超寬帶定位融合GNSS 一體化定位技術研究＊

肖巖 張繪軍 李冀 劉麗珍

（1.廣州中海達衛(wèi)星導航技術股份有限公司，廣東廣州 510000；2.鄭州聯(lián)睿電子科技有限公司，河南鄭州 450000)

0.引言

隨著無線定位技術的發(fā)展，特別是基于IEEE802.15.4a、4z 協(xié)議[1]的超寬帶無線定位技術的發(fā)展，高精度位置服務逐步從室外延伸到了室內，滿足了日益增長的室內位置服務需求。超寬帶室內定位技術目前雖然已廣泛應用于工廠、物流、電力、無人機等領域，但通常只構建單一的室內定位系統(tǒng)，缺乏能夠有效覆蓋室外環(huán)境與復雜室內環(huán)境的一體化定位服務[2]。本文研究一種超寬帶定位融合GNSS 的一體化定位技術，定位終端集成超寬帶和GNSS 模塊，利用超寬帶無線定位技術，構建室內類GNSS 超寬帶定位系統(tǒng)，室外使用衛(wèi)星定位技術，通過結合時空對準，無縫融合技術，從而實現(xiàn)室內外一體化定位。

1.室內類GNSS 超寬帶定位系統(tǒng)

對于GNSS 系統(tǒng)來說，GNSS 衛(wèi)星向GNSS 模塊發(fā)送用于導航定位的調制波，GNSS 模塊接收GNSS 衛(wèi)星發(fā)出的信號后，通過偽距測量法、載波相位法等方法確定定位終端的位置，GNSS 模塊根據(jù)NMEA-0183 協(xié)議規(guī)范[3]，將位置信息傳送到定位終端。借鑒GNSS 系統(tǒng)的定位模式，用超寬帶無線定位技術，即基站分時隙廣播式發(fā)送，定位終端接收，構建了室內類GNSS 超寬帶定位系統(tǒng)，具有定位終端無線容量，在定位終端解算，類似于室內的GNSS模塊，易于和GNSS 模塊結合構建室內外一體化定位。

1.1 超寬帶基站分時隙發(fā)送

不同于GNSS 信號體制，超寬帶定位接收機不能同時接收多個基站的信號，超寬帶基站需要分時隙發(fā)送，才能在接收端無沖突的進行接收。我們定義了廣播周期T，每隔時間T，各個基站發(fā)送一次超寬帶調制波，在廣播周期T 內，各個基站按照兩跳內不沖突的原則分配時隙[4]，并在指定時隙內進行發(fā)送，從而避免定位終端的接收碰撞。如圖1 所示。

1.2 超寬帶基站時鐘同步

GNSS 衛(wèi)星使用原子鐘，比如銫原子鐘、銣原子鐘、氫原子鐘等，GNSS 衛(wèi)星的時鐘可以維持上億年時間誤差不超1s。并且地面站可以通過地球同步軌道衛(wèi)星作為中繼對系統(tǒng)中其他軌道衛(wèi)星進行同步[5]，而對于類GNSS 超寬帶定位系統(tǒng)來說，也需要基站間時鐘同步，并且超寬帶基站所使用的晶振有較大的時鐘漂移，所以需要周期性的時鐘同步，我們利用兩個廣播周期的超寬帶調制波信號，進行相偏及頻偏估計，完成超寬帶基站間的時鐘同步[6]。

1.3 超寬帶終端定位

圖1 室內類GNSS超寬帶定位系統(tǒng)時隙分配策略

圖3 考慮運動情況下定位終端接收基站分時隙調制波信號的示意圖

圖2 定位終端接收基站分時隙調制波信號的示意圖

2.室內類GNSS 超寬帶定位系統(tǒng)和GNSS 一體化定位融合機制

2.1 超寬帶位置信息和GNSS 位置信息的時空配準

室內類GNSS 系統(tǒng)和室外GNSS 系統(tǒng)定位融合的前提是具有統(tǒng)一的坐標系和時間基準。室內類GNSS 超寬帶定位系統(tǒng)采用基站發(fā)送，終端接收并解算的定位機制，基站坐標通過在室外利用RTK 標記參考點，在室外標記參考點的基礎上通過全站儀測量，獲取室內基站的大地坐標，從而類GNSS 超寬帶定位系統(tǒng)所輸出的定位坐標為大地坐標。定位終端集成超寬帶和GNSS 模塊，通過GNSS 模塊給超寬帶模塊提供授時，使得室內類GNSS 超寬帶定位系統(tǒng)輸出和GNSS 模塊輸出具有相同的時間基準。經過時空配準后的定位終端可認為是雙模的GNSS 模塊。

2.2 雙模位置信息融合

在室外區(qū)域通常只有GNSS 模塊輸出定位信息，在室內區(qū)域通常只有超寬帶模塊輸出定位信息，但在臨界區(qū)域通常會有雙模位置信息并存，涉及雙模位置信息融合問題，并且由于定位終端處理延遲不一致，會出現(xiàn)GNSS 模塊和超寬帶模塊輸出位置信息在時間上錯序，我們采用卡爾曼濾波結合卡爾曼平滑技術對雙模位置信息融合，當位置信息的時間是增加的情況下采用卡爾曼濾波技術進行融合，當位置信息的時間出現(xiàn)錯序時采用卡爾曼平滑進行反向濾波再進行前向卡爾曼濾波，從而有效實現(xiàn)雙模位置信息融合。

3.結語

本文在借鑒GNSS 定位方式的基礎上，結合超寬帶定位的特性，構建了類GNSS 室內超寬帶定位系統(tǒng)，并考慮了和GNSS 模塊融合的融合機制，構建了一體化定位系統(tǒng)，能夠有效在覆蓋室內室外混合場景下提供一體化的定位服務。