一种无缝定位方法及装置

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一种无缝定位方法及装置\n技术领域\n[0001] 本申请涉及空间定位领域，特别是涉及一种基于UWB、RTD、MEMS集成的无缝定位方法实现权限项动态调整的方法及装置。\n背景技术\n[0002] 高精度无缝定位技术的实现前提是在有/无导航卫星信号的环境、场合下，充分利用广泛存在的无线电信号如GNSS、Wi-Fi、UWB等，并以基于MEMS的惯性器件所提供的速度、加速度、姿态等信息为辅助，综上进行融合处理，从而在任何场合的应用情景下，实时地获取用户所关心的高精度位置、速度、姿态等参数；现有定位技术主要分为以下几类：\n[0003] 1)室外定位(GNSS-RTD)技术：\n[0004] 在室外定位场合，通过已经固化的GNSS手持机模块，充分依托全球覆盖的导航卫星信号，联合GNSS地面增强系统如连续运行参考站提供的高精度卫星差分改正信号，基于精密测量的载波相位测量值，利用差分技术，实现高达数个厘米量级的定位结果的输出。\n[0005] 其中：GNSS：地面增强系统，是指通过建设分布在全球/区域的若干个卫星导航地面参考站，进行合理组网，对全球卫星导航信号进行实时接收、处理，并形成有效的服务如精密星历、钟差、电离层改正、差分电文等，再而通过计算机网络、移动通信网络等高效传输技术，发播至广大用户。\n[0006] RTD：Real-Time Differential，是指基于全球卫星导航信号的实时动态高精度定位技术，通过单个或者参考站网络的差分信号提供，基于特定的差分解算计算模型，用户端实时地获得真三维地球空间坐标。主要适用于室外定位场合。\n[0007] 2)室内定位(UWB-TDOA)技术：\n[0008] 在室内定位场合，通过广泛布设的超宽带传感器基站，在设备充分同步的基础上，基于精密测量的时间达到差观测值，结合预先精确标定的传感器基站坐标，通过距离交会的计算方法，实现高达10个厘米量级的定位结果输出。\n[0009] 其中：UWB：Ultrawide Band，超宽带技术，是一种短距离通信技术，具有对信道衰落不敏感；发射信号功率谱密度低，有低截获能力，系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点；尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用。\n[0010] TDOA：Time of Difference Arrival，在用户终端与传感器设备之间得到时间同步的基础上，通过用户终端获取两个或者以上传感器基站的传输时间量值，进而以时间差分的方式，计算出用户位置的过程。\n[0011] 3)辅助定位(MEMS-IMU)技术：\n[0012] 在室内外无线电难以覆盖接收的定位盲区，利用嵌入的MEMS器件加以辅助，一般利用IMU元件，通过惯性测量的原理，输出短暂过渡的三维位置、加速度/速度、姿态等参数。\n[0013] 其中：MEMS：Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。\n[0014] 4)数据融合技术：\n[0015] 利用计算机对按时序获得的若干观测信息如GNSS、UWB、MEMS等，在一定准则下加以自动分析、综合，以完成所需的决策和评估任务而进行的信息处理。包括对各种信息源给出的有用信息的采集、传输、综合、过滤、相关及合成。\n[0016] 目前，室外定位的场合及应用越发普遍且手段不多，主要集中在卫星导航、惯性设备等，从简单的个人/大众电子消费品，如GNSS/DR/COMPASS集成的移动电话、PDA等手持终端，到复杂的专业定位设备，如RTD接收机终端、多功能专业GNSS手持机等；\n[0017] 而在室内定位场景方面，主要是HS-GNSS、CDMA、Wi-Fi、RFID、ZigBee等广泛存在的无线电信号，在相关的基础设施依托下，室内定位的设备更是不一，并无专门针对制定的标准及产品，常见的主要是WhereNet、Ekahau、Ubisense等公司根据单一无线电信号制定的产品，且定位精度不高。\n[0018] 在室内/室外任意切换、无缝过渡的高精度定位应用、生产服务场合，如精密设备移动的智能引导、贵重资产的移动管理等场景中，目标载体的位置信息尤为至关重要，因此对定位的精确度提出了很高的要求，一般均达到了分米量级；同时，定位的场景往往需要在室内/室外之间任意切换及无缝过渡。\n[0019] 综上，单一地依靠导航卫星信号或者某一种室内定位信号，难以满足定位场景在室内/室外之间的任意切换的需求；并且，在某些短暂的定位盲区，任何无线电信号都无法发挥作用的时候，往往需要自主定位的手段来加以辅助，以实现定位过程的过渡拼接。\n发明内容\n[0020] 为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种基于UWB、RTD、MEMS集成的无缝定位方法实现权限项动态调整的方法及装置，综合利用GNSS卫星网络RTD技术、超宽带定位UWB技术和基于MEMS的惯性导航技术进行有效集成组合；可以根据卫星信号的强弱有效的选择合适的定位方式，在室内定位和室外定位之间任意切换，且实现了定位盲区的情形下可以实现无缝定位的辅助定位。\n[0021] 技术方案如下：\n[0022] 一种无缝定位方法，包括：\n[0023] 当地面增强系统GNSS接收到卫星信号时，判断该卫星信号是否满足预设要求，若是，则选用基于全球卫星导航信号的实时动态高精度定位技术RTD进行定位，否则，选用微电子机械技术MEMS进行定位；\n[0024] 当地面增强系统GNSS接收不到卫星信号时，若超宽带技术UWB可用，则选用超宽带技术UWB进行定位，否则，选用微电子机械技术MEMS进行定位；\n[0025] 将定位数据输入卡尔曼滤波器，进行数据融合计算得出准确的定位信息。\n[0026] 上述的定位方法，优选的，当地面增强系统GNSS接收到卫星信号时，判断该卫星信号是否满足预设要求，所述预设要求为发射卫星的数目不少于4颗或接收到的卫星信号的信噪比不低于20dB-Hz。\n[0027] 上述的定位方法，优选的，采用实时动态高精度定位技术TRD进行定位的过程包括：\n[0028] 将接收的卫星信号中的伪距观测值和概略坐标数据以差分电文RTCM格式发送至TRD计算服务器；\n[0029] 所述RTD计算服务器对接收到的数据进行辨别，并同步向连续运行卫星定位综合服务系统CORS网服务器下载网络RTD数据；\n[0030] 将下载的网络RTD数据进行空间基准统一后发送至卡尔曼滤波器。\n[0031] 上述的定位方法，优选的，采用超宽带技术UWB进行定位的过程包括：\n[0032] 启动UWB定位标签，将所述标签的身份标识号码ID信息数据发送至UWB计算服务器；\n[0033] 所述UWB计算服务器对接收到数据进行辨别，并同步确定其临近基站的信息数据，进行时间同步处理；\n[0034] 对所述经过时间同步处理的数据进行计算处理，并判断标签与基站之间的通视状态，若通视状态为可用，输出经过空间基准统一的坐标值数据至卡尔曼滤波器。\n[0035] 上述的定位方法，优选的，采用微电子机械技术MEMS进行定位的过程为配置数据命令，将UWB定位信息或RTD定位信息作为初始化数据输入，通过处理所述初始化数据获得MEMS定位信息，将所述定位信息通过空间基准统一后发送至卡尔曼滤波器。\n[0036] 上述的定位方法，优选的，所述空间基准统一具体为：通过精密测量仪器将RTD定位方式采用的空间坐标系推算归化为UWB定位方式采用的空间坐标系；\n[0037] 通过基于姿态转换的方法，将MEMS定位方式采用的空间坐标系推算归化为RTD定位方式采用的空间坐标系。\n[0038] 上述的定位方法，优选的，所述时间同步处理具体为：\n[0039] 将RTD定位方式对卫星信号定位的时间标记进行连续采样记录，在采样平滑的时，将平滑的时间结果归化为UTC时间格式，同时与UWB定位方式采用的UTC时间格式进行互差判断，连续采样100个时间标记，对所述100个互差数值进行平均，将得到的平均结果纳入到时间同步输出。\n[0040] 一种无缝定位装置，包括：定位模式匹配控制单元、基于全球卫星导航信号的实时动态高精度定位技术RTD定位单元、微电子机械技术MEMS定位单元、超宽带技术UWB定位单元和卡尔曼滤波器；\n[0041] 所述定位模式匹配控制单元用于根据地面增强系统GNSS是否接收到卫星信号选择相应的地位模式；当地面增强系统GNSS接收到卫星信号且所述卫星信号满则预设要求时，所述定位模式匹配控制单元控制所述RTD定位单元执行定位操作；否则，所述定位模式匹配控制单元控制所述MEMS定位单元执行定位操作；\n[0042] 当地面增强系统GNSS接收不到卫星信号时，所述定位模式匹配控制单元在所述UWB定位单元可以执行定位操作时控制所述UWB定位单元执行定位操作，否则，直接控制所述MEMS定位单元执行定位操作；\n[0043] 所述RTD定位单元、UWB定位单元和MEMS定位单元分别将得到的定位数据发送至所述卡尔曼滤波器进行数据融合，并计算得出准确的定位信息。\n[0044] 上述的定位装置，优选的，所述RTD定位单元、UWB定位单元和MEMS定位单元通过空间基准统一单元将得到的定位数据发送至所述卡尔曼滤波器；\n[0045] 所述空间基准统一单元用于对所述RTD定位单元、UWB定位单元和MEMS定位单元采用的空间坐标系进行统一。\n[0046] 上述的装置，优选的，所述UWB定位单元通过时间同步单元与所述卡尔曼滤波器相连接；所述时间同步单元用于将所述UWB定位单元采用的时间基准同步为所述RTD定位单元采用的时间基准。\n[0047] 由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本发明提供的一种无缝定位的方法及装置，综合利用GNSS卫星网络RTD技术、超宽带定位UWB技术和基于MEMS的惯性导航技术进行有效集成组合；在室外充分利用GNSS地面增强设施获取差分电文进行高精度实时定位解算，在室内外场合通过预先布设的UWB传感器基站进行无导航卫星信号覆盖场合的高精度实时定位解算，同时利用基于MEMS的惯性模块，提供定位盲区下辅助的姿态、速度/加速度信息；可以根据卫星信号的强弱有效的选择合适的定位方式，在室内定位和室外定位之间任意切换，且实现了定位盲区的情形下可以实现无缝定位的辅助定位。\n附图说明\n[0048] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。\n[0049] 图1为本申请实施例提供的无缝定位技术的流程图；\n[0050] 图2为本申请实施例公开的采用RTD技术进行定位的流程图；\n[0051] 图3为本申请实施例公开的采用UWB技术进行定位的流程图；\n[0052] 图4为本申请实施例公开的采用MEMS技术进行定位的流程图；\n[0053] 图5为本申请实施例公开的时间同步处理过程的流程图；\n[0054] 图6为本申请实施例公开的无缝定位装置的结构示意图；\n[0055] 图7为本申请实施例公开的无缝定位装置的一详尽结构示意图；\n[0056] 图8为本申请实施例公开的无缝定位装置的又一详尽结构示意图。\n具体实施方式\n[0057] 本申请实施例提供一种无缝定位技术及装置，有效的将适用于室外定位的RTD技术定位、适用于室内定位的UWB技术定位和适用于辅助定位的MEMS技术定位有效的融合在一起，从而在任何场合的应用情景下，实时地获取用户所关心的高精度位置、速度、姿态等参数。\n[0058] 以上是本申请的核心思想，为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案。下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。\n[0059] 本申请实施例提供的无缝定位技术的流程图如图1所示，包括：\n[0060] 步骤S101：判断地面增强系统GNSS是否接收到卫星信号，若接收到卫星信号，执行步骤S102；若没有接收到卫星信号，执行步骤S103；\n[0061] 步骤S102：判断卫星信号是否满足预设要求，若满足预设要求，执行步骤S104；否则，执行步骤S105；\n[0062] 步骤S103：判断超宽带技术UWB是否可用，若可用执行步骤S106；否则执行步骤S105；\n[0063] 步骤S104：选用基于全球卫星导航信号的实时动态高精度定位技术RTD进行定位，执行步骤S107；\n[0064] 步骤S105：选用微电子机械技术MEMS定位方式进行定位，执行步骤S107；\n[0065] 步骤S106：选用超宽带技术UWB技术进行定位，执行步骤S107；\n[0066] 步骤S107：卡尔曼滤波器将经过RTD定位技术进行定位、经过MEMS定位技术进行定位或UWB定位技术进行定位得到的定位数据进行数据融合并计算得出准确的定位信息。\n[0067] 需要说明的是：步骤S102中判断卫星信号是否满足预设要求，该预设要求指发射卫星信号的发射卫星的数目不少于4颗或接收到的卫星信号的信噪比不低于20dB-Hz；当卫星数目少于4颗的时候，RTD定位方式不可用；另一种情况为即使卫星数目大于4颗，当由于受到遮挡屏蔽等环境影响使得卫星信噪比很弱，一般在20dB-Hz以下的时候，RTD定位方式不可用，此时选用MEMS定位技术进行定位。\n[0068] 判断地面增强系统GNSS是否能够接收卫星信号，若能接收到卫星信号，这里认为处于室外定位模式下，若不能接收到卫星信号，则认为进入室内定位场合，需要执行UWB定位模式。\n[0069] 整个定位操作开始后，首先进行初始化工作，进行搜星、捕获、跟踪等工作，UWB定位标签将自动搜索附近的传感器基站信号，而MEMS定位模块将进行自检。初始化结束后，将得出具体的可视卫星的数目，以及对应的卫星信号接收功率，并对信号进行一系列的处理及计算，得到用户大致的坐标值，并转换成N/E/U的本地坐标形式，此时用以判断定位环境的具体状态。\n[0070] 本申请实施例公开的采用RTD技术进行定位的流程图如图2所示，包括：\n[0071] 步骤S201：将接收的卫星信号中的伪距观测值和概略坐标数据以差分电文RTCM格式发送至TRD计算服务器；\n[0072] 步骤S202：RTD计算服务器对接收到的数据进行辨别，并同步向连续运行卫星定位综合服务系统CORS网服务器下载网络RTD数据；\n[0073] 步骤S203：将下载的网络RTD数据进行空间基准统一后发送至卡尔曼滤波器。\n[0074] 需要说明的是，利用RTCM定义的Type17/18/19电文标准进行编码，通过串行通信接口输出实时的卫星伪距观测值、载噪比等有用内容，并发送基于以上观测值的RTCM电文至计算服务器。\n[0075] 计算服务器收到RTCM电文请求后，根据用户的位置向网络差分服务发送授权请求，自动生成一个基于参考站网络的高精度伪距差分改正数据，同时基于RTD的特定定位模型进行处理计算，从而计算出用户的高精度位置，并将定位结果发送给用户，该坐标数据包含在按照NMEA-0183定义的$GPGGA语句中，$GPGGA语句是一个以逗号为分隔符的字符串。\n[0076] 本申请实施例公开的采用UWB技术进行定位的流程图如图3所示，包括：\n[0077] 步骤S301：启动UWB定位标签，将标签的身份标识号码ID信息数据发送至UWB计算服务器；\n[0078] 步骤S302：UWB计算服务器对接收到数据进行辨别，并同步确定其临近基站的信息数据，进行时间同步处理；\n[0079] 步骤S303：对经过时间同步处理的数据进行计算处理，并判断标签与基站之间的通视状态，若通视状态为可用，输出经过空间基准统一的坐标值数据至卡尔曼滤波器。\n[0080] 需要说明的是，用户设备通过GPRS通信链路向计算服务器发送具体状态请求，此时，计算服务器将启动超宽带计算处理引擎，该引擎将查询授权用户上的UWB定位标签身份状态，并连同定位标签附近可用的传感器基站数据，进行时间同步处理，继而进行TDOA/TOA计算处理，同时判断标签与基站之间的通视状态，若可用输出精确的N/E/U三维坐标值，并发送至用户设备上。\n[0081] 本申请实施例公开的采用MEMS技术进行定位的流程图如图4所示，包括：\n[0082] 步骤S401：配置数据命令，将UWB定位信息或RTD定位信息作为初始化数据输入；\n[0083] 步骤S402：通过处理初始化数据获得MEMS定位信息，将定位信息通过空间基准统一后发送至卡尔曼滤波器。\n[0084] 本申请实施例公开的时间同步处理过程的流程图如图5所示，包括：\n[0085] 步骤S501：将RTD定位方式对卫星信号定位的时间标记进行连续采样记录；\n[0086] 步骤S502：在采样平滑的时，将平滑的时间结果归化为UTC时间格式，同时与UWB定位方式采用的UTC时间格式进行互差判断，连续采样100个时间标记；\n[0087] 步骤S503：对100个互差数值进行平均，将得到的平均结果纳入到时间同步输出。\n[0088] 本申请实施例公开的无缝定位装置的结构示意图如图6所示，包括：\n[0089] 定位模式匹配控制单元601、基于全球卫星导航信号的实时动态高精度定位技术RTD定位单元602、微电子机械技术MEMS定位单元603、超宽带技术UWB定位单元604和卡尔曼滤波器605；\n[0090] 定位模式匹配控制单元601用于根据地面增强系统GNSS是否接收到卫星信号选择相应的地位模式；当地面增强系统GNSS接收到卫星信号且所述卫星信号满则预设要求时，定位模式匹配控制单元601控制RTD定位单元602执行定位操作；否则，定位模式匹配控制单元601控制MEMS定位单元603执行定位操作；\n[0091] 当地面增强系统GNSS接收不到卫星信号时，定位模式匹配控制单元601在UWB定位单元604可以执行定位操作时控制UWB定位单元604执行定位操作，否则，直接控制MEMS定位单元603执行定位操作；\n[0092] RTD定位单元602、UWB定位单元604和MEMS定位单元603分别将得到的定位数据发送至卡尔曼滤波器605进行数据融合，并计算得出准确的定位信息。\n[0093] 本申请实施例公开的无缝定位装置的一详尽结构示意图如图7所示，其中RTD定位单元602、UWB定位单元604和MEMS定位单元603通过空间基准统一单元606将得到的定位数据发送至卡尔曼滤波器605；\n[0094] 空间基准统一单元606用于对RTD定位单元602、UWB定位单元604和MEMS定位单元603采用的空间坐标系进行统一。\n[0095] 需要说明的是，由于采用了RTD定位技术的全球卫星导航系统使用的地心地固空间坐标系，而超宽带系统使用的是自定义坐标系，同时MEMS系统是惯性坐标系，因此将空间基准做一个有效的统一。通过精密测量仪器如全站仪的手段，将全球导航卫星系统的坐标推算归化至超宽带传感器位置坐标中，从而实现了两种室内外定位信号源的空间基准统一，而惯性坐标系归化至地心地固坐标系的方法，主要是基于姿态转换的方法。\n[0096] 空间坐标系统一主要是在无缝定位基础设施建设过程中实施的。\n[0097] 本申请实施例公开的无缝定位装置的又一详尽结构示意图如图8所示，其中，UWB定位单元604通过时间同步单元607与卡尔曼滤波器605相连接；时间同步单元607用于将UWB定位单元604采用的时间基准同步为RTD定位单元602采用的时间基准。\n[0098] 需要说明的是，对于时间基准，由于采用了RTD定位技术的全球导航卫星信号是基于自定义的一套时间系统，主要参数为周数及周秒，而超宽带系统UWB使用的是UTC时间，因此两种时间系统需要作一种相互归化的推算方法。\n[0099] 时间同步在于从室外定位到室内定位的过渡场合中，以及辅助定位模式中的时间信息校准，当运动载体从室外进入室内的时候，此时需要使用之前的RTD定位信息，定位信息往往是具有时间标记的，并且RTD定位信息采用的GNSS时间系统比UWB时间系统精确，因为需要将UWB时间归化至GNSS时间上，以实现同步。\n[0100] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。