[發明專利]一種基于超寬帶信號的多源數據融合定位方法及系統

在審

• 申請號: 202111485014.3
• 申請日: 2021-12-07
• 公開（公告）號: CN114216457A
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 張開婷;張迪;周立榮;馬超;藺陸洲;李俊;鄧平科;楊軍;賈蔡
• 申請（專利權）人: 全圖通位置網絡有限公司;北京市地鐵運營有限公司
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/18;G01C21/20;G01S19/46;G01S19/47
• 代理公司: 北京安度修典專利代理事務所(特殊普通合伙) 11424
• 代理人: 楊方成;馬歡萍

本發明涉及非暴露空間環境下復雜建筑結構、多種服務設施及交通路線位置定位技術領域，特別涉及一種基于超寬帶信號的多源融合定位方法及系統。其方法包括利用北斗定位系統確定室外定位的方法和利用IMU/UWB/PDR技術完成室內定位的方法，本發明的一種基于超寬帶信號的多源融合定位方法及系統，基于城市軌道交通環境中部署的超寬帶基站，融合北斗衛星導航定位信號和MEMS傳感器信息，結合DBS+UWB+PDR(航跡跟蹤)+IMU多種算法，通過參數優化，實現非暴露空間的多源融合導航定位。

技術領域

本發明涉及非暴露空間環境下復雜建筑結構、多種服務設施及交通路線位置定位技術領域，特別涉及一種基于超寬帶信號的多源融合定位方法及系統。

背景技術

現有技術下,常見的定位技術包括以下幾種：

1、北斗衛星導航系統(BDS)是我國自主研制的衛星導航系統，主要目標是為各類用戶提供實時的高精度定位導航服務。

北斗衛星系統定位技術本質上屬于無線電導航定位，定位原理為北斗衛星接收機通過獲取多個衛星信號，并利用每個信號的時間間隔解算出各衛星與接收機的距離，然后通過交匯法解算出接收機的三維坐標來實現導航定位。雖然BDS室外位置服務已經達到了令人滿意的技術成熟度，但在室內外交界區域的復雜環境下，單一的定位技術很難同時覆蓋室內外空間，無法滿足整體精度要求。研究北斗與其他系統的室內外融合定位技術，可彌補北斗室內及遮擋條件下定位性能的不足，實現多種場景下定位技術、算法、精度和覆蓋范圍的平滑過渡和無縫連接。

2、UWB技術是非載波通信技術，主要目標是對抗室內信道不利條件，如信號對信道衰落不敏感、穿透性強、抗多路徑干擾等。

通常采用非正弦形式的納秒級極窄脈沖信號傳輸方式，達到在超高帶寬上傳輸低功率的信號，納秒級脈沖寬度決定其能夠分辨納秒級的時延，通常可達到分米級定位精度。在復雜非暴露場景定位應用中，信號傳播除了會受多路徑效應的影響，還有普遍的非視距(NLOS)傳播帶來的誤差影響。UWB定位在抗干擾抗多徑上有較大的優勢，而其判別和應對NLOS傳播誤差的效果不佳，不能滿足精準定位的需求。

3、行人航位推算技術(PDR)是利用慣性傳感器實現的導航系統，主要目標是通過獲取初始位置信息與航向推算算法實現位置預測。PDR算法根據來自加速度和陀螺儀的原始數據，估計行人的步長和航向，實時推算行人的位置以達到定位跟蹤的目的，具有不依賴于任何額外硬件設備或外來信息即可自身實現導航的特點。PDR的位置推算具有遞歸計算的特性，出現誤差時會造成積累，無法通過自身消除，多通過使用另一種定位方案進行位置數據的糾正，采用融合算法對不同來源的定位數據實現融合。由于PDR不依賴額外硬件的特點，其設備兼容性也更強，更易與其他方法結合，這種與其他定位系統的可融合性，使得PDR輔助的定位技術成為可能。

4、IMU是一種慣性傳感器，主要目標是利用傳感器特性獲取載體自身的運動信息(如位置、姿態、速度等)。

IMU集三軸加速度計、陀螺儀和地磁儀于一體,尺寸小、重量輕、成本性低、可靠性高，無需借助基站輔助，同時不受外界其他信號干擾，獨立工作能力突出，可實現自主定位導航。但是單一種類的傳感器在單獨提供定位信息獲取位置坐標的過程中，仍然有一定的局限性和缺陷。IMU由于加速度數據漂移隨時間累積，且容易受不確定的噪聲影響，無法長時間提供定位精度高的定位服務。

此外，有一種利用慣性傳感器IMU實現UWB與行人推算(PDR)的融合的方法，其核心技術主要包括以下兩個方面：

1、基于智能手機慣性傳感器的PDR算法的改進

首先，使用IMU數據，基于低通濾波、加速和時間閾值的組合檢測PDR技術中的三個關鍵步驟。其次，考慮步行和跑步兩種不同的運動方式，比較分析了不同模型對步長的估計，確定了步長估計的最優方法和不同運動模式的相應參數。最后，采用Madgwick算法進行實時航向估計，提高了航向估計的精度，提高了PDR算法的定位精度。