CN117804436A - 远距离非协作无线定位与惯性导航的组合定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的远距离非协作无线定位与惯性导航系统的组合定位系统及方法，首先非协作无线定位系统NWL通过对非协作无线信号进行参数估计，结合到达时间法TOA技术与最小二乘法LS，实现接收机的无线定位；然后结合惯性导航系统INS，提出了NWL/INS紧耦合定位系统，借用INS的短时高精度特性以及组合导航优越的定位性能和容错性能，进一步提升了系统的定位性能。本发明提出的NWL/INS组合系统，实现了一种远距离、高精度的利用非协作无线信号进行定位的系统，为GNSS拒止情况下的远距离无线导航提供基础。

Description

远距离非协作无线定位与惯性导航的组合定位系统及方法

技术领域

本发明属于无线定位系统技术领域，具体涉及远距离非协作无线定位与惯性导航的组合定位系统，还涉及远距离非协作无线定位与惯性导航的组合定位方法。

背景技术

无线电定位系统在社会生活、交通导航、军事部署等各方面发挥着重要作用，是人类现代化生活中不可缺少的一部分。目前最普及且应用最广泛的无线定位技术有蓝牙定位技术和Wi-Fi定位技术，二者都可以通过信号接收强度(Received Signal StrengthIndication，RSSI)测距定位技术实现定位，但它们都是短距离无线定位技术，主要应用于短距离室内场景定位。在室外场景中，常用的定位系统为全球卫星导航定位系统(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)和长波定位系统。GNSS系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONSS、中国的北斗和欧盟的GALILEO。GNSS系统在视距(Line-of-Sight，LOS)条件下，可以提供精确的全球位置坐标。然而，在森林、工厂和市区等环境中，卫星定位系统的信号会受到建筑物和树木等物体的遮挡产生反射、绕射、散射等现象，接收功率会产生严重的衰减，或者可视的卫星的数量小于4颗时，GNSS无法提供令人满意的定位精度，甚至不能实现定位。

一类典型的远距离无线定位系统是长波定位系统，它们主要包括LORAN-C系统、RSDN-20系统以及NDB系统等，但这些系统都是发射站和接收机协作工作的，在电子对抗中，容易遭受攻击而失效。考虑到现有无线通信中用于远距离通信的电台(比如长度/短波通信发射台)，具有发射功率大，体积庞大，且位置固定的特性，可以通过某些手段获知这些发射台的位置，且这些发射台可以是敌方的发射台，因此基于这些非合作发射台发射的非协作无线信号进行非协作无线定位(NWL)，具有远距离、抗干扰的特性。由于NWL是基于对非协作信号进行估计从而实现定位，然而受信道衰落、接收机移动等因素的影响，NWL的定位精度和稳定性会下降。惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)是另一种重要的导航方式，它能独立提供姿态、速度和位置，还包括加速度和角速率等导航信息，可用于载体的正确操控，具有自主性强、动态性能好、导航信息全面且输出频率高等优点，但其误差随时间不断累积，长期精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供远距离非协作无线定位与惯性导航系统的组合定位系统，解决了在GNSS系统拒止情况下的远距离无线导航定位精度低的问题。

本发明的目的还在于提供远距离非协作无线定位与惯性导航系统的组合定位方法。

本发明所采用的第一种技术方案是：距离非协作无线定位与惯性导航系统的组合定位系统，包括非协作无线定位系统NWL与惯性导航系统INS构成的NWL/INS紧耦合组合定位系统、UKF滤波器；其中NWL包括发射远程无线电信号且信号不依赖电离层反射的发射站以及载体接收机，定位终端通过测量各个发射站发射信号的到达时间进而计算出各个发射站到定位终端的距离；所述定位终端上还安装有惯性测量单元IMU，INS系统则采集惯性测量单元获得的数据；UKF滤波器用于INS和NWL信息的融合滤波。

本发明的特点还在于，

惯性测量单元包括三轴加速度计和陀螺仪；加速度计被用来测量载体接收机在不同状态下的加速度、从而获得定位终端的比力信息；陀螺仪是通过科里奥利力检测载体绕三个固定轴的角速度，并以此来得到载体接收机的姿态信息。

发射站有三个及三个以上。

本发明所采用的第二种技术方案是，远距离非协作无线定位与惯性导航的组合定位方法，具体操作步骤如下：

步骤1：根据NWL/INS紧耦合组合定位系统建立NWL/INS紧耦合组合定位误差模型，并构建NWL/INS紧耦合组合定位误差模型的量测方程和状态方程；将系统的伪距误差和伪距率误差作为量测方程的输入；

步骤2：采用无迹卡尔曼滤波UKF算法对NWL和INS信息进行融合滤波，获得定位终端位置误差的最优估计值，与INS输出的位置信息做差，计算得到NWL/INS最终的定位信息。

本发明的特点还在于，

步骤1具体如下：

1)NWL/INS紧耦合组合定位系统以东北天地理坐标系为导航坐标系，表示为n系；以右前上作为定位终端坐标系，表示为b系；并设定INS误差状态变量为15维，NWL误差状态变量为8维；

2)INS误差状态变量为：

其中，φ＝[φ_E φ_N φ_U]表示在n系下东、北、天三个方向的失准角误差；δV＝[δV_EδV_N δV_U]表示在n系下的三个速度误差；δP＝[δL δλ δh]表示纬度误差、经度误差以及高度误差；ε_b＝[ε_bx ε_by ε_bz]表示b系下的陀螺仪常值零偏；表示b系下的加速度计常值零偏；

INS的状态转移矩阵为F_I(t)，系统噪声驱动矩阵为G_I(t)，驱动噪声为W_I(t)；

3)NWL状态变量为：

X_N(t)＝[b d]^T (11)

上式中，b＝[b¹ b² b³ b⁴]^T表示NWL的伪距误差，由接收机接收来自于发射站发射信号的传播时延误差产生；d＝[d¹ d² d³ d⁴]^T表示NWL的伪距率误差，由接收机接收来自于发射站发射信号的载波频率估计误差产生，在非协作场景下，对每个发射站的状态变量进行单独的解算；

NWL的状态方程可以表示为：

i＝1，2，3，4，表示第i个发射站，为NWL伪距误差的过程噪声向量，/>为NWL伪距率误差的过程噪声向量；

由式(3)得，NWL状态转移矩阵为：

其中，O_4×4为4×4的零矩阵，I_4×4为4×4的单位矩阵；

NWL的驱动过程噪声矩阵为：

G_N(t)＝I_8×8 (14)

其中，I_8×8是8×8的单位矩阵；

NWL的过程噪声向量为：

4)将INS状态方程与NWL状态方程合并，得到INS/NWL紧耦合组合定位误差模型的状态方程：

5)构建NWL/INS紧耦合组合定位误差模型的量测方程：

NWL/INS紧耦合组合定位误差模型的量测方程为：

Z(t)＝H(t)X(t)+V(t) (17)

其中，Z(t)为量测输入，H(t)为观测矩阵，V(t)为量测噪声。

将伪距误差ρ、伪距率误差与NWL/INS紧耦合组合定位误差模型的量测方程相结合，由(8)得到NWL/INS紧耦合系统的量测方程：

步骤1中系统的伪距误差和伪距率误差的解算具体如下：

远距离非协作定位NWL采用到达时间法TOA，估计载体接收机对来自于位置已知且固定的发射站发射来的非协作信号进行传播时间估计，进而得到载体接收机到发射站的估计距离和估计速度；INS采用惯性导航算法解算当前的定位终端的姿态、速度、位置，进行位置解算得到定位终端到发射站的估计距离和估计速度；上述估计距离称为伪距、估计速度称为伪距率，NWL与INS两个系统的伪距和伪距率分别做差得到伪距误差和伪距率误差。

步骤2具体如下：

采用无迹卡尔曼滤波算法UKF对NWL和INS的信息进行融合滤波，获得位置误差的最优估计值，与INS输出的位置信息做差，计算得到NWL/INS最终的定位信息；同时，通过将滤波更新后得到的结果对INS解算出的结果以及IMU的原始输出进行修正，并对NWL的伪距和伪距率输出进行修正，提高NWL的定位精度。

本发明的有益效果是，本发明的远距离非协作无线定位与惯性导航系统的组合定位系统及方法，

1、NWL定位系统利用非协作无线信号进行定位，具有极强的抗干扰性，成为GNSS的重要补充；

2、NWL定位系统利用长波等远距离通信信号，可实现远距离无线定位；

3、NWL/INS紧耦合组合定位系统利用非协作无线信号进行定位，具有极强的抗干扰性，成为GNSS的重要补充；

4、NWL/INS紧耦合组合定位系统利用INS进一步提升了远距离无线定位的精度；

5、NWL/INS紧耦合组合定位系统利用NWL进一步提升了INS的定位精度；

6、NWL/INS紧耦合组合定位系统利用远距离通信信号，可实现远距离无线定位。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是本发明NWL系统结构图。

图3是本发明NWL/INS紧耦合组合定位系统框图。

图4是本发明NWL定位示意图。

图5是本发明NWL、INS、NWL/INS定位精度对比图。

图6是本发明NWL、INS、NWL/INS定位稳定性对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本发明的实施方式做进一步地详细叙述。

实施例1

本发明的远距离非协作无线定位与惯性导航系统的组合定位系统，包括非协作无线定位系统NWL与惯性导航系统INS构成的NWL/INS紧耦合组合定位系统、UKF滤波器；其中如图1所示，NWL包括发射远程无线电信号且信号不依赖电离层反射的发射站以及载体接收机，定位终端通过测量各个发射站发射信号的到达时间进而计算出各个发射站到定位终端的距离；所述定位终端上还安装有惯性测量单元IMU，INS系统则采集惯性测量单元获得的数据；UKF滤波器用于INS和NWL信息的融合滤波。

惯性测量单元包括三轴加速度计和陀螺仪；加速度计被用来测量载体接收机在不同状态下的加速度、从而获得定位终端的比力信息；陀螺仪是通过科里奥利力检测载体绕三个固定轴的角速度，并以此来得到载体接收机的姿态信息。

发射站有三个及三个以上。

实施例2

如图2所示，本实施例提供的远距离非协作无线定位与惯性导航系统的组合定位方法，包括下述步骤：

步骤1：如图3所示，建立NWL/INS紧耦合组合导航误差模型，建立相应的状态方程和量测方程：

1)紧耦合组合导航误差模型以东北天地理坐标系为导航坐标系(n系)，以右前上作为定位终端坐标系(b系)，并设定INS误差状态变量为15维，NWL误差状态变量为8维。

2)IMU安装于定位终端上，并由加速度计和陀螺仪组成。采用加速度计测量定位终端在不同状态下的加速度，通过对加速度的积分获得定位终端的速度和位置信息。加速度计的误差模型如下：

其中，A_x、A_y、A_z表示加速度计应输出的真实值；A_ax、A_ay、A_az表示加速度计的实际输出值；S_x、S_y、S_z是加速度计X、Y、Z三个轴的比例因子；是加速度计X、Y、Z三个轴的零漂误差。

采用陀螺仪测量出定位终端绕三个固定轴的角速度，并以此来得到定位终端的姿态信息；陀螺仪的误差模型如下：

其中，ω_ax、ω_ay、ω_az表示陀螺仪实际输出的X、Y、Z轴的角速度值，ω_x、ω_y、ω_z表示陀螺仪各轴应输出的真实值，S_ω是标度因子误差系数矢量，N_ω是非正交误差系数矢量，ε_b是零偏矢量，δ_ω是随机噪声矢量，一般这些模型参数的计算需要通过高精度的转台来完成。

INS状态变量为：

其中，φ＝[φ_E φ_N φ_U]表示在n系下东、北、天三个方向的失准角误差；δV＝[δV_EδV_N δV_U]表示在n系下的三个速度误差；δP＝[δL δλ δh]表示纬度误差、经度误差以及高度误差；ε_b＝[ε_bx ε_by ε_bz]表示b系下的陀螺仪常值零偏；表示b系下的加速度计常值零偏。

INS的状态转移矩阵为F_I(t)，系统噪声驱动矩阵为G_I(t)，驱动噪声为W_I(t)。

3)NWL的状态变量为：

X_N(t)＝[b d]^T (4)

上式中，b＝[b¹ b² b³ b⁴]^T表示NWL的伪距误差，由接收机接收来自于发射站发射信号的传播时延误差产生；d＝[d¹ d² d³ d⁴]^T表示NWL的伪距率误差，由接收机接收来自于发射站发射信号的载波频率估计误差产生。在非协作场景下，对每个发射站的状态变量进行单独的解算。

NWL的误差状态方程可以表示为：

i表示第i个发射站，为NWL伪距误差的过程噪声向量，/>为NWL伪距率误差的过程噪声向量。

由式(5)得，NWL的系统矩阵为：

其中，O_4×4为4×4的零矩阵，I_4×4为4×4的单位矩阵。

驱动过程噪声矩阵为：

G_N(t)＝I_8×8 (7)

其中，I_8×8是8×8的单位矩阵。

过程噪声向量为：

4)将INS状态方程与NWL状态方程合并，得到INS/NWL紧耦合系统的状态方程：

5)构建NWL/INS紧耦合组合定位误差模型的量测方程：

INS/NWL组合定位系统的量测方程描述的是观测量，通过观测量对状态量进行更新，紧耦合采用伪距和伪距率作为量测信息。

量测方程为：

Z(t)＝H(t)X(t)+V(t) (10)

其中，Z(t)为量测输入，H(t)为观测矩阵，V(t)为量测噪声。

假设在地球坐标系(e系)下，定位终端真实位置为(x,y,z)，INS测量得到的定位终端位置为(x_I,y_I,z_I)，第i个发射站的位置为则定位终端到第i个发射站的伪距为：

定位终端到第i个发射站的真实距离为：

NWL的观测伪距可表示为：

其中，bⁱ为第i个发射站的伪距误差，是第i个发射站伪距测量噪声，此处噪声为白噪声；

将式(11)在(x_I,y_I,z_I)处进行一阶泰勒级数展开，并忽略高阶项，与式(13)作差得到伪距量测方程：

其中，

由式(14)得NWL的伪距量测矩阵如下：

其中，为地理坐标系(g系)到地心地固坐标系(e系)的转换矩阵，H_ρ2＝[I₄ O₄]，O_4×6为4×6的全为0的矩阵。

伪距量测噪声：

V_ρ＝[v_ρ1 v_ρ2 v_ρ3 v_ρ4]^T (16)

对式(14)求导得到伪距率量测方程为：

由式(17)得，NWL的伪距率量测矩阵如下：

其中，

O₄为四阶零矩阵，I₄为四阶单位矩阵；

伪距率量测噪声：

将伪距量测方程与伪距率量测方程合并，得到NWL/INS紧耦合系统的量测方程：

将系统的伪距误差和伪距率误差作为量测方程的输入：

远距离非协作定位NWL采用到达时间法TOA，估计接收机对来自于位置已知且固定的发射站发射来的非协作信号进行传播时间，进而得到载体接收机到发射站的估计距离和估计速度；INS采用惯性导航算法解算当前的定位终端的姿态、速度、位置，进行位置解算得到定位终端到发射站的估计距离和估计速度。上述估计距离称为伪距、估计速度称为伪距率，两个系统的伪距和伪距率分别做差得到伪距误差和伪距率误差，作为步骤1中NWL/INS紧耦合组合定位误差模型量测方程的量测输入。

步骤2：采用无迹卡尔曼滤波UKF算法用于对NWL和INS信息的融合滤波，获得定位终端位置定位的最优估计值和误差修正值：

采用适用于非线性系统的无迹卡尔曼滤波(UKF)对NWL、INS进行紧耦合组合导航，避免线性化带来的误差。UKF的基本滤波过程主要有样本点的选择、数学期望与方差估计计算以及卡尔曼增益计算。将步骤3中的量测输入代入到步骤2，采用无迹卡尔曼滤波算法对NWL和INS的信息融合滤波，获得最优估计值，输出导航信息。同时，通过滤波更新后得到的结果对惯性导航解算出的结果以及IMU的原始输出进行修正，并对NWL的伪距和伪距率输出进行修正。

实施例3

在实施例2的基础上，如图4所示，NWL采用最小二乘法对定位终端进行位置定位，对NWL、INS系统、NWL/INS组合导航的定位结果进行比较，分析其定位精度，验证组合导航系统的优越的定位性能以及该系统能为GNSS拒止情况下的远距离无线导航提供基础：

NWL由三个或者三个以上发射站和定位终端组成，发射站发射信号后，定位终端通过测量各个发射站发射信号的到达时间进而计算出各个发射站到定位终端的距离。如图4所示，设四个发射站到定位终端的距离r₁、r₂、r₃和r₄的估算值分别为r′₁、r′₂、r′₃和r′₄。由于估计误差的存在，定位终端位于4个圆的交界区域，NWL采用最小二乘计算出定位终端位置的最优估计值。

按照以上步骤，执行UKF迭代更新，得到NWL/INS组合导航姿态、速度和位置的三维输出结果。采用不同的数据集进行测试，在进行了100次实验测试的基础上，比较NWL/INS组合导航相较于INS以及NWL随着信噪比SNR的增加，其定位性能的变化。取一组比较理想的情境进行分析，如图5所示，NWL/INS组合定位系统的平均定位误差稳定在100米左右，优于其他系统；如图6所示，NWL/INS组合定位系统的定位稳定性更好，且很明显优于NWL。在恶劣场景中，由于紧耦合采用NWL的伪距作为观测量使得组合导航的性能由于场景的变化而产生的影响几乎可以忽略不计，这也就说明了NWL/INS组合导航系统采用紧耦合组合方式的必要性。

值得注意的是，惯性导航模块的精度对数据采集有很大的影响，本系统通过选取高精度惯性导航模块提高系统性能；除此之外，通过剔除偏离正常范围的数据，对模型进行校正、误差补偿，使导航结果精度更高、稳定性更强。

Claims (7)

1.远距离非协作无线定位与惯性导航系统的组合定位系统，其特征在于，包括非协作无线定位系统NWL与惯性导航系统INS构成的NWL/INS紧耦合组合定位系统，UKF滤波器；其中NWL包括发射远程无线电信号且信号不依赖电离层反射的发射站以及载体接收机，定位终端通过测量各个发射站发射信号的到达时间进而计算出各个发射站到定位终端的距离；所述定位终端上还安装有惯性测量单元IMU；所述UKF滤波器用于INS和NWL信息的融合滤波。

2.根据权利要求1所述的远距离非协作无线定位与惯性导航系统的组合定位系统，其特征在于，所述惯性测量单元包括三轴加速度计和陀螺仪；所述加速度计被用来测量载体接收机在不同状态下的加速度、从而获得定位终端的比力信息；所述陀螺仪是通过科里奥利力检测载体绕三个固定轴的角速度，并以此来得到载体接收机的姿态信息。

3.根据权利要求1所述的远距离非协作无线定位与惯性导航系统的组合定位系统，其特征在于，所述发射站有三个及三个以上。

4.远距离非协作无线定位与惯性导航的组合定位方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

步骤1：根据NWL/INS紧耦合组合定位系统建立NWL/INS紧耦合组合定位误差模型，并构建NWL/INS紧耦合组合定位误差模型的量测方程和状态方程；将系统的伪距误差和伪距率误差作为量测方程的输入；

步骤2：采用无迹卡尔曼滤波UKF算法对NWL和INS信息进行融合滤波，获得定位终端位置误差的最优估计值，与INS输出的位置信息做差，计算得到NWL/INS最终的定位信息。

5.根据权利要求4所述的远距离非协作无线定位与惯性导航的组合定位方法，其特征在于，步骤1具体如下：

1)NWL/INS紧耦合组合定位系统以东北天地理坐标系为导航坐标系，表示为n系；以右前上作为定位终端坐标系，表示为b系；并设定INS误差状态变量为15维，NWL误差状态变量为8维；

2)INS误差状态变量为：

其中，φ＝[φ_E φ_N φ_U]表示在n系下东、北、天三个方向的失准角误差；δV＝[δV_E δV_NδV_U]表示在n系下的三个速度误差；δP＝[δL δλ δh]表示纬度误差、经度误差以及高度误差；ε_b＝[ε_bx ε_by ε_bz]表示b系下的陀螺仪常值零偏；表示b系下的加速度计常值零偏；

INS的状态转移矩阵为F_I(t)，系统噪声驱动矩阵为G_I(t)，驱动噪声为W_I(t)；

3)NWL状态变量为：

X_N(t)＝[b d]^T (2)

上式中，b＝[b¹ b² b³ b⁴]^T表示NWL的伪距误差，由接收机接收来自于发射站发射信号的传播时延误差产生；d＝[d¹ d² d³ d⁴]^T表示NWL的伪距率误差，由接收机接收来自于发射站发射信号的载波频率估计误差产生，在非协作场景下，对每个发射站的状态变量进行单独的解算；

NWL的状态方程可以表示为：

i＝1，2，3，4，表示第i个发射站，为NWL伪距误差的过程噪声向量，/>为NWL伪距率误差的过程噪声向量；

由式(3)得，NWL状态转移矩阵为：

其中，O_4×4为4×4的零矩阵，I_4×4为4×4的单位矩阵；

NWL的驱动过程噪声矩阵为：

G_N(t)＝I_8×8 (5)

其中，I_8×8是8×8的单位矩阵；

NWL的过程噪声向量为：

4)将INS状态方程与NWL状态方程合并，得到INS/NWL紧耦合组合定位误差模型的状态方程：

5)构建NWL/INS紧耦合组合定位误差模型的量测方程：

NWL/INS紧耦合组合定位误差模型的量测方程为：

Z(t)＝H(t)X(t)+V(t) (8)

其中，Z(t)为量测输入，H(t)为观测矩阵，V(t)为量测噪声；

将伪距误差ρ、伪距率误差与NWL/INS紧耦合组合定位误差模型的量测方程相结合，由式(8)得到NWL/INS紧耦合系统的量测方程：

6.根据权利要求5所述的远距离非协作无线定位与惯性导航的组合定位方法，其特征在于，步骤1中系统的伪距误差和伪距率误差的解算具体如下：

远距离非协作定位NWL采用到达时间法TOA，估计载体接收机对来自于位置已知且固定的发射站发射来的非协作信号进行传播时间估计，进而得到载体接收机到发射站的估计距离和估计速度；INS采用惯性导航算法解算当前的定位终端的姿态、速度、位置，进行位置解算得到定位终端到发射站的估计距离和估计速度；上述估计距离称为伪距、估计速度称为伪距率，NWL与INS两个系统的伪距和伪距率分别做差得到伪距误差和伪距率误差。

7.根据权利要求5所述的远距离非协作无线定位与惯性导航的组合定位方法，其特征在于，步骤2具体如下：

采用无迹卡尔曼滤波算法UKF对NWL和INS的信息进行融合滤波，获得位置误差的最优估计值，与INS输出的位置信息做差，计算得到NWL/INS最终的定位信息；同时，通过将滤波更新后得到的结果对INS解算出的结果以及IMU的原始输出进行修正，并对NWL的伪距和伪距率输出进行修正，提高NWL的定位精度。