基于GPS與超寬帶的室內(nèi)外無(wú)縫定位改進(jìn)算法

汪宇航 李莉 鄭正奇 趙昆

摘 ?要： 結(jié)合GPS、慣性導(dǎo)航技術(shù)以及超寬帶（UWB）技術(shù)，提出基于定位信號(hào)數(shù)量和信號(hào)強(qiáng)度的定位方法切換策略.根據(jù)切換策略，將偽距測(cè)量、Chan-Taylor協(xié)同算法以及行人航跡推算算法進(jìn)行松散組合，得到優(yōu)化后的定位算法. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了切換策略的可行性，優(yōu)化了室內(nèi)外交界區(qū)域的定位軌跡，為室內(nèi)外無(wú)縫定位技術(shù)提供了思路.

關(guān)鍵詞： 超寬帶（UWB）; Chan-Taylor協(xié)同算法; 手機(jī)GPS; 室內(nèi)外無(wú)縫定位

中圖分類號(hào)： TN 92 ?????文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ????文章編號(hào)： 1000-5137（2021）01-0084-08

Abstract： A switching strategy of positioning method combining GPS， inertial navigation with ultra-wide band （UWB） based on signal quantity and signal strength was proposed in this paper. An optimized positioning algorithm was provided based on loose combination of technology of psecudo-range measurement，Chan-Taylor collaborative algorithm and pedestrian dead reckoning according to the strategy above. The experiment result showed that the switching strategy was feasible and the positioning trajectory of the connection area was optimized， which provided a novel idea for indoor and outdoor seamless positioning technology.

Key words： ultra-wide band （UWB）; Chan-Taylor collaborative algorithm; GPS based on smart phone; indoor and outdoor seamless positioning

0 ?引言

當(dāng)前全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括美國(guó)的GPS、歐盟的伽利略、俄羅斯的格洛納斯以及中國(guó)的北斗，它們?cè)谑彝舛ㄎ环矫婢哂懈呔?、全覆蓋等優(yōu)點(diǎn)[1].然而，在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下，由于信號(hào)遮擋和多徑效應(yīng)等因素會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星的定位信號(hào)衰弱，使其定位效果變差，甚至不能正常工作.

為了解決室外定位技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確室內(nèi)定位的問(wèn)題，室內(nèi)定位技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái).當(dāng)前主流的室內(nèi)定位技術(shù)包括超寬帶（UWB）技術(shù)、WIFI技術(shù)、射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、超聲波技術(shù)、ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)和紅外線技術(shù)等[2-3].但是室內(nèi)定位與室外定位相對(duì)獨(dú)立，在室內(nèi)外交界區(qū)域的復(fù)雜環(huán)境下，單一的定位技術(shù)很難同時(shí)覆蓋室內(nèi)外空間，無(wú)法滿足整體精度要求，于是室內(nèi)外無(wú)縫定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.

無(wú)縫定位技術(shù)保證多種場(chǎng)景下定位技術(shù)、算法、精度和覆蓋范圍的平滑過(guò)渡和無(wú)縫連接[4]，同時(shí)兼容室外和室內(nèi)定位技術(shù)，目前處于研究初級(jí)階段，更實(shí)用的無(wú)縫定位算法仍是未來(lái)研究的熱點(diǎn).

關(guān)維國(guó)等[5]提出了“北斗”與WIFI的融合定位方法，解決了單一的“北斗”或WIFI定位系統(tǒng)盲區(qū)問(wèn)題，提高了定位精度.鄔春明等[6]提出了差分GPS（DGPS）和UWB的無(wú)縫定位技術(shù)，解決了DGPS在室內(nèi)定位精度降低，以及UWB不適合室外定位的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外交界處的無(wú)縫定位.蔡勁等[7]提出全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）與室內(nèi)地磁指紋節(jié)點(diǎn)結(jié)合的室內(nèi)外無(wú)縫定位方法，解決了室內(nèi)外無(wú)縫定位不能平滑自動(dòng)切換的問(wèn)題.ZENG等[8]提出GNSS與基于手機(jī)的慣性導(dǎo)航相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外的無(wú)盲區(qū)導(dǎo)航.基于智能手機(jī)和平板電腦終端，ADELL等[9]提出WIFI和GNSS組合的智能室內(nèi)外定位切換方法.但在復(fù)雜的室內(nèi)外交界區(qū)域，衛(wèi)星信號(hào)與無(wú)線信號(hào)都容易受到非視距誤差的影響，僅采用手機(jī)內(nèi)置GPS接收模塊與UWB組合的定位方式并不能保證在任何地方都能實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)的定位，而基于手機(jī)的慣性導(dǎo)航技術(shù)不會(huì)受到這種環(huán)境的影響，可與GPS和UWB相互補(bǔ)充.本文作者利用手機(jī)中的慣性傳感器，結(jié)合GPS和UWB系統(tǒng)，通過(guò)航跡推算，提高定位精度.

1 ?定位系統(tǒng)模型

1.1 室外定位模型

在進(jìn)行室外定位測(cè)試時(shí)，選用安裝在智能手機(jī)平臺(tái)上的GPS工具箱記錄定位數(shù)據(jù)，如圖1所示.GPS工具箱可導(dǎo)出標(biāo)記語(yǔ)言（KML）文件，借助KML文件可以查看實(shí)驗(yàn)過(guò)程中手機(jī)所處的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，計(jì)算手機(jī)在模型場(chǎng)景中的坐標(biāo).

1.2 室內(nèi)定位模型

UWB定位技術(shù)是當(dāng)前室內(nèi)定位技術(shù)研究的熱點(diǎn)[10].UWB定位系統(tǒng)由UWB標(biāo)簽、固定基站以及監(jiān)控軟件3部分組成，如圖2所示.將UWB標(biāo)簽綁定在定位對(duì)象上，在定位過(guò)程中，UWB標(biāo)簽以一個(gè)固定頻率間歇性地發(fā)出UWB脈沖信號(hào)，固定基站計(jì)算脈沖信號(hào)的傳輸時(shí)間，通過(guò)監(jiān)控軟件選取合適算法，計(jì)算定位對(duì)象的位置.

獲取移動(dòng)標(biāo)簽位置的基本定位方法主要有：信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）、到達(dá)角度（AOA）、到達(dá)時(shí)間 （TOA）和到達(dá)時(shí)間差（TDOA）[11]定位方法，在室內(nèi)環(huán)境下，RSSI定位方法成本較低、功率較小，但易受多徑效應(yīng)的干擾;AOA定位方法對(duì)硬件要求較高;TOA定位方法雖然可以滿足精度要求，但難以滿足硬件的時(shí)鐘精度要求;TDOA是對(duì)TOA的改進(jìn)方法，進(jìn)行時(shí)鐘同步時(shí)，不需要加入特定的時(shí)間戳.

1.3 室內(nèi)外定位模型場(chǎng)景

為了研究室內(nèi)外無(wú)縫定位算法，需要提前規(guī)劃定位數(shù)據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景.以如圖3所示的某大學(xué)信息樓四樓的樓頂天臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)的室外場(chǎng)景，如圖4所示的走廊連接天臺(tái)與室內(nèi)UWB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：樓頂天臺(tái)的GPS信號(hào)良好，天臺(tái)與走廊交界處GPS信號(hào)較弱，走廊與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室交界處UWB信號(hào)較弱，走廊中部GPS信號(hào)與UWB信號(hào)都很弱.故選樓頂天臺(tái)、走廊及室內(nèi)場(chǎng)景作為研究高精度室內(nèi)外無(wú)縫定位的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景.

2 ?室內(nèi)外定位算法原理

2.1 GPS偽距定位原理

GPS偽距測(cè)量是利用GPS發(fā)射的偽隨機(jī)碼和地面接收機(jī)的復(fù)制碼計(jì)算衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離[12]，計(jì)算過(guò)程受時(shí)鐘誤差、大氣延遲等影響，測(cè)得的距離并不真實(shí)，因此稱為偽距.

3 ?室內(nèi)外交界區(qū)域定位方法的切換策略

針對(duì)定位過(guò)程中部分路段定位軌跡缺失的問(wèn)題，室內(nèi)外無(wú)縫定位技術(shù)分為切換和融合兩部分.在切換方法中，根據(jù)切換條件判斷當(dāng)前處于室內(nèi)還是室外，某一時(shí)刻只會(huì)輸出一種定位算法的結(jié)果;在融合方法中，系統(tǒng)不判斷某一時(shí)刻所處位置，而是輸出多個(gè)定位算法的綜合結(jié)果.利用衛(wèi)星數(shù)量、UWB基站數(shù)量以及定位信號(hào)的強(qiáng)度作為切換判斷的參數(shù)指標(biāo).

在室外擬采用GPS定位，室內(nèi)擬采用UWB定位，同時(shí)采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，即加速度計(jì)和陀螺儀進(jìn)行輔助定位.定位過(guò)程中，對(duì)衛(wèi)星和UWB基站進(jìn)行搜索，當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量大于等于4時(shí)，將GPS數(shù)據(jù)作為最終定位時(shí)的參數(shù).對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所使用的UWB系統(tǒng)，當(dāng)UWB標(biāo)簽發(fā)送和接收的定位包功率高于-90 dBm時(shí)，信號(hào)質(zhì)量較好;低于-100 dBm時(shí)，信號(hào)質(zhì)量較差.當(dāng)UWB基站數(shù)量大于等于4，且這些基站接收到的定位包信號(hào)質(zhì)量較好時(shí)，采用TDOA測(cè)量值作為最終定位計(jì)算時(shí)使用的數(shù)據(jù);當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量小于4，UWB基站數(shù)量也小于4時(shí)，采用手機(jī)自帶的加速度計(jì)和陀螺儀所測(cè)數(shù)據(jù)作為最終定位時(shí)的參數(shù).定位方法的切換流程如圖7所示.

4 ?實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了定量分析手機(jī)GPS和室內(nèi)UWB系統(tǒng)的定位精度，需要將實(shí)驗(yàn)路線坐標(biāo)化.在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中標(biāo)記地點(diǎn)，利用紅外線測(cè)距儀、量角器等工具測(cè)量各標(biāo)記點(diǎn)之間的實(shí)際距離，構(gòu)建基于UWB系統(tǒng)基站坐標(biāo)的實(shí)驗(yàn)路線，如圖8所示.室外場(chǎng)景范圍為A（-40.67 m，-13.87 m）至B（-32.13 m，6.74 m）路段;室內(nèi)場(chǎng)景范圍為E（-5.50 m，1.00 m）至F（12.00 m，1.00 m）路段;走廊范圍為C（-24.58 m，9.00 m）至D（-8.00 m， 3.77 m）路段;左邊圓圈所示區(qū)域?yàn)樘炫_(tái)與走廊的交界區(qū)域，對(duì)應(yīng)B至C路段;右邊圓圈所示區(qū)域?yàn)樽呃扰c室內(nèi)UWB系統(tǒng)的交界區(qū)域，對(duì)應(yīng)D至E路段.

在完成實(shí)驗(yàn)路線規(guī)劃后，手持貼有UWB標(biāo)簽的手機(jī)，沿著規(guī)劃的路線以正常的步行速度從室外走向室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得的GPS數(shù)據(jù)、加速度計(jì)數(shù)據(jù)以及TDOA值導(dǎo)入電腦.根據(jù)提出的室內(nèi)外交界區(qū)域的定位方法進(jìn)行策略切換，將手機(jī)GPS、慣性導(dǎo)航和UWB定位進(jìn)行松散組合，得到優(yōu)化的定位算法，定位軌跡如圖9所示.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：GPS最大定位誤差為4.20 m;在視距情況下，UWB信號(hào)較強(qiáng)，最大定位誤差為0.54 m，平均定位誤差為0.28 m.在天臺(tái)與走廊的交界處，將測(cè)得的GPS數(shù)據(jù)作為慣性導(dǎo)航的初始位置，得到定位軌跡，定位最大誤差為3.10 m，定位平均誤差為1.70 m.在走廊中部?jī)H使用慣性導(dǎo)航進(jìn)行定位，傳感器自身誤差以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因手機(jī)抖動(dòng)所產(chǎn)生的誤差會(huì)不斷積累，因此本實(shí)驗(yàn)忽略了陀螺儀數(shù)據(jù)的輕微變化，默認(rèn)手機(jī)的移動(dòng)方向與實(shí)際路線一致.經(jīng)過(guò)計(jì)算得到走廊路段定位最大誤差為1.43 m，定位平均誤差為1.00 m.

5 ?結(jié)論

本文作者結(jié)合手機(jī)GPS、慣性導(dǎo)航技術(shù)和UWB技術(shù)，提出一種利用信號(hào)數(shù)量和信號(hào)強(qiáng)度為判斷條件的切換策略，根據(jù)既定的行進(jìn)路線，分析了室內(nèi)外交界區(qū)域的定位情況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用切換策略優(yōu)化后的定位算法進(jìn)行位置計(jì)算，定位的效果較好.本研究在室內(nèi)外無(wú)縫定位技術(shù)的切換思路上有一定的理論意義，在特定場(chǎng)合提升智能手機(jī)用戶的定位體驗(yàn)感方面有一定的實(shí)踐意義.但本實(shí)驗(yàn)只對(duì)定位數(shù)據(jù)作延時(shí)處理，定位的時(shí)效性有待提高.

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（責(zé)任編輯：包震宇）