CN115993624A - 一种基于半紧组合的uwbtoa-gnss组合导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于半紧组合的UWBTOA‑GNSS组合导航系统及方法，通过伪距单点定位求解出位置，再将其与UWBTOA的原始观测量进行紧组合，具体方法是先通过伪距单点定位方法求解出位置信息，再以UWB的位置为圆心，分别以真值到UWB的距离和单点定位值到UWB的距离为半径做圆，再将真值的距离与UWB值进行做差后除以真值与单点定位的差值进行求解，真值解取离单点定位值近的那个值；本发明可用于GNSS信号不足或者需要增强其导航精度的领域，可用于室外需要增强GNSS导航性能的场景下，可以有效的提高单一卫星导航或传统UWBTOA‑GNSS紧组合的精度；本发明不仅将定位精度进行了进一步的提升，也证明了仅有一个UWB能进行工作的时候，定位精度仍能获得巨大提升。

Description

一种基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航系统及方法

技术领域

本发明属于组合导航技术领域，具体地，涉及一种基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航系统及方法。

背景技术

GNSS的全称是(Global Navigation Satellite System)，即全球导航卫星系统，是通过卫星来实现的定位和导航服务。实际应用中，卫星导航技术仍存在一定的不足。由于卫星信号的脆弱性，在遮挡严重的环境中，卫星信号严重受阻，导致信号质量变差、观测方程数量减少，从而严重影响卫星导航的定位精度和可靠性。同时由于卫星在高程方向上的几何分布较差，使得定位结果在高程方向上的误差较大。为了弥补卫星导航技术的不足，通常采用组合导航的方法来提高定位能力。

近年来，超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)技术在无线通信领域研究中受到了热切的关注。UWB技术具有成本低、信号穿透力强、测距精度高、抗多径能力强等特点，同时，UWB信号的功率远远小于GNSS信号的功率，使其能够在不干扰GNSS信号的情况下与其共存。因此UWB-GNSS组合导航前景广阔。

在UWBTOA-GNSS的组合方法中，应用比较广泛的是UWBTOA-GNSS紧组合方法，传统的UWB与GNSS紧组合，是将原始观测量融入到一个线性化方程中进行计算，定位误差较大。此方法和伪距单点定位方法相似，先准备数据和设置初始解，再将非线性方程线性化，将UWB的原始方程和单点定位的方程进行简单的组合求解，得到最终的位置信息，该方法的优势在于简单且无需修改太多原始方程内容，缺点是精度提升有限。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航系统及方法，通过伪距单点定位求解出位置，再将其与UWBTOA的原始观测量进行紧组合，在传统的UWBTOA-GNSS紧组合的基础上，有效的提高组合导航的定位精度。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航方法：

所述方法具体包括以下步骤：

步骤1，通过伪距单点定位方法SPP(single-pointpositioning)得出目标点的位置信息；

步骤2，以UWB基站的位置为球心，以UWB基站与移动站间的距离为半径作球面；

步骤3，在步骤2所述的球面上确定一点，使其到步骤1目标点的距离最小，所确定的点即为半紧组合方式的定位结果。

进一步地，

对于所有可见卫星n，通过伪距单点定位方法SPP收集到在同一测量时刻的伪距测量值ρ⁽ⁿ⁾，并计算测量值中的各种偏差成分如δt⁽ⁿ⁾，I⁽ⁿ⁾和T⁽ⁿ⁾，

其中δt⁽ⁿ⁾为卫星n的卫星钟差，I⁽ⁿ⁾为卫星n的电离层延迟误差，T⁽ⁿ⁾为卫星n的对流层延迟误差；

根据式子ρ_c ⁽ⁿ⁾＝ρ⁽ⁿ⁾+δt⁽ⁿ⁾-I⁽ⁿ⁾-T⁽ⁿ⁾计算误差校正之后的伪距测量值；

同时根据可见卫星的星历计算出经地球自转校正后的卫星空间位置坐标。

进一步地，

UWB基站与移动站间的测距误差标准差为5cm；

最小误差为球面上的点与移动站真实位置的测距误差，

最大误差为UWB基站与移动站之间真实距离的二倍与UWB测距误差的和。

进一步地，

分别以真值到UWB基站的距离和伪距单点定位值到UWB基站的距离为半径做圆，将真值的距离与UWB值进行做差后除以真值与伪距单点定位的差值进行求解，真值解取距离伪距单点定位值近的值做为定位结果。

进一步地，

借助上面求得的信息，将非线性方程线性化，得到矩阵方程式：

G[ΔxΔyΔzΔδt_u]^T＝b

其中[ΔxΔyΔzΔδt_u]^T为展开点与接收机位置、接收机钟差结果之间的差值向量，G为展开点与各卫星之间的观测向量矩阵，b为伪距与展开点和卫星间距离的差值向量；

利用最小二乘法求解GPS伪距定位线性矩阵方程式，解法为：

[ΔxΔyΔzΔδt_u]^T＝(G^TG^-1)G^Tb

更新非线性方程组的根，根据下式子更新接收机位置坐标x_k和钟差值δt_u,k：

x_k＝x_k-1+Δx＝x_k-1+[ΔxΔyΔz]^T

δt_u,k＝δt_u,k-1+Δδt_u。

进一步地，

以UWB基站的坐标点为球心，以测得的UWB基站与移动站间的距离为半径作球面：

其中(uwb_x,uwb_y,uwb_z)为UWB基站的三维位置坐标，P_uwb为UWB基站与UWB移动站间的测距值；

求出UWB基站与单点定位结果所在直线的方程：

其中(spp_x,spp_y,spp_z)为移动站的单点定位结果坐标；

联立上述两个式子进行求解，得到两组半紧组合之后的位置解，将两组位置解进行比对，选取距离(spp_x,spp_y,spp_z)更近的那组位置解作为定位结果。

一种基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航系统：

所述导航系统包括主导航系统和辅助导航系统

所述主导航系统通过伪距单点定位方法SPP得出目标点的位置信息；

所述辅助导航系统以UWB基站的位置为球心，以UWB基站与移动站间的距离为半径作球面；并在所述的球面上确定一点，使其到目标点的距离最小，所确定的点即为半紧组合方式的定位结果。

一种导航设备：所述导航设备包括上述的基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航系统。

一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本发明有益效果

本发明在传统的UWBTOA-GNSS紧组合的基础上，用半紧组合的方法来提高组合导航的精度。通过伪距单点定位方法求解出位置信息，再以UWB的位置为圆心，分别以真值到UWB的距离和单点定位值到UWB的距离为半径做圆，再将真值的距离与UWB值进行做差后除以真值与单点定位的差值进行求解，从而有效的提高定位精度。

本发明可用于GNSS信号不足或者需要增强其导航精度的领域，可用于室外需要增强GNSS导航性能的场景下，可以有效的提高单一卫星导航或传统UWBTOA-GNSS紧组合的精度；本发明不仅将定位精度进行了进一步的提升，也证明了仅有一个UWB能进行工作的时候，定位精度仍能获得巨大提升。

本发明在单个UWB基站的场景下，UWB-TOA/GNSS单点定位紧组合方式比GNSS单点定位方式在精度上提升1.5343m，提升的比例为28.61％。UWB-TOA/GNSS单点定位半紧组合方式比GNSS单点定位方式在精度上提升2.6996m，提升的比例为50.34％。该场景下半紧组合的定位精度优于紧组合的定位精度，说明半紧组合方式在某些场景下优于紧组合方式。

附图说明

图1为UWB-TOA定位误差图；

图2为GNSS单点定位误差图；

图3为半紧组合概念图；

图4为单UWB-TOA/GNSS单点定位半紧组合原理图；

图5为传统UWB-TOA/GNSS单点定位紧组合误差图；

图6为基于半紧组合的UWB-TOA/GNSS单点定位组合导航误差图；

图7为半紧组合和紧组合的误差对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1至图7。

伪距为测得的距离含有时钟误差和大气层折射延迟等因素，而非“真实距离”,故称伪距。伪距观测值测量的是测站天线相位中心到卫星相位中心的距离，其中包含了接收机和卫星钟差，大气误差(对流层和电离层)等的影响。

如图3，半紧组合与其他组合方式的对比为：

紧组合是利用辅助导航系统构造与主导航系统相同的观测量进行组合。

松组合是主导航系统的结果与辅助导航系统的结果进行组合。

半紧组合是通过辅助导航系统的结果与主导航系统的观测量进行组合。

一种基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航方法：

所述方法具体包括以下步骤：

步骤1，通过伪距单点定位方法SPP(single-pointpositioning)得出目标点的位置信息；

步骤2，以UWB基站的位置为球心，以UWB基站与移动站间的距离为半径作球面；

步骤3，在步骤2所述的球面上确定一点，使其到步骤1目标点的距离最小，所确定的点即为半紧组合方式的定位结果。

在步骤1中，

对于所有可见卫星n，通过伪距单点定位方法SPP收集到在同一测量时刻的伪距测量值ρ⁽ⁿ⁾，并计算测量值中的各种偏差成分如δt⁽ⁿ⁾，I⁽ⁿ⁾和T⁽ⁿ⁾等等，

其中δt⁽ⁿ⁾为卫星n的卫星钟差，I⁽ⁿ⁾为卫星n的电离层延迟误差，T⁽ⁿ⁾为卫星n的对流层延迟误差；

根据式子

计算误差校正之后的伪距测量值；

同时根据可见卫星的星历计算出经地球自转校正后的卫星空间位置坐标。

GNSS单点定位方式的定位误差一般在10m以内，在2m*2m、4个UWB基站的布设下，UWB-TOA的定位误差一般在1m以内

但是当UWB基站的数目小于4个时，UWB系统无法定位，此时可以通过与GNSS单点定位组合，从而完成定位。

因UWB-TOA方式无法定位，故两系统无法进行松组合，只能进行紧组合，从而完成定位；所以通过半紧组合的方式，能够在紧组合的基础上，进一步提升导航的精度。

以只有一个UWB基站为例，

UWB基站与移动站间的测距误差标准差为5cm；

最小误差为球面上的点与移动站真实位置的测距误差，

最大误差为UWB基站与移动站之间真实距离的二倍与UWB测距误差的和。

分别以真值到UWB基站的距离和伪距单点定位值到UWB基站的距离为半径做圆，将真值的距离与UWB值进行做差后除以真值与伪距单点定位的差值进行求解，真值解取距离伪距单点定位值近的值做为定位结果。

借助上面求得的信息，将非线性方程线性化，得到矩阵方程式：

G[ΔxΔyΔzΔδt_u]^T＝b

其中[ΔxΔyΔzΔδt_u]^T为展开点与接收机位置、接收机钟差结果之间的差值向量，G为展开点与各卫星之间的观测向量矩阵，b为伪距与展开点和卫星间距离的差值向量；

利用最小二乘法求解GPS伪距定位线性矩阵方程式，解法为：

[ΔxΔyΔzΔδt_u]^T＝(G^TG^-1)G^Tb

更新非线性方程组的根，根据下式子更新接收机位置坐标x_k和钟差值δt_u,k：

x_k＝x_k-1+Δx＝x_k-1+[ΔxΔyΔz]^T

δt_u,k＝δt_u,k-1+Δδt_u。

以UWB基站的坐标点为球心，以测得的UWB基站与移动站间的距离为半径作球面：

其中(uwb_x,uwb_y,uwb_z)为UWB基站的三维位置坐标，P_uwb为UWB基站与UWB移动站间的测距值；

求出UWB基站与单点定位结果所在直线的方程：

其中(spp_x,spp_y,spp_z)为移动站的单点定位结果坐标；

联立上述两个式子进行求解，得到两组半紧组合之后的位置解，将两组位置解进行比对，选取距离(spp_x,spp_y,spp_z)更近的那组位置解作为定位结果。

一种基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航系统：

所述导航系统包括主导航系统和辅助导航系统

所述主导航系统通过伪距单点定位方法SPP得出目标点的位置信息；

所述辅助导航系统以UWB基站的位置为球心，以UWB基站与移动站间的距离为半径作球面；并在所述的球面上确定一点，使其到目标点的距离最小，所确定的点即为半紧组合方式的定位结果。

一种导航设备：所述导航设备包括如权利要求7所述的基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航系统。

一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasablePROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(synchronousDRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate SDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambusRAM，DR RAM)。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，高密度数字视频光盘(digital video disc，DVD))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disc，SSD))等。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

以上对本发明所提出的一种基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航系统及方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航方法，其特征在于：

所述方法具体包括以下步骤：

步骤1，通过伪距单点定位方法SPP得出目标点的位置信息；

步骤2，以UWB基站的位置为球心，以UWB基站与移动站间的距离为半径作球面；

步骤3，在步骤2所述的球面上确定一点，使其到步骤1目标点的距离最小，所确定的点即为半紧组合方式的定位结果。

2.根据权利要求1所述导航方法，其特征在于：在步骤1中，

对于所有可见卫星n，通过伪距单点定位方法SPP收集到在同一测量时刻的伪距测量值ρ⁽ⁿ⁾，并计算测量值中的各种偏差成分如δt⁽ⁿ⁾，I⁽ⁿ⁾和T⁽ⁿ⁾，

其中δt⁽ⁿ⁾为卫星n的卫星钟差，I⁽ⁿ⁾为卫星n的电离层延迟误差，T⁽ⁿ⁾为卫星n的对流层延迟误差；

根据式子ρ_c ⁽ⁿ⁾＝ρ⁽ⁿ⁾+δt⁽ⁿ⁾-I⁽ⁿ⁾-T⁽ⁿ⁾计算误差校正之后的伪距测量值；

同时根据可见卫星的星历计算出经地球自转校正后的卫星空间位置坐标。

3.根据权利要求2所述导航方法，其特征在于：

UWB基站与移动站间的测距误差标准差为5cm；

最小误差为球面上的点与移动站真实位置的测距误差，

最大误差为UWB基站与移动站之间真实距离的二倍与UWB测距误差的和。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于：

分别以真值到UWB基站的距离和伪距单点定位值到UWB基站的距离为半径做圆，将真值的距离与UWB值进行做差后除以真值与伪距单点定位的差值进行求解，真值解取距离伪距单点定位值近的值做为定位结果。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于：

借助上面求得的信息，将非线性方程线性化，得到矩阵方程式：

G[ΔxΔyΔzΔδt_u]^T＝b

其中[ΔxΔyΔzΔδt_u]^T为展开点与接收机位置、接收机钟差结果之间的差值向量，G为展开点与各卫星之间的观测向量矩阵，b为伪距与展开点和卫星间距离的差值向量；

利用最小二乘法求解GPS伪距定位线性矩阵方程式，解法为：

[ΔxΔyΔzΔδt_u]^T＝(G^TG^-1)G^Tb

更新非线性方程组的根，根据下式子更新接收机位置坐标x_k和钟差值δt_u,k：

x_k＝x_k-1+Δx＝x_k-1+[ΔxΔyΔz]^T

δt_u,k＝δt_u,k-1+Δδt_u。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于：

以UWB基站的坐标点为球心，以测得的UWB基站与移动站间的距离为半径作球面：

其中(uwb_x,uwb_y,uwb_z)为UWB基站的三维位置坐标，P_uwb为UWB基站与UWB移动站间的测距值；

求出UWB基站与单点定位结果所在直线的方程：

其中(spp_x,spp_y,spp_z)为移动站的单点定位结果坐标；

联立上述两个式子进行求解，得到两组半紧组合之后的位置解，将两组位置解进行比对，选取距离(spp_x,spp_y,spp_z)更近的那组位置解作为定位结果。

7.一种基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航系统，其特征在于：

所述导航系统包括主导航系统和辅助导航系统

所述主导航系统通过伪距单点定位方法SPP得出目标点的位置信息；

所述辅助导航系统以UWB基站的位置为球心，以UWB基站与移动站间的距离为半径作球面；并在所述的球面上确定一点，使其到目标点的距离最小，所确定的点即为半紧组合方式的定位结果。

8.一种导航设备，其特征在于：所述导航设备包括如权利要求7所述的基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航系统。

9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任意一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至6中任意一项所述方法的步骤。

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