图1是本发明基于伪卫星和UWB融合定位系统及定位方法的基本原理框架图。
图2是本发明基于伪卫星和UWB融合定位系统的一体化基站装置硬件组成模块示意图。
图3是本发明基于伪卫星和UWB融合定位系统的一体化接收机装置硬件组成模块示意图。
图4是本发明基于伪卫星和UWB融合定位系统及定位方法的整体流程图。
具体实施方式
以下结合实施例和说明书附图，详细说明本发明的实施过程。
实施例1：
如图1所示，本实施例的一种基于伪卫星和UWB的融合定位系统，包括布设在室内的多个伪卫星基站组成伪卫星定位星座，以及用于接收多个伪卫星基站信号进行位置坐标计算和导航的多个一体化接收机；每个所述伪卫星基站包括基站天线模块、基站伪卫星模块、基站UWB模块、基站时钟模块；每个所述一体化接收机包括接收机天线模块、接收机伪卫星模块、接收机UWB模块、接收机时钟模块、PVT定位结算模块；所述基站天线模块和所述接收机天线模块均采用多频段共用天线，针对频点约为1.5GHz的伪卫星信号和频点约为3.7GHz～6.5GHz的UWB信号，可实现同时发射或接收伪卫星信号和UWB信号。
如图2所示，本实施例中所述伪卫星基站包括基站天线模块、基站伪卫星模块、基站UWB模块、基站时钟模块。
其中，所述基站时钟模块用于提供系统工作时钟，同时提供1PPS信号作为起始脉冲和触发脉冲，保证伪卫星信号和UWB信号的时钟同步。
其中，所述基站伪卫星模块包括基带信号生成模块和射频模块；所述基带信号生成模块产生中频信号，包括导航电文生成、PRN码生成、中频载波生成三个部分，经过信号调制输出数字信号；所述射频模块包括D/A数模转换电路、上变频电路，D/A数模转换电路将经过信号调制的数字信号转换为模拟信号，再通过上变频电路可输出所需的伪卫星信号。
其中，所述基站UWB模块包括主控模块和射频模块；所述主控模块以MCU为核心，用以控制射频模块；所述射频模块以UWB射频芯片为核心，产生和接收UWB信号。
如图3所示，本实施例所述一体化接收机包括接收机天线模块、接收机伪卫星模块、接收机UWB模块、接收机时钟模块、定位结算模块。
其中，所述接收机伪卫星模块包括射频模块和基带信号处理模块；所述射频模块包括下变频电路、A/D模数转换电路，进而输出基带信号；所述下变频电路用于将天线模块接收得伪卫星信号下变频为中频信号，A/D模数转换电路通过采样将模拟信号转化为数字信号；所述基带信号处理模块对信号进行捕获、跟踪，解调出导航电文，获得包括伪距观测量、载波相位观测值等原始观测量信息。
其中，所述接收机UWB模块包括射频模块和主控模块；所述射频模块以UWB射频芯片为核心，接收和产生UWB信号；所述主控模块以MCU为核心，用以控制射频模块和输出位置信息。
其中，所述接收机时钟模块用于提供系统工作时钟，并通过获得伪卫星模块和UWB模块产生的不同的1pps信号，修正得到精准的1pps授时信号。
如图4所示，本实施例所述基于伪卫星和UWB的融合定位系统进行伪卫星和UWB融合定位的方法，该方法包含以下步骤：
步骤1：UWB测距值获取和定位；
步骤2：载波相位定位算法初始化；
步骤3：在初始化后，依据当前观测量信息进行持续的跟踪定位；
步骤4：PVT定位结算，输出定位结果。
进一步地，步骤1中所述UWB测距值获取是根据TOF定位方法快速获取到用户接收机与各基站的距离测量值，进一步运算可得到UWB定位结果。
进一步地，步骤2中所述载波相位定位算法初始化是在载波相位定位算法中，有两种情况下需要对载波相位定位算法进行整周模糊度的初始化：
第一种情况是室内定位初始状态，当接收机初始进入室内环境中还未进行定位时，接收机依靠UWB定位结果对其进行初始化，从而使载波相位整周模糊度获得一个初值，然后逐渐收敛达到高精度定位效果；
第二种情况是接收机载波相位产生周跳后，周跳现象会造成载波相位定位的不连续，再次进行整周模糊度估计及载波相位定位结果收敛时需要一个初值进行约束搜索范围，这时候初值的给定除了基于UWB定位结果外，还可以依据周跳前的定位结果；
载波相位模糊度
Figure 476904DEST_PATH_IMAGE002
的固定基于载波双差平方值
Figure 9516DEST_PATH_IMAGE004
，伪卫星载波相位观测方程如式（1）所示：
Figure 395367DEST_PATH_IMAGE006
（1）
载波双差平方值如式（2）所示：
Figure 1929DEST_PATH_IMAGE008
（2）
将式（1）带入式（2）并线性化，得载波双差平方观测方程的线性表达式（3）：
Figure 683708DEST_PATH_IMAGE010
（3）
式中，
Figure 844562DEST_PATH_IMAGE012
为第i个伪卫星基站的位置，
Figure 565263DEST_PATH_IMAGE014
为第j个伪卫星基站的位置，
Figure 229593DEST_PATH_IMAGE016
为用户接收机位置，
Figure 144591DEST_PATH_IMAGE018
分别为第i个伪卫星基站的位置
Figure 323899DEST_PATH_IMAGE012
、第j个伪卫星基站的位置
Figure 520394DEST_PATH_IMAGE014
与用户接收机位置
Figure 101548DEST_PATH_IMAGE016
之间的载波相位观测量，
Figure 797234DEST_PATH_IMAGE004
为
Figure 713106DEST_PATH_IMAGE018
的双差平方值，
Figure 464025DEST_PATH_IMAGE020
为载波相位模糊度，
Figure 915997DEST_PATH_IMAGE022
为波长，
Figure 953223DEST_PATH_IMAGE024
为频率，
Figure 762916DEST_PATH_IMAGE026
分别为伪卫星和接收机钟差，
Figure 911001DEST_PATH_IMAGE028
为随机噪声，
Figure 466747DEST_PATH_IMAGE030
分别为附有模糊度的参数、附有伪卫星钟差的参数，b为系数，
Figure 97711DEST_PATH_IMAGE032
为线性项，
Figure 676591DEST_PATH_IMAGE034
为附有伪卫星基站、接收机坐标和随机误差的参数项；通过以上方法，消去伪卫星钟差、接收机钟差，基于初始值固定载波相位的初始模糊度。
进一步地，步骤4中所述PVT定位结算是先得到载波相位观测方程，将方程线性化后使用抗差最小二乘法得到整周模糊度的浮点解，再通过LAMBDA算法得到模糊度整数解，最终输出高精度定位结果；
所述抗差最小二乘法可削弱小周跳和粗差对测速结果的影响，若观测方程如式（4）所示：
Figure 284158DEST_PATH_IMAGE036
（4）
式中，L为观测向量，A为设计矩阵，x为待估参数，
Figure 694411DEST_PATH_IMAGE038
为观测噪声；则式（4）的抗差最小二乘解如式（5）所示：
Figure 339019DEST_PATH_IMAGE040
（5）
式中，
Figure 952665DEST_PATH_IMAGE042
为抗差最小二乘解，
Figure 114656DEST_PATH_IMAGE044
为等价权矩阵；
所述LAMBDA算法通过对模糊度参数及其协方差矩阵进行整数高斯变换，实现模糊度的降相关，并建立搜索空间以求得最优整数解。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (11)

1.一种基于伪卫星和UWB的融合定位系统，包括布设在室内的多个伪卫星基站组成伪卫星定位星座，以及用于接收多个伪卫星基站信号进行位置坐标计算和导航的多个一体化接收机；其特征在于，每个所述伪卫星基站包括基站天线模块、基站伪卫星模块、基站UWB模块、基站时钟模块；每个所述一体化接收机包括接收机天线模块、接收机伪卫星模块、接收机UWB模块、接收机时钟模块、PVT定位结算模块；所述基站天线模块和所述接收机天线模块均采用多频段共用天线，针对频点约为1.5GHz的伪卫星信号和频点为3.7GHz～6.5GHz的UWB信号，能够实现同时发射或接收伪卫星信号和UWB信号。
2.根据权利要求1所述的基于伪卫星和UWB的融合定位系统，其特征在于，所述基站时钟模块用于提供系统工作时钟，同时提供1PPS信号作为起始脉冲和触发脉冲，保证伪卫星信号和UWB信号的时钟同步。
3.根据权利要求1或2所述的基于伪卫星和UWB的融合定位系统，其特征在于，所述基站伪卫星模块包括基带信号生成模块和射频模块；所述基带信号生成模块产生中频信号，包括导航电文生成、PRN码生成、中频载波生成三个部分，经过信号调制输出数字信号；所述射频模块包括D/A数模转换电路、上变频电路，D/A数模转换电路将经过信号调制的数字信号转换为模拟信号，再通过上变频电路可输出所需的伪卫星信号。
4.根据权利要求3所述的基于伪卫星和UWB的融合定位系统，其特征在于，所述基站UWB模块包括主控模块和射频模块；所述主控模块以MCU为核心，用以控制射频模块；所述射频模块以UWB射频芯片为核心，产生和接收UWB信号。
5.根据权利要求1所述的基于伪卫星和UWB的融合定位系统，其特征在于，所述接收机伪卫星模块包括射频模块和基带信号处理模块；所述射频模块包括下变频电路、A/D模数转换电路，进而输出基带信号；所述下变频电路用于将天线模块接收得伪卫星信号下变频为中频信号，A/D模数转换电路通过采样将模拟信号转化为数字信号；所述基带信号处理模块对信号进行捕获、跟踪，解调出导航电文，获得包括伪距观测量、载波相位观测值的原始观测量信息。
6.根据权利要求5所述的基于伪卫星和UWB的融合定位系统，其特征在于，所述接收机UWB模块包括射频模块和主控模块；所述射频模块以UWB射频芯片为核心，接收和产生UWB信号；所述主控模块以MCU为核心，用以控制射频模块和输出位置信息。
7.根据权利要求5或6所述的基于伪卫星和UWB的融合定位系统，其特征在于，所述接收机时钟模块用于提供系统工作时钟，并通过获得伪卫星模块和UWB模块产生的不同的1pps信号，修正得到精准的1pps授时信号。
8.一种用权利要求1-7之一所述基于伪卫星和UWB的融合定位系统进行伪卫星和UWB融合定位的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
步骤1：UWB测距值获取和定位；
步骤2：载波相位定位算法初始化；
步骤3：在初始化后，依据当前观测量信息进行持续的跟踪定位；
步骤4：PVT定位结算，输出定位结果。
9.根据权利要求8所述的伪卫星和UWB融合定位的方法，其特征在于，步骤1中所述UWB测距值获取是根据TOF定位方法快速获取到用户接收机与各基站的距离测量值，进一步运算可得到UWB定位结果。
10.根据权利要求8或9所述的伪卫星和UWB融合定位的方法，其特征在于，步骤2中所述载波相位定位算法初始化是在载波相位定位算法中，有两种情况下需要对载波相位定位算法进行整周模糊度的初始化：
第一种情况是室内定位初始状态，当接收机初始进入室内环境中还未进行定位时，接收机依靠UWB定位结果对其进行初始化，从而使载波相位整周模糊度获得一个初值，然后逐渐收敛达到高精度定位效果；
第二种情况是接收机载波相位产生周跳后，周跳现象会造成载波相位定位的不连续，再次进行整周模糊度估计及载波相位定位结果收敛时需要一个初值进行约束搜索范围，这时候初值的给定基于UWB定位结果或者依据周跳前的定位结果；
载波相位模糊度
Figure 286663DEST_PATH_IMAGE002
的固定基于载波双差平方值
Figure 531700DEST_PATH_IMAGE004
，伪卫星载波相位观测方程如式（1）所示：
Figure 108175DEST_PATH_IMAGE006
（1）
载波双差平方值如式（2）所示：
Figure 67166DEST_PATH_IMAGE008
（2）
将式（1）带入式（2）并线性化，得载波双差平方观测方程的线性表达式（3）：
Figure 412696DEST_PATH_IMAGE010
（3）
式中，
Figure 297476DEST_PATH_IMAGE012
为第i个伪卫星基站的位置，
Figure 626826DEST_PATH_IMAGE014
为第j个伪卫星基站的位置，
Figure 153622DEST_PATH_IMAGE016
为用户接收机位置，
Figure 648932DEST_PATH_IMAGE018
分别为第i个伪卫星基站的位置
Figure 235771DEST_PATH_IMAGE012
、第j个伪卫星基站的位置
Figure 85041DEST_PATH_IMAGE014
与用户接收机位置
Figure 353211DEST_PATH_IMAGE016
之间的载波相位观测量，
Figure 938913DEST_PATH_IMAGE004
为
Figure 165495DEST_PATH_IMAGE018
的双差平方值，
Figure 203858DEST_PATH_IMAGE020
为载波相位模糊度，
Figure 275720DEST_PATH_IMAGE022
为波长，
Figure 214463DEST_PATH_IMAGE024
为频率，
Figure 346367DEST_PATH_IMAGE026
分别为伪卫星和接收机钟差，
Figure 872027DEST_PATH_IMAGE028
为随机噪声，
Figure 747579DEST_PATH_IMAGE030
分别为附有模糊度的参数、附有伪卫星钟差的参数，b为系数，
Figure 42294DEST_PATH_IMAGE032
为线性项，
Figure 377723DEST_PATH_IMAGE034
为附有伪卫星基站、接收机坐标和随机误差的参数项；通过以上方法，消去伪卫星钟差、接收机钟差，基于初始值固定载波相位的初始模糊度。
11.根据权利要求8或9所述的伪卫星和UWB融合定位的方法，其特征在于，步骤4中所述PVT定位结算是先得到载波相位观测方程，将方程线性化后使用抗差最小二乘法得到整周模糊度的浮点解，再通过LAMBDA算法得到模糊度整数解，最终输出高精度定位结果；
所述抗差最小二乘法可削弱小周跳和粗差对测速结果的影响，观测方程如式（4）所示：
Figure 859520DEST_PATH_IMAGE036
（4）
式中，L为观测向量，A为设计矩阵，x为待估参数，
Figure 538763DEST_PATH_IMAGE038
为观测噪声；则式（4）的抗差最小二乘解如式（5）所示：
Figure 953563DEST_PATH_IMAGE040
（5）
式中，
Figure 692849DEST_PATH_IMAGE042
为抗差最小二乘解，
Figure 426057DEST_PATH_IMAGE044
为等价权矩阵；
所述LAMBDA算法通过对模糊度参数及其协方差矩阵进行整数高斯变换，实现模糊度的降相关，并建立搜索空间以求得最优整数解。
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