區(qū)域無線/衛(wèi)星/慣性組合無縫定位關(guān)鍵技術(shù)研究*

史巖，朱濤，傅軍，李峰

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 導(dǎo)航工程系，湖北 武漢 430033)

區(qū)域無線/衛(wèi)星/慣性組合無縫定位關(guān)鍵技術(shù)研究*

史巖，朱濤，傅軍，李峰

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 導(dǎo)航工程系，湖北 武漢 430033)

慣性技術(shù)雖然能完全自主的輸出定位信息，但誤差隨著時(shí)間而增加，只能短時(shí)間的保持精度，而衛(wèi)星定位在室內(nèi)環(huán)境下無法有效提供連續(xù)定位信號的缺陷，因此將衛(wèi)星和慣性定位組合，再加入?yún)^(qū)域無線定位可以形成無縫定位的組合方式。采用這3種組合方式實(shí)現(xiàn)無縫定位，并設(shè)計(jì)了不同定位場景的解決方案，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)和跑車實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都表明，這種組合方式既增加了定位的適用范圍，又達(dá)到了無縫定位的要求。

無縫定位；區(qū)域無線定位；衛(wèi)星定位；慣性定位；組合定位

0 引言

文章所采用的組合導(dǎo)航系統(tǒng)在各個模塊獨(dú)立工作的同時(shí)，加以信息融合技術(shù)來形成一種閉環(huán)的導(dǎo)航定位校正系統(tǒng)，從而提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，由此就形成了無縫定位[1]系統(tǒng)。相對其他單一的定位方式，此方法增加了定位的適用范圍，實(shí)現(xiàn)了全天候的無縫定位。

1 組合導(dǎo)航閉環(huán)設(shè)計(jì)方案

在組合導(dǎo)航定位中，慣性自主導(dǎo)航系統(tǒng)為主，衛(wèi)星和區(qū)域無線作為備份系統(tǒng)。自主導(dǎo)航定位采用慣性器件組成的微捷聯(lián)慣性系統(tǒng)，衛(wèi)星和區(qū)域無線作為組合定位的輔助設(shè)備。

圖1 閉環(huán)修正結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Closed loop correction chart

2 定位環(huán)境自主式選擇

定位環(huán)境選擇是指由于衛(wèi)星的運(yùn)行或定位載體的運(yùn)動，使得載體接收的衛(wèi)星數(shù)目或無線信號強(qiáng)度發(fā)生變化的情形。具有較低的延時(shí)、較小的選擇頻率是自主式選擇的基本原則[3]。本文衛(wèi)星單指GPS，根據(jù)接收到的 GPS衛(wèi)星數(shù)目、GPS衛(wèi)星的GDOP值以及區(qū)域無線信號強(qiáng)度制定定位算法切換策略。

(1) 根據(jù)衛(wèi)星數(shù)目信息以及區(qū)域無線信息選擇不同的定位方案：當(dāng)衛(wèi)星數(shù)為0時(shí)選擇區(qū)域無線單獨(dú)定位；當(dāng)衛(wèi)星數(shù)小于4時(shí)選擇區(qū)域無線輔助GPS定位方案； 當(dāng)衛(wèi)星數(shù)目大于4時(shí)結(jié)合GDOP值可選擇GPS/區(qū)域無線組合定位方案。

(2) 區(qū)域無線定位時(shí)，采用基于TOA算法的UWB技術(shù),對通訊有效性和區(qū)域內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行判斷。

GPS定位易受惡劣天氣及信號遮擋的干擾，區(qū)域無線定位技術(shù)的定位精度有限，在局域范圍內(nèi)由于信號的微弱、非視距情況下，可能無法實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)。為了確保定位服務(wù)在時(shí)空上的連續(xù)性，在此基礎(chǔ)上加入了慣性定位。這樣的組合方案，基本上覆蓋了盡可能大的定位范圍。根據(jù)不同的定位場景，相應(yīng)的解決方案見表1所示。

3 區(qū)域無線定位

3.1 區(qū)域無線定位原理分析

無線定位[4]可定義為利用無線電波的傳播特性來確定無線電設(shè)備的地理位置，是在無線電基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)，其本身就屬于無線電系統(tǒng)。簡單的講就是通過無線電波的接收和發(fā)射，測量目標(biāo)的方向、距離、距離差、高度等定位參量，來實(shí)現(xiàn)位置坐標(biāo)求解的過程，原理圖如圖2所示。

3.2 基于TOA算法的UWB定位

3.2.1 TOA算法

TOA(time of arrival)表示基于信號到達(dá)時(shí)間的定位算法。

表1 區(qū)域無線/衛(wèi)星/慣性組合定位Table 1 Regional radio / Satellite / inertial integrated positioning

圖2 無線電定位系統(tǒng)原理圖Fig.2 Radio positioning system

圖3 TOA定位原理圖Fig.3 TOA diagram

3.2.2 無線定位系統(tǒng)的UWB定位技術(shù)

超寬帶[5](ultra weight band, UWB)技術(shù)是無需載波的帶寬1 GHz以上的無線通信技術(shù)。作為無載波通信技術(shù)，直接利用非正弦窄脈沖傳輸信息，其通信速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bps以上，且頻譜極寬。

UWB定位系統(tǒng)的組成[6]主要由參考標(biāo)識、主動標(biāo)識和接收機(jī)組成。它由N個UWB基站接收機(jī)、1個UWB移動站組成，見圖4。

圖4 UWB精確定位系統(tǒng)示意圖Fig.4 UWB accurate location system

UWB技術(shù)被認(rèn)為是無線電技術(shù)的革命性進(jìn)展，在無線通信、雷達(dá)跟蹤以及精確定位等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。在無線通信領(lǐng)域，UWB可以提供高速率的無線通信。在雷達(dá)跟蹤方面，UWB雷達(dá)具有高分辨力和強(qiáng)穿透能力，UWB信號能穿透樹葉、地表、混凝土、水體等介質(zhì)，使軍事上UWB雷達(dá)可用來探測地雷，民用上可以探測地下金屬管道等。在精確定位方面，UWB使用極微弱的同步脈沖可以辨別出非視距情況下運(yùn)動著的物體，定位精度可以達(dá)到厘米級。

3.3 時(shí)間同步及無線定位精度問題

由于UWB信號的時(shí)間超分辨性[7]，利用其定位的系統(tǒng)通過測量信號的到達(dá)時(shí)間(TOA)，再將其轉(zhuǎn)換為移動站與基站之間的距離，而后利用定位算法計(jì)算移動站的位置。因此，TOA估計(jì)誤差直接導(dǎo)致測距誤差，從而產(chǎn)生移動站定位誤差。TOA估計(jì)需要移動站與基站之間精確的時(shí)間同步，非精確的時(shí)間同步將導(dǎo)致UWB系統(tǒng)的定位誤差。但由于硬件的局限，完全的時(shí)鐘同步是不可能的。

影響無線定位精度的重要因素是移動臺與基站之間的信號為非視距傳播信號。視距傳播是得到準(zhǔn)確的信號特征測量值的必要條件。當(dāng)2個點(diǎn)之間不存在直接路徑時(shí)，只有信號的反射和衍射成分能夠到達(dá)接收端，此時(shí)第一個到達(dá)的脈沖時(shí)間不能代表TOA的真實(shí)值，存在非視距誤差。因此，如何減小非視距傳播的影響是提高定位精度的關(guān)鍵因素之一。在文中仿真過程，采用了Wylie[8]這種簡單處理非視距誤差的方法。

4 慣性系統(tǒng)解算

捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)是把慣性元件，即陀螺儀和加速度計(jì)直接固定在載體上，分別測量載體相對于慣性空間的3個轉(zhuǎn)動角速度和3個線加速度沿載體坐標(biāo)系的分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換，把加速度信息轉(zhuǎn)化為沿導(dǎo)航坐標(biāo)系的加速度。經(jīng)過計(jì)算，得到運(yùn)載體的位置、速度、航向和水平姿態(tài)等各種導(dǎo)航信息，其原理[9 - 10]如圖5所示。

圖5 捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)原理圖Fig.5 Strapdown inertial navigation system

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)[11]的工作過程分為2個階段:初始對準(zhǔn)階段，導(dǎo)航階段。導(dǎo)航階段主要輸出載體的位置、速度、姿態(tài)信息。仿真中捷聯(lián)慣導(dǎo)主程序的功能就是調(diào)用子程序進(jìn)行導(dǎo)航解算并且控制導(dǎo)航時(shí)間的長短。主程序中首先設(shè)定仿真參數(shù)，如地球參數(shù)、慣性測量組件的采樣周期以及導(dǎo)航時(shí)間等，然后依次調(diào)用導(dǎo)航數(shù)據(jù)源產(chǎn)生程序和導(dǎo)航解算程序進(jìn)行導(dǎo)航解算。

5 衛(wèi)星定位解算

衛(wèi)星定位系統(tǒng)所采用的定位方法是空間TOA[12]。通過測量衛(wèi)星信號傳輸?shù)接脩艚邮諜C(jī)所用的時(shí)間，就可以估測用戶到衛(wèi)星的距離R，從而確定用戶在以該衛(wèi)星為球心，R為半徑的球面上。如果時(shí)間完全同步，通過測量到3個衛(wèi)星的距離，就可以確定該用戶的位置。但實(shí)際上衛(wèi)星與接收機(jī)之間沒有嚴(yán)格的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)作為參考，他們之間存在時(shí)間差t，并引起了距離估算誤差b=ct,c為光速。所以實(shí)際上接收到的是衛(wèi)星與接收機(jī)間的距離，即偽距。因此只用3顆衛(wèi)星無法準(zhǔn)確定位，而衛(wèi)星定位系統(tǒng)都是在一個球面上使用4顆衛(wèi)星對目標(biāo)進(jìn)行定位的。

6 模型建立與仿真分析

本文通過對慣性器件和無線測距設(shè)備輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過Matlab對其進(jìn)行分析處理，并結(jié)合測量器件的技術(shù)手冊，建立誤差模型。

6.1 慣性器件誤差建模

陀螺的精度對定位結(jié)果影響較大，則陀螺建模分為常值誤差、隨機(jī)誤差和一階馬爾可夫過程誤差；加速度計(jì)的精度一般較高，常值誤差較小，故本文對加速度計(jì)建模為一階馬爾可夫過程。

6.2 無線測距設(shè)備和衛(wèi)星接收機(jī)誤差建模

測距設(shè)備的常值誤差由于TOA算法而抵消，且分析出測距設(shè)備的馬爾科夫相關(guān)時(shí)間較大，噪聲信號的相關(guān)性較小，故無線測距設(shè)備的誤差模型為隨機(jī)誤差；衛(wèi)星所提供的導(dǎo)航參數(shù)中位置、速度誤差為高斯白噪聲，衛(wèi)星定位誤差用一階馬爾可夫過程等效。

6.3 Kalman濾波器模型

根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差方程和慣性的誤差模型[2-3]，可以得到組合定位系統(tǒng)的狀態(tài)方程，選取慣導(dǎo)系統(tǒng)和無線定位系統(tǒng)的差值作為觀測量，可以得到組合系統(tǒng)的量測方程，具體如下：

式中：X(t)為18維的系統(tǒng)狀態(tài)矢量，X=(Φe，Φn，Φu，δve,δvn，δvu,δSe, δSn, δSu,εcx,εcy,εcz,εrx,εry,εrz,Δrx,Δry,Δrz)T,其中Φe,Φn,Φu為t時(shí)刻東北天的姿態(tài)角誤差，δve,δvn, δvu為t時(shí)刻東北天的速度誤差，δSe,δSn,δSu為t時(shí)刻東北天的位置誤差，εcx,εcy,εcz為陀螺常值漂移，εrx,εry,εrz為陀螺一階馬爾可夫誤差，Δrx,Δry,Δrz為加速度計(jì)一階馬爾可夫誤差；F(t)為18×18維的系統(tǒng)狀態(tài)矩陣；W(t)是系統(tǒng)白噪聲誤差；G(t)為系統(tǒng)的噪聲矩陣，

Y(t)，Z(t)為系統(tǒng)的2個觀測矢量，Y(t)選擇捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的和衛(wèi)星接收機(jī)輸出的相應(yīng)速度、位置差作為觀測量，Z(t)選擇捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和無線定位系統(tǒng)速度、位置差作為觀測量，觀測矩陣如下形式，

H(t)為6×18維的系統(tǒng)量測矩陣，

V(t)為6維量測噪聲矢量，其均值為0。

在工程應(yīng)用中，需要將狀態(tài)方程和量測方程離散化為

Xk=Φk,k-1Xk-1+Γk,k-1Wk-1，

Zk=HkXk+Vk.

6.4 系統(tǒng)仿真分析

應(yīng)用Matlab軟件對無縫定位組合進(jìn)行仿真，仿真依照表1的定位選擇條件，在衛(wèi)星信號不穩(wěn)定時(shí)，采用無線輔助衛(wèi)星定位，并與慣性定位系統(tǒng)形成區(qū)域無線/衛(wèi)星/慣性組合無縫定位。

定位場景選取在衛(wèi)星信號可用與不可用的臨界區(qū)域，仿真該場景下3種組合定位的效果。系統(tǒng)利用接收到的衛(wèi)星信號和無線定位基站的信號，對定位載體所處的環(huán)境進(jìn)行判斷，并將得到的衛(wèi)星信號和基站信號以及定位環(huán)境的基礎(chǔ)信息發(fā)送給定位程序，進(jìn)而進(jìn)行定位解算。在定位解算中，采用最小二乘、卡爾曼濾波的方法得到最優(yōu)估計(jì)值。

具體的仿真環(huán)境設(shè)置如下：仿真目標(biāo)物運(yùn)動軌跡為軌跡發(fā)生器模擬目標(biāo)物在[-25,25，-25,25]的正方形中，目標(biāo)物圍繞圓心(0,0)，半徑r=10的圓做勻速直線運(yùn)動，運(yùn)動角速率為0.1 rad/s，此區(qū)域橫坐標(biāo)指向東向，縱坐標(biāo)指向北向，目標(biāo)物環(huán)繞圈數(shù)為3，共用時(shí)188.4 s。4個基站位于矩形區(qū)域的4個角上，測量目標(biāo)物到各個基站的距離，為無線定位解算提供數(shù)據(jù)源。由慣性組成的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)位于載體上，分別感知載體的角速度和加速度，為慣導(dǎo)解算提供數(shù)據(jù)源。

各測量器件的誤差模型如下：設(shè)三軸陀螺和三軸加速度計(jì)的漂移特性相同，陀螺常值漂移誤差為0.2(°)/s，白噪聲漂移均方根為0.1(°)/s，一階馬爾可夫漂移均方根為0.1(°)/s，馬爾可夫相關(guān)時(shí)間為1 800 s；加速度計(jì)隨機(jī)零偏均方根為1×10-3g，馬爾可夫相關(guān)時(shí)間為1 200 s;無線測距隨機(jī)零偏均方根為0.5 m；GPS水平位置誤差為0.1 m/s，位置誤差8 m，相關(guān)時(shí)間200 s。GPS和無線測距數(shù)據(jù)的更新頻率為1 Hz。

由于篇幅有限，僅對東向位置的定位效果加以分析：仿真示意圖6中 a)～ c) 為原始、慣性及3種組合定位的目標(biāo)物軌跡示，b)～f)為其東向位置誤差曲線。圖a) 目標(biāo)物3次相同的圓周運(yùn)動軌跡完全重合。圖d) 說明慣性系統(tǒng)定位誤差隨時(shí)間積累而不斷變大，所以圖b)慣性單獨(dú)定位的軌跡隨著圈數(shù)的增加，軌跡偏離嚴(yán)重。圖c) 顯示了組合定位較為明顯的效果，而圖e),f)的誤差曲線也說明了組合的優(yōu)越性，且圖f)3種組合方式的精度相對于e) 圖的2種組合也有很大幅度的提高。

7 跑車實(shí)驗(yàn)

圖7所示分別為區(qū)域無線定位中固定于三腳架上的基站，慣性器件，車頂安放GPS天線及無線定位移動臺發(fā)射器的跑車。跑車實(shí)驗(yàn)在有高大樹木遮擋的校園道路進(jìn)行，并環(huán)繞籃球場后回到主干道路，實(shí)際軌跡成“幾”字形狀。區(qū)域無線定位基站依據(jù)跑車實(shí)驗(yàn)的范圍確定數(shù)量和布局，慣性器件固定于跑車的內(nèi)部。整體系統(tǒng)接收單GPS定位、單區(qū)域無線定位以及無縫組合定位的信息，數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)變換至同一坐標(biāo)系下，再由MATLAB軟件整理后的軌跡圖如圖8所示。

圖8中跑車定位位置在區(qū)域無線定位下，幾乎沒有出現(xiàn)斷續(xù)的現(xiàn)象，而GPS信號由于受到樹木遮擋的影響使得定位效果時(shí)斷時(shí)續(xù)，區(qū)域無線/衛(wèi)星/慣性組合定位既修正了區(qū)域無線定位，又彌補(bǔ)了GPS定位的斷續(xù)，而且整個曲線變得平滑，可見這種組合方式基本實(shí)現(xiàn)了無縫定位的要求。這里需要說明的是跑車(移動載體)的運(yùn)動速度對精度影響的問題，在UWB定位中，動態(tài)更新頻率取決于移動載體的移動速度。因此可以調(diào)整區(qū)域無線定位中的更新頻率來適應(yīng)不同速度的移動載體，在慣性和衛(wèi)星定位中，移動載體的運(yùn)動速度對精度的影響暫時(shí)回避不做考慮。

圖6 軌跡和東向位置誤差仿真曲線示意圖Fig.6 Track and east to the position error simulation curve diagram

圖7 無線定位基站、慣導(dǎo)器件、跑車實(shí)驗(yàn)天線布局實(shí)物圖Fig.7 Wireless base station, inertial navigation devices, experimental antenna layout

8 結(jié)束語

本文在構(gòu)建無縫定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 對衛(wèi)星信號不穩(wěn)定時(shí)的無縫定位系統(tǒng)進(jìn)行了Matlab仿真來加以分析，并且應(yīng)用于實(shí)際問題進(jìn)行了跑車實(shí)驗(yàn)，并給出了跑車真實(shí)的定位軌跡。通過仿真分析和跑車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該組合系統(tǒng)的可行性，達(dá)到了區(qū)域無線/衛(wèi)星/慣性組合無縫定位關(guān)鍵技術(shù)研究的目的，但對于系統(tǒng)定位精度評估以及評估基準(zhǔn)的選取有待進(jìn)一步的研究。

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Research on the Key Technology of Wireless / GPS/ Inertial Integrated Seamless Positioning

SHI Yan，ZHU Tao，F(xiàn)U Jun，LI Feng

(Naval University of Engineering, College of Electrical Engineering, The Department of Navigation Engineering,Hubei Wuhan 430033,China)

Inertial technology can completely independently output location information, but the error increases with time, keeping the accuracy of only a short time. Satellite positioning in indoor environment cannot effectively provide continuous positioning signal. So the combination of satellite and inertial positioning, adding area wireless positioning can form seamless positioning. The three combinations to achieve seamless positioning, design solutions and different location scenes, and the results of simulation and experiment. The experimental results show that, this combination not only increases the scope of positioning, but also achieves seamless positioning requirements.

seamless positioning; wireless positioning; global navigation satellite system(GNSS) positioning; inertial positioning; combined positioning

2014-09-01；

2014-10-06

總裝預(yù)研基金(9140A09050112JB11112)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NO.41274013)

史巖(1989-)，男，遼寧盤錦人。碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)閼T性技術(shù)、GPS導(dǎo)航技術(shù)。

通信地址：124010 遼寧省盤錦市興隆臺區(qū)瀚新紫潤茗都16號樓3單元502室 E-mail：lnpj198999@126.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.015

TN953+.7；TN967.1；TP391.9

A

1009-086X(2015)-04-0086-07