CN115793007A - 一种应用于导航服务的多源融合定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于导航服务的多源融合定位方法，所述方法包括在每个时刻执行如下步骤：S1、响应于使用导航服务的目标对象的定位需求，获取目标对象所在环境参数；S2、基于预设的规则根据步骤S1获取的环境参数选择对应的定位方式以定位目标对象，其中，定位方式为BDS定位方法、BDS定位+惯性导航定位方式、惯性导航定位方式、UWB定位方式、UWB定位+惯性导航定位方式中的一种；S3、基于步骤S2选择的定位方式输出当前时刻目标对象的定位结果。本发明融合了BDS、UWB、IMU的定位方式，可以解决卫星信号传播受限、位置定位精度较低、导航路线不够完善等问题，实现导航定位中连续轨迹的准确定位和平滑过渡。

Description

一种应用于导航服务的多源融合定位方法及装置

技术领域

本发明涉及移动定位领域，具体来说，涉及目标对象移动导航服务的高精度定位领域，更具体地说，涉及一种应用于导航服务的多源融合定位方法及装置。

背景技术

导航服务是人们日常生活中出行比不可少的一项技术，导航服务的优劣取决于定位的准确度。现有技术下，有多种定位方式，例如卫星定位、基于超宽带信号(UWB)的定位等，但是现有技术下的这些定位方式都无法实现持续的高精度定位。例如，卫星定位在室内、隧道等遮挡环境中由于无法获得卫星信号而变得不可以；又如，单纯使用UWB信息的定位方式，虽然解算轨迹有时候与真实轨迹贴合比较好，但是会存在某些解算点跳跃跨度大，定位点缺失的情况。对于导航服务的应用场景，一般都是室内外交替、开阔空间和遮挡环境交错的场景，单一的定位技术很难同时覆盖各种场景各种空间实现精准定位以满足导航需求。概括来说，现有技术下没有一种能够适应各种环境的高精度定位方案，无法实现各种环境的精准导航。

发明内容

为了解决上述技术缺陷之一，本申请提供了一种能够有效应对不同应用场景的高精度的应用于导航服务的多源融合定位方法及装置。

根据本发明的第一方面，提供一种应用于导航服务的多源融合定位方法，所述方法包括在每个时刻执行如下步骤：S1、响应于使用导航服务的目标对象的定位需求，获取目标对象所在环境参数；S2、基于预设的规则根据步骤S1获取的环境参数选择对应的定位方式以定位目标对象，其中，定位方式为BDS定位方法、BDS定位+惯性导航定位方式、惯性导航定位方式、UWB定位方式、UWB定位+惯性导航定位方式中的一种；S3、基于步骤S2选择的定位方式输出当前时刻目标对象的定位结果。

优选的，所述环境参数包括：当前时刻目标对象可接入的卫星数量、卫星信号强度以及目标对象可接入的UWB基站数量、UWB基站信号强度。

优选的，所述预设的规则为：当目标对象可接入的卫星数量大于或等于第一预设阈值且卫星信号强度大于或等于卫星最低信号强度要求时，采用BDS定位方式；当目标对象可接入的卫星数量大于或等于第一预设阈值蛋卫星信号强度小于卫星最低信号强度要求时，采用BDS定位+惯性导航定位方式；当目标对象可接入的UWB基站数量大于或等于第二预设阈值且UWB基站信号强度大于或等于UWB基站最低信号强度要求时，采用UWB定位方式；当目标对象可接入的UWB基站数量大于或等于第二预设阈值且UWB基站信号强度小于UWB基站最低信号强度要求时，采用UWB定位+惯性导航定位方式；当目标对象可接入的卫星数量小于第一预设阈值且定位目标对象可接入的UWB基站数量小于第二预设阈值时，采用惯性导航定位方式。

在本发明的一些实施例中，所述第一预设阈值为4，所述第二预设阈值为3。

优选的，所述惯性导航定位方式通过如下步骤定位目标对象：目标对象手持终端上的惯性传感器获得目标对象的加速度和角速度；基于目标对象的加速度和角速度计算其对应的步长和航向；采用卡尔曼滤波器基于目标对象的步长和航向计算目标对象的位置信息。

优选的，所述UWB定位方式通过如下步骤实现定位目标对象：目标对象通过UWB标签向所有可接入的UWB基站发送定位包信息；以第一个接收到目标对象发送的信号的UWB基站为起点开始计时，分别记录所有可接收到目标对象发送的信号的UWB基站接收到信号的时间与起点的时间差；基于时间差构建任意两个UWB基站之间的双曲线，所有双曲线的交点为目标对象位置。

优选的，当选择的定位方式为UWB定位+惯性导航定位方式时，采用卡尔曼滤波器基于目标对象的步长、航向、每个UWB基站与接收到目标对象发送的信号的第一个UWB基站的时间差定位目标对象。

根据本发明的第二方面，提供一种用于实现如本发明第一方面所述方法的多源融合定位系统，所述系统包括：环境感知模块，用于感知目标对象当前所处环境并获取环境参数；定位方式选择模块，用于基于预设的规则根据环境感知模块获取的环境参数选择对应的定位方式以定位目标对象；惯性传感器，其配置于定位目标对象手持终端上，用于获取目标对象的运动信息，至少包括加速度和角速度；UWB用户标签，其配置于定位目标对象手持终端上，用于想UWB基站发送定位包信息；行人航位推算模型，用于根据惯性传感器获得的目标对象的运动信息定位目标对象；UWB定位处理模块，用于基于UWB定位方式定位目标对象；BDS定位处理模块，用于基于卫星导航系统定位目标对象；定位结果处理模块，用于根据定位方式选择模块选择的定位方式输出目标对象最终的定位结果。

与现有技术相比，本发明融合了BDS、UWB、IMU的定位方式，BDS解决开阔空间的准确定位，UWB和IMU解决非暴露空间的准确定位，并根据环境进行定位方式的切换，通过融合可以解决非暴露空间环境下复杂建筑结构、多种服务设施及交通路线所带来的卫星信号传播受限、位置定位精度较低、导航路线不够完善等问题，能够实现导航定位中连续轨迹的准确定位和平滑过渡，提升导航服务的服务精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明实施例的多源融合定位方法流程示意图；

图2为根据本发明实施例的多源融合定位方法示例示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为了更好的理解本发明，下面首先介绍一下不同的定位方式的具体内容。

1、BDS定位

BDS定位是北斗卫星系统定位技术，其本质上属于无线电导航定位，定位原理是斗卫星接收机通过获取多个卫星信号，并利用每个信号的时间间隔解算出各卫星与接收机的距离，然后通过交汇法解算出接收机的三维坐标来实现导航定位，该定位方式在室外环境达到了很高的精度。但是正如背景技术中所述的，在遮挡环境中，该定位方式精度不够，需要和其他室内精度高的定位方式融合，才能弥补其遮挡条件下定位性能的不足，实现多种场景下的定位技术、算法、精度和覆盖范围的平滑过渡和无缝连接。

2、UWB定位

UWB定位技术是非载波通信技术，主要目标是对抗室内信道不利条件，如信号对信道衰落不敏感、穿透性强、抗多路径干扰等，通常采用非正弦形式的纳秒级极窄脉冲信号传输方式，达到在超高带宽上传输低功率的信号，纳秒级脉冲宽度决定其能够分辨纳秒级的时延，通常可达到分米级定位精度。但是，在复杂非暴露场景的定位应用中，信号传播除了会受多路径效应的影响，还有普遍的非视距(NLOS)传播带来的误差影响。UWB定位在抗干扰抗多径上有较大的优势，而其判别和应对NLOS传播误差的效果不佳，不能满足精准定位的需求。但是当前由于轨道交通的大力发展，UWB基站数量较大，将UWB定位与其他定位方式融合以提高遮挡环境下的定位准确度成为一种可能。

3、惯性导航定位

惯性导航定位是基于惯性传感器的定位技术。惯性传感器(IMU)是集三轴加速度计、陀螺仪和地磁仪于一体的传感器，具有尺寸小、重量轻、成本性低、可靠性高的特点，采用惯性传感器导航无需借助基站辅助，同时不受外界其他信号干扰，独立工作能力突出，可实现自主定位导航。但是单一种类的传感器在单独提供定位信息获取位置坐标的过程中，仍然有一定的局限性和缺陷。IMU由于加速度数据漂移随时间累积，且容易受不确定的噪声影响，无法长时间提供定位精度高的定位服务。

行人航位推算技术(PDR)是利用惯性传感器实现的导航系统，主要目标是通过获取初始位置信息与航向推算算法实现位置预测。PDR算法根据来自加速度和陀螺仪的原始数据(位置、姿态、速度等，并可以获得行人的加速度和角速度)，估计行人的步长和航向，实时推算行人的位置以达到定位跟踪的目的，具有不依赖于任何额外硬件设备或外来信息即可自身实现导航的特点。但是，PDR的位置推算具有递归计算的特性，出现误差时会造成积累，无法通过自身消除，需要通过使用另一种定位方案进行位置数据的纠正，并采用融合算法对不同来源的定位数据实现融合。由于PDR具有不依赖额外硬件的特点，其设备兼容性也更强，更易与其他方法结合，这种与其他定位系统的可融合性，使得PDR辅助的定位技术成为可能。

如背景技术所述的，现有技术下的定位方案存在环境限制、定位点缺失等问题，为了解决该问题，本发明提出一种多源融合的定位方法，根据环境的变化切换不同的定位方式来实现不同环境下的准确定位从而实现导航中每个轨迹点的准确定位。概括来说，本发明的多源融合定位方法包括在需要定位的每个时刻执行如下步骤：S1、响应于使用导航服务的目标对象的定位需求，获取目标对象所在环境参数；S2、基于预设的规则根据步骤S1获取的环境参数选择对应的定位方式以定位目标对象，其中，定位方式为BDS定位方法、BDS定位+惯性导航定位方式、惯性导航定位方式、UWB定位方式、UWB定位+惯性导航定位方式中的一种；S3、基于步骤S2选择的定位方式输出当前时刻目标对象的定位结果。

根据本发明的一个实施例，目标对象所处环境参数包括：当前时刻目标对象可接入的卫星数量、卫星信号强度以及目标对象可接入的UWB基站数量、UWB基站信号强度。

根据本发明的一个实施例，所述预设的规则为：当目标对象可接入的卫星数量大于或等于第一预设阈值且卫星信号强度大于或等于卫星最低信号强度要求时，采用BDS定位方式；当目标对象可接入的卫星数量大于或等于第一预设阈值蛋卫星信号强度小于卫星最低信号强度要求时，采用BDS定位+惯性导航定位方式；当目标对象可接入的UWB基站数量大于或等于第二预设阈值且UWB基站信号强度大于或等于UWB基站最低信号强度要求时，采用UWB定位方式；当目标对象可接入的UWB基站数量大于或等于第二预设阈值且UWB基站信号强度小于UWB基站最低信号强度要求时，采用UWB定位+惯性导航定位方式；当目标对象可接入的卫星数量小于第一预设阈值且定位目标对象可接入的UWB基站数量小于第二预设阈值时，采用惯性导航定位方式。

根据本发明的一个实施例，如图1所示，当目标对象使用导航服务，具有定位需求时，首先获取目标对象当前所处环境的参数，如果目标对象当前所处环境可接入卫星数量大于或等于四个，且卫星信号强(信号强弱一般是指卫星是否能够为目标对象提供有效的卫星定位服务的标准，是本领域技术人员已知的技术，本发明实施例中不做赘述)，则可以选择BDS定位方式；如果虽然目标对象当前所处环境可计入卫星梳理大于或等于四个，但是卫星信号弱，则采用BDS+惯性导航的定位方式；如果目标对象当前所处环境可接入的UWB基站数量大于等于3，且UWB基站信号强(UWB基站信号强弱指示的是UWB标签与UWB基站之间的通信公路，如果UWB标签发送和接收的信号定位包功率高于-90dBm时，信号强，低于-100dBm时，信号质量差即信号弱)则采用UWB定位方式；如果虽然目标对象当前所处环境可接入的UWB基站数量大于等于3，但是UWB基站信号弱，则采用UWB定位+惯性导航的方式；如果目标对象当前所处环境可接入卫星数量小于4且可接入UWB基站数量小于3，则直接采用惯性导航定位方式。其中，需要说明的是，BDS定位与UWB定位或UWB定位+惯性导航定位的方式是不冲突的，同理，BDS定位+惯性导航定位与UWB定位或UWB定位+惯性导航定位的方式也是是不冲突的，可同时存在的，同时存在多种定位方式的时候，输出的最终定位数据是多种定位方式定位结果的融合。

具体来说，在室内环境或者说遮挡环境中，UWB能够提供绝对定位，但其性能受NLOS条件的影响，相比之下，基于移动终端IMU数据的PDR方法虽然提供了相对误差积累的定位方法，且IMU由于加速度数据漂移随时间累积、容易受不确定的噪声影响，无法长时间提供定位精度高的定位服务，但IMU与环境条件无关。因此，将UWB和IMU/PDR融合，可以实现非视距(NLOS)环境中的高精度定位。当UWB在视距条件下提供精确的绝对定位时，PDR保证了在UWB信号丢失期间的连续和平滑的轨迹，即IMU可较为准确地测量出运动载体的运动参数，保证了不受外界其他信号干扰。在相同定位环境中，仅仅使用单一定位技术误差较大，而使用UWB/PDR/IMU组合定位方法可有效抑制NLOS误差，特别是在UWB信号受到严重干扰时，出现连续位置丢失的区域，仍能保证连续定位，误差有所下降，能够提供更为稳定、精确的导航定位服务。根据本发明的一个实施例，采用卡尔曼滤波方程来实现PDR推算。在具体定位过程中，如图2所示，针对惯性导航定位来说，是将从IMU获得的加速度a和角速度w用于估计行人的步长s和航向θ，并将行人的步长s和航向θ输入卡尔曼滤波器的状态方程，即可获得定位数据；针对UWB定位来说，假设有N个UWB基站(分别表示为BS1、BS2、…BSN),UWB用户标签向UWB基站发送定位包信息，以第一个接收到该定位包信息的UWB基站的接收时刻为起点，记录每个UWB基站接收到定位包信息的时刻，以表征UWB基站与UWB用户标签的测距时间信息，分别记录为测量时间t1、…测量时间tn，并以相邻时刻测距差值信息更新卡尔曼滤波器(EKF滤波器，是本领域技术人员已知的技术，本发明中不做详细赘述)的观测方差阵R，并通过卡尔曼滤波器中的观测方程实现自适应表征UWB测距信息的精度。其中，采用UWB方式的测距采用的是到达时间差法(Time Difference of Arrival,TDOA)，即基于两个信号时间到达节点的时间差而完成的测量方法，又称为双曲线定位法，在无线定位中应用非常广泛。具体来说，目标对象通过UWB用户标签向多个基站发送信号，从第一个接收到信号的基站处开始计时，分别记录下信号到达其余各个基站的时刻。这些时刻便是第一个接收到信号的节点与其余节点信号到达的时间差，根据这些时间差可以列出双曲线方程组。目标位置将位于以两个接收基站为焦点的双曲线某一分支上，确定目标对象二维坐标需要两个或以上双曲线方程，两个双曲线交点即为定位目标的二维位置坐标，因此TDOA定位最少需要3个UWB基站。UWB基站通过用户标签与用户进行双向测距，获得所有基站与标签的测距时间信息，测距时间信息作为观测量输入到卡尔曼滤波器，同时将相邻时刻测距时间的差值信息更新到观测方差阵，以自适应地表征UWB测距信息的精度。手持终端惯性导航数据及UWB基站双向测量数据通过输入非线性卡尔曼滤波器进行解算即可完成室内高精度定位解算输出。通过上述实施例可以看出，基于IMU/UWB/PDR的信息源经过卡尔曼滤波处理的误差估计曲线能够在所有情况下保持较高的精度，定位结算点跳跃幅度明显减小，完全消除了定位点缺失的情况发生，增强了定位系统的鲁棒性。

在室外环境，手持终端作为北斗卫星信号接收机，在接收到不少于4个北斗导航定位卫星信号后通过BDS定位解算，解算出高精度室外定位数据，在卫星信号弱的时候，还可以融入惯性导航和/或UWB定位，通过室内用户惯性导航数据及UWB基站定位数据进行卡尔曼滤波器集成定位，实现了基于DBS/IMU/UWB/PDR技术的融合定位。

本发明通过融合BDS、UWB、IMU/PDR，实现了室内外无缝定位，能够不同环境下的准确定位，提供更加高效精准的导航服务。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种应用于导航服务的多源融合定位方法，其特征在于，所述方法包括在每个时刻执行如下步骤：

S1、响应于使用导航服务的目标对象的定位需求，获取目标对象所在环境参数；

S2、基于预设的规则根据步骤S1获取的环境参数选择对应的定位方式以定位目标对象，其中，定位方式为BDS定位方法、BDS定位+惯性导航定位方式、惯性导航定位方式、UWB定位方式、UWB定位+惯性导航定位方式中的一种；

S3、基于步骤S2选择的定位方式输出当前时刻目标对象的定位结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境参数包括：当前时刻目标对象可接入的卫星数量、卫星信号强度以及目标对象可接入的UWB基站数量、UWB基站信号强度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设的规则为：

当目标对象可接入的卫星数量大于或等于第一预设阈值且卫星信号强度大于或等于卫星最低信号强度要求时，采用BDS定位方式；

当目标对象可接入的卫星数量大于或等于第一预设阈值蛋卫星信号强度小于卫星最低信号强度要求时，采用BDS定位+惯性导航定位方式；

当目标对象可接入的UWB基站数量大于或等于第二预设阈值且UWB基站信号强度大于或等于UWB基站最低信号强度要求时，采用UWB定位方式；

当目标对象可接入的UWB基站数量大于或等于第二预设阈值且UWB基站信号强度小于UWB基站最低信号强度要求时，采用UWB定位+惯性导航定位方式；

当目标对象可接入的卫星数量小于第一预设阈值且定位目标对象可接入的UWB基站数量小于第二预设阈值时，采用惯性导航定位方式。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一预设阈值为4。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二预设阈值为3。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述惯性导航定位方式通过如下步骤定位目标对象：

目标对象手持终端上的惯性传感器获得目标对象的加速度和角速度；

基于目标对象的加速度和角速度计算其对应的步长和航向；

采用卡尔曼滤波器基于目标对象的步长和航向计算目标对象的位置信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述UWB定位方式通过如下步骤实现定位目标对象：

目标对象通过UWB标签向所有可接入的UWB基站发送定位包信息；

以第一个接收到目标对象发送的信号的UWB基站为起点开始计时，分别记录所有可接收到目标对象发送的信号的UWB基站接收到信号的时间与起点的时间差；

基于时间差构建任意两个UWB基站之间的双曲线，所有双曲线的交点为目标对象位置。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当选择的定位方式为UWB定位+惯性导航定位方式时，采用卡尔曼滤波器基于目标对象的步长、航向、每个UWB基站与接收到目标对象发送的信号的第一个UWB基站的时间差定位目标对象。

9.一种用于实现如权利要求1-8任一所述方法的多源融合定位系统，其特征在于，所述系统包括：

环境感知模块，用于感知目标对象当前所处环境并获取环境参数；

定位方式选择模块，用于基于预设的规则根据环境感知模块获取的环境参数选择对应的定位方式以定位目标对象；

惯性传感器，其配置于定位目标对象手持终端上，用于获取目标对象的运动信息，至少包括加速度和角速度；

UWB用户标签，其配置于定位目标对象手持终端上，用于想UWB基站发送定位包信息；

行人航位推算模型，用于根据惯性传感器获得的目标对象的运动信息定位目标对象；

UWB定位处理模块，用于基于UWB定位方式定位目标对象；

BDS定位处理模块，用于基于卫星导航系统定位目标对象；

定位结果处理模块，用于根据定位方式选择模块选择的定位方式输出目标对象最终的定位结果。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1至8任一所述方法的步骤。

11.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现如权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。

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