基于北斗與超寬帶的通導(dǎo)融合模型研究

岳 鵬，劉懷遠，黨 方

基于北斗與超寬帶的通導(dǎo)融合模型研究

岳 鵬，劉懷遠，黨 方

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

傳統(tǒng)的北斗定位可以解決大部分場景下的位置定位問題，設(shè)計了一種北斗與超寬帶的組合定位模型，主要應(yīng)用在衛(wèi)星信號受到嚴重遮蔽的區(qū)域，此時利用超寬帶輔助定位可以對缺少的北斗觀測量進行補足，同時對超寬帶基站的合理布設(shè)進行進一步分析，使其在復(fù)雜的區(qū)域內(nèi)依舊滿足用戶的定位需求。

北斗；超寬帶；偽距融合模型

0 引言

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對傳統(tǒng)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）與中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System， BDS）定位的不足，從各個角度研究了GPS/BDS與超寬帶技術(shù)（Ultra Wide Band，UWB）組合定位的可能性，在BDS和UWB組合定位系統(tǒng)中要想實現(xiàn)真正意義的緊耦合需要建立它們的緊耦合綜合觀測方程，要想實現(xiàn)高精度定位需要選擇合適的UWB基站布設(shè)位置以及合適的融合定位算法。

BDS/UWB組合定位主要應(yīng)用在衛(wèi)星信號受到嚴重遮蔽的區(qū)域，此時利用UWB輔助定位可以對缺少的BDS觀測量進行補足，使其在復(fù)雜的區(qū)域內(nèi)依舊滿足用戶的定位需求。為了實現(xiàn)BDS/UWB的組合定位，首先要建立其組合定位的偽距融合模型，然后根據(jù)各個模塊開展詳細的研究。而要想實現(xiàn)BDS和UWB真正意義上的緊耦合，就必須通過建立綜合觀測方程對它們的數(shù)據(jù)進行融合。與此同時，UWB基站的合理布設(shè)對BDS/UWB組合系統(tǒng)的定位性能也有著很大的影響。本文將對BDS/UWB偽距融合模型和UWB基站的布設(shè)方案開展詳細的研究。

1 融合模型

北斗超寬帶組合定位的偽距融合模型如圖1所示。在每個需要定位的目的點上放置一個處理器，該處理器不同于一般的北斗接收機，它是一個綜合多功能處理器，可以接收北斗信號，并將接收到的北斗信號所攜帶的衛(wèi)星坐標、偽距和鐘差校正等信息解析出來，然后將這些信息傳遞給數(shù)據(jù)處理中心。同時定位目的點上的綜合多功能處理器也可以發(fā)射UWB信號，各個UWB接收基站會接收來自定位目的點的UWB信號并根據(jù)測距算法從中解析出測距信息，然后將該距離信息以及相對應(yīng)的UWB基站坐標轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)處理中心，這樣數(shù)據(jù)處理中心就同時接收到了來自于BDS和UWB兩個定位子系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)。

圖1 BDS/UWB組合定位的偽距融合模型

數(shù)據(jù)處理中心是BDS/UWB組合定位系統(tǒng)的核心，是該系統(tǒng)擁有高精度定位性能至關(guān)重要的一部分。如圖1所示的數(shù)據(jù)處理中心包含的數(shù)據(jù)處理過程為：首先，在每一個觀測歷元下數(shù)據(jù)處理中心都會接收來自BDS以及UWB子系統(tǒng)的定位準備數(shù)據(jù)，將這些準備數(shù)據(jù)包括偽距、星坐標等信息進行初步的篩選、剔除、模型補償?shù)墓ぷ?。然后，用篩選補償后的定位準備數(shù)據(jù)建立各自子系統(tǒng)的觀測方程，最終融合形成新的BDS/UWB綜合觀測方程，真正地實現(xiàn)北斗定位系統(tǒng)以及UWB子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的緊耦合。最后，需要特定的智能優(yōu)化定位算法將BDS/UWB綜合觀測方程進行解算。數(shù)據(jù)處理中心在每一個觀測歷元下經(jīng)過上述數(shù)據(jù)的處理過程才可以得到我們所需要的目的定位點的三維坐標信息。

2 綜合觀測方程

當BDS信號出現(xiàn)遮蔽等而導(dǎo)致定位觀測量不足時，單獨的BDS系統(tǒng)無法完成用戶的定位需求。而UWB的定位原理和BDS定位原理有著諸多相似之處，可以采用UWB的觀測量對BDS缺少的定位觀測量進行補足。采用BDS偽距和UWB測距信息緊耦合的方式來進行BDS/UWB系統(tǒng)的組合，進而建立綜合觀測方程來進行定位坐標的解算。

BDS定位解算實際上就是求解非線性方程組的過程，如式（1）所示：

偽衛(wèi)星是一類安裝在地面上、艦船上或者天空中的類似于衛(wèi)星的設(shè)備，偽衛(wèi)星技術(shù)能夠通過增加衛(wèi)星數(shù)量以及合適的偽衛(wèi)星布設(shè)位置人為地改善空中衛(wèi)星的幾何分布，對于那些處于遮蔽的復(fù)雜環(huán)境下的定位服務(wù)有著重要的應(yīng)用價值。對于UWB定位子系統(tǒng)來說，正是采用UWB偽衛(wèi)星的定位輔助方式來對BDS缺失的觀測量進行補足的。

在采用UWB偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)對BDS進行輔助增強定位時，首先根據(jù)衛(wèi)星的幾何分布選擇合適的UWB基站布設(shè)位置，將UWB偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)的局部坐標進行絕對坐標的轉(zhuǎn)化，使其和BDS的坐標進行統(tǒng)一，讓二者都采用我國標準大地坐標系（CGCS2000），這也就是組合定位系統(tǒng)中的空間同步；然后通過相應(yīng)的鐘差校正技術(shù)對UWB偽衛(wèi)星基站的時鐘進行校正，使其和BDS時間進行同步，從而實現(xiàn)BDS和UWB偽衛(wèi)星系統(tǒng)的時空同步。最后根據(jù)到達時間（Time of Arrival，TOA）定位方式建立UWB子系統(tǒng)的定位觀測方程。

UWB偽衛(wèi)星基站通常布設(shè)在用戶的上方或者需要定位的環(huán)境內(nèi)部，因此UWB信號不會存在電離層時延和對流層時延的問題。UWB的定位觀測方程如式（2）所示：

同理，可以得到UWB偽衛(wèi)星輔助定位系統(tǒng)的觀測方程如式（4）所示：

只有將BDS的數(shù)據(jù)和UWB偽衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進行融合，建立BDS/UWB綜合觀測方程，才算是將BDS和UWB進行了緊耦合處理。可以將兩個子系統(tǒng)的方程進行聯(lián)立來求解，以獲得高精度的定位結(jié)果，將各自子定位系統(tǒng)的方程進行組合能夠得到BDS/UWB綜合觀測方程如式（5）所示：

將式（5）中的對流程誤差、電離層誤差以及鐘差等建立相應(yīng)的補償校正模型進行補償，校正后的BDS/UWB綜合觀測方程如式（6）所示：

3 定位誤差算法

定位算法采用的是牛頓迭代—最小二乘定位算法。對BDS偽距來說設(shè)定的用戶測距誤差是均值為0，方差為1的正態(tài)分布；對于UWB測距誤差來說設(shè)定的誤差是均值為0，方差為0.2的正態(tài)分布。對于定位性能的評定，采用每一個定位點在300個觀測歷元下的平均定位誤差以及均方根誤差兩種評定標準。

當A、 B、C、D四顆衛(wèi)星都可以觀測時的定位性能如圖2所示。

圖2 BDS4下的定位誤差

在用戶接收機觀測到4顆北斗衛(wèi)星時，它們所形成的幾何構(gòu)型的集合精度因子值（Geometric Dilution Precision， GDOP）為8.876 5。對于定位系統(tǒng)來說，該GDOP的值是偏大的，這是因為只有4顆衛(wèi)星觀測量，在實際的北斗定位中，衛(wèi)星觀測量一般都是在5顆以上的，因為研究的定位系統(tǒng)是為存在遮蔽的復(fù)雜環(huán)境下的定位提供服務(wù)的，所以在這里只選取了4顆衛(wèi)星。通過仿真結(jié)果能夠看出，此時定位誤差的均值是5.87 m，定位的均方根誤差為6.89 m。

4 布設(shè)位置分析

UWB基站布設(shè)在不同的位置時，會給BDS/UWB組合定位系統(tǒng)帶來不同的GDOP值，而不同的GDOP值，會影響最終的定位性能。

將UWB基站布設(shè)在不同的位置時所對應(yīng)的GDOP值、平均定位誤差以及定位的均方根誤差如表1～表3所示。從表1中仿真結(jié)果可以看出，隨著GDOP值的增大，相應(yīng)的定位性能會相應(yīng)的下降。使GDOP最小的UWB基站布設(shè)位置，也會使BDS/UWB組合定位系統(tǒng)呈現(xiàn)出最好的定位性能，此時平均定位誤差為2.5074 m，均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）為2.8780 m，UWB基站的加入使北斗的定位性能有約55%的提升。

表1 BDS4/UWB中UWB布設(shè)位置對定位性能的影響

當衛(wèi)星D不可見時，通過UWB的加入仍可完成定位，而且會提高原BDS的定位性能。以最小GDOP布設(shè)UWB基站時，BDS/UWB組合定位系統(tǒng)的平均定位誤差為3.3166 m，相比于單一的原BDS系統(tǒng)來說定位性能有著40%的提升，如表2所示。

表2 BDS3/UWB中UWB布設(shè)位置對定位性能的影響

當衛(wèi)星D不可見時，通過UWB的加入仍可完成定位，此次仿真在原BDS3+UWB的組合定位系統(tǒng)中再次加入一個UWB基站，形成BDS3+UWB2組合定位系統(tǒng)，這樣做的目的是提高組合系統(tǒng)的定位精度，滿足用戶的定位需求。當?shù)?個UWB基站布設(shè)在（-14，-6）時，組合定位系統(tǒng)的GDOP達到了最小值2.319 8，此時定位的平均誤差為1.482 9 m，RMSE為1.657 1 m，如表3所示。

表3 BDS3/UWB2中第2個UWB布設(shè)位置對定位性能的影響

不同BDS/UWB組合定位系統(tǒng)的綜合性能分析如表4所示，UWB輔助基站的加入會使得北斗的幾何分布變好，從而使GDOP下降，提高系統(tǒng)的定位性能。當北斗可觀測衛(wèi)星達到4顆時，加入UWB可以提高系統(tǒng)的定位性能；當北斗可觀測衛(wèi)星不足4顆時，可以加入UWB基站來進行觀測量補足，使北斗恢復(fù)它的定位性能。實際應(yīng)用中，要根據(jù)定位場景的復(fù)雜程度、用戶需求的定位精度以及成本等因素綜合考慮UWB基站的布設(shè)方案。

表4 BDS/UWB組合定位系統(tǒng)性能分析

5 結(jié)語

本文主要建立了基于BDS/UWB的偽距融合定位模型并對其進行了性能評估。首先，研究了BDS定位的偽距觀測方程以及UWB偽衛(wèi)星的觀測方程，將二者的觀測方程聯(lián)合建立了BDS/UWB組合定位的綜合觀測方程，并結(jié)合偽距修正和定位算法等模塊建立了偽距定位模型。使得BDS在觀測量不足時，依舊能滿足用戶的定位需求，實現(xiàn)了真正意義上的BDS和UWB緊耦合。此外，通過仿真結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)UWB的加入能夠在BDS觀測量不足時進行觀測量補足，從而有效地增強BDS的定位性能，對于通信與導(dǎo)航領(lǐng)域均有一定的借鑒意義。

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Research on Communication and Navigation Fusion Model Based on BDS and UWB

YUE Peng, LIU Huaiyuan, DANG Fang

The traditional Beidou positioning can solve the problem of position location of most of the scenarios, a big dipper and the combination of UWB positioning model are designed, mainly used in the satellite signal severely covered, at this time of UWB auxiliary positioning can make up for lack of a big dipper of the observable for the reasonable layout of UWB base station for further analysis, so that it is in complex areas still meet the user’s positioning needs.

Beidou Navigation Satellite System; Ultra Wide Band; Pseudorange Fusion Model

TN925

A

1674-7976-(2022)-06-391-05

2022-08-26。

岳鵬（1983.06—），陜西漢中人，碩士，高級工程師，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)。