超宽带定位融合GNSS 一体化定位技术研究＊

2020-04-10肖岩张绘军李冀刘丽珍

中国科技纵横 2020年21期

肖岩张绘军李冀刘丽珍

（1.广州中海达卫星导航技术股份有限公司，广东广州 510000；2.郑州联睿电子科技有限公司，河南郑州 450000)

0.引言

随着无线定位技术的发展，特别是基于IEEE802.15.4a、4z 协议[1]的超宽带无线定位技术的发展，高精度位置服务逐步从室外延伸到了室内，满足了日益增长的室内位置服务需求。超宽带室内定位技术目前虽然已广泛应用于工厂、物流、电力、无人机等领域，但通常只构建单一的室内定位系统，缺乏能够有效覆盖室外环境与复杂室内环境的一体化定位服务[2]。本文研究一种超宽带定位融合GNSS 的一体化定位技术，定位终端集成超宽带和GNSS 模块，利用超宽带无线定位技术，构建室内类GNSS 超宽带定位系统，室外使用卫星定位技术，通过结合时空对准，无缝融合技术，从而实现室内外一体化定位。

1.室内类GNSS 超宽带定位系统

对于GNSS 系统来说，GNSS 卫星向GNSS 模块发送用于导航定位的调制波，GNSS 模块接收GNSS 卫星发出的信号后，通过伪距测量法、载波相位法等方法确定定位终端的位置，GNSS 模块根据NMEA-0183 协议规范[3]，将位置信息传送到定位终端。借鉴GNSS 系统的定位模式，用超宽带无线定位技术，即基站分时隙广播式发送，定位终端接收，构建了室内类GNSS 超宽带定位系统，具有定位终端无线容量，在定位终端解算，类似于室内的GNSS模块，易于和GNSS 模块结合构建室内外一体化定位。

1.1 超宽带基站分时隙发送

不同于GNSS 信号体制，超宽带定位接收机不能同时接收多个基站的信号，超宽带基站需要分时隙发送，才能在接收端无冲突的进行接收。我们定义了广播周期T，每隔时间T，各个基站发送一次超宽带调制波，在广播周期T 内，各个基站按照两跳内不冲突的原则分配时隙[4]，并在指定时隙内进行发送，从而避免定位终端的接收碰撞。如图1 所示。

1.2 超宽带基站时钟同步

GNSS 卫星使用原子钟，比如铯原子钟、铷原子钟、氢原子钟等，GNSS 卫星的时钟可以维持上亿年时间误差不超1s。并且地面站可以通过地球同步轨道卫星作为中继对系统中其他轨道卫星进行同步[5]，而对于类GNSS 超宽带定位系统来说，也需要基站间时钟同步，并且超宽带基站所使用的晶振有较大的时钟漂移，所以需要周期性的时钟同步，我们利用两个广播周期的超宽带调制波信号，进行相偏及频偏估计，完成超宽带基站间的时钟同步[6]。

1.3 超宽带终端定位

图1 室内类GNSS超宽带定位系统时隙分配策略

图3 考虑运动情况下定位终端接收基站分时隙调制波信号的示意图

图2 定位终端接收基站分时隙调制波信号的示意图

2.室内类GNSS 超宽带定位系统和GNSS 一体化定位融合机制

2.1 超宽带位置信息和GNSS 位置信息的时空配准

室内类GNSS 系统和室外GNSS 系统定位融合的前提是具有统一的坐标系和时间基准。室内类GNSS 超宽带定位系统采用基站发送，终端接收并解算的定位机制，基站坐标通过在室外利用RTK 标记参考点，在室外标记参考点的基础上通过全站仪测量，获取室内基站的大地坐标，从而类GNSS 超宽带定位系统所输出的定位坐标为大地坐标。定位终端集成超宽带和GNSS 模块，通过GNSS 模块给超宽带模块提供授时，使得室内类GNSS 超宽带定位系统输出和GNSS 模块输出具有相同的时间基准。经过时空配准后的定位终端可认为是双模的GNSS 模块。

2.2 双模位置信息融合

在室外区域通常只有GNSS 模块输出定位信息，在室内区域通常只有超宽带模块输出定位信息，但在临界区域通常会有双模位置信息并存，涉及双模位置信息融合问题，并且由于定位终端处理延迟不一致，会出现GNSS 模块和超宽带模块输出位置信息在时间上错序，我们采用卡尔曼滤波结合卡尔曼平滑技术对双模位置信息融合，当位置信息的时间是增加的情况下采用卡尔曼滤波技术进行融合，当位置信息的时间出现错序时采用卡尔曼平滑进行反向滤波再进行前向卡尔曼滤波，从而有效实现双模位置信息融合。