區域無線/衛星/慣性組合無縫定位關鍵技術研究*

史巖，朱濤，傅軍，李峰

(海軍工程大學 電氣工程學院 導航工程系，湖北 武漢 430033)

區域無線/衛星/慣性組合無縫定位關鍵技術研究*

史巖，朱濤，傅軍，李峰

(海軍工程大學 電氣工程學院 導航工程系，湖北 武漢 430033)

慣性技術雖然能完全自主的輸出定位信息，但誤差隨著時間而增加，只能短時間的保持精度，而衛星定位在室內環境下無法有效提供連續定位信號的缺陷，因此將衛星和慣性定位組合，再加入區域無線定位可以形成無縫定位的組合方式。采用這3種組合方式實現無縫定位，并設計了不同定位場景的解決方案，并進行了仿真實驗和跑車實驗。實驗的結果都表明，這種組合方式既增加了定位的適用范圍，又達到了無縫定位的要求。

無縫定位；區域無線定位；衛星定位；慣性定位；組合定位

0 引言

文章所采用的組合導航系統在各個模塊獨立工作的同時，加以信息融合技術來形成一種閉環的導航定位校正系統，從而提高組合導航系統的精度，由此就形成了無縫定位[1]系統。相對其他單一的定位方式，此方法增加了定位的適用范圍，實現了全天候的無縫定位。

1 組合導航閉環設計方案

在組合導航定位中，慣性自主導航系統為主，衛星和區域無線作為備份系統。自主導航定位采用慣性器件組成的微捷聯慣性系統，衛星和區域無線作為組合定位的輔助設備。

圖1 閉環修正結構圖Fig.1 Closed loop correction chart

2 定位環境自主式選擇

定位環境選擇是指由于衛星的運行或定位載體的運動，使得載體接收的衛星數目或無線信號強度發生變化的情形。具有較低的延時、較小的選擇頻率是自主式選擇的基本原則[3]。本文衛星單指GPS，根據接收到的 GPS衛星數目、GPS衛星的GDOP值以及區域無線信號強度制定定位算法切換策略。

(1) 根據衛星數目信息以及區域無線信息選擇不同的定位方案：當衛星數為0時選擇區域無線單獨定位；當衛星數小于4時選擇區域無線輔助GPS定位方案； 當衛星數目大于4時結合GDOP值可選擇GPS/區域無線組合定位方案。

(2) 區域無線定位時，采用基于TOA算法的UWB技術,對通訊有效性和區域內外環境進行判斷。

GPS定位易受惡劣天氣及信號遮擋的干擾，區域無線定位技術的定位精度有限，在局域范圍內由于信號的微弱、非視距情況下，可能無法實現定位服務。為了確保定位服務在時空上的連續性，在此基礎上加入了慣性定位。這樣的組合方案，基本上覆蓋了盡可能大的定位范圍。根據不同的定位場景，相應的解決方案見表1所示。

3 區域無線定位

3.1 區域無線定位原理分析

無線定位[4]可定義為利用無線電波的傳播特性來確定無線電設備的地理位置，是在無線電基礎上發展起來的技術，其本身就屬于無線電系統。簡單的講就是通過無線電波的接收和發射，測量目標的方向、距離、距離差、高度等定位參量，來實現位置坐標求解的過程，原理圖如圖2所示。

3.2 基于TOA算法的UWB定位

3.2.1 TOA算法

TOA(time of arrival)表示基于信號到達時間的定位算法。

表1 區域無線/衛星/慣性組合定位Table 1 Regional radio / Satellite / inertial integrated positioning

圖2 無線電定位系統原理圖Fig.2 Radio positioning system

圖3 TOA定位原理圖Fig.3 TOA diagram

3.2.2 無線定位系統的UWB定位技術

超寬帶[5](ultra weight band, UWB)技術是無需載波的帶寬1 GHz以上的無線通信技術。作為無載波通信技術，直接利用非正弦窄脈沖傳輸信息，其通信速度可以達到幾百Mbps以上，且頻譜極寬。

UWB定位系統的組成[6]主要由參考標識、主動標識和接收機組成。它由N個UWB基站接收機、1個UWB移動站組成，見圖4。

圖4 UWB精確定位系統示意圖Fig.4 UWB accurate location system

UWB技術被認為是無線電技術的革命性進展，在無線通信、雷達跟蹤以及精確定位等方面有著廣闊的應用前景。在無線通信領域，UWB可以提供高速率的無線通信。在雷達跟蹤方面，UWB雷達具有高分辨力和強穿透能力，UWB信號能穿透樹葉、地表、混凝土、水體等介質，使軍事上UWB雷達可用來探測地雷，民用上可以探測地下金屬管道等。在精確定位方面，UWB使用極微弱的同步脈沖可以辨別出非視距情況下運動著的物體，定位精度可以達到厘米級。

3.3 時間同步及無線定位精度問題

由于UWB信號的時間超分辨性[7]，利用其定位的系統通過測量信號的到達時間(TOA)，再將其轉換為移動站與基站之間的距離，而后利用定位算法計算移動站的位置。因此，TOA估計誤差直接導致測距誤差，從而產生移動站定位誤差。TOA估計需要移動站與基站之間精確的時間同步，非精確的時間同步將導致UWB系統的定位誤差。但由于硬件的局限，完全的時鐘同步是不可能的。

影響無線定位精度的重要因素是移動臺與基站之間的信號為非視距傳播信號。視距傳播是得到準確的信號特征測量值的必要條件。當2個點之間不存在直接路徑時，只有信號的反射和衍射成分能夠到達接收端，此時第一個到達的脈沖時間不能代表TOA的真實值，存在非視距誤差。因此，如何減小非視距傳播的影響是提高定位精度的關鍵因素之一。在文中仿真過程，采用了Wylie[8]這種簡單處理非視距誤差的方法。

4 慣性系統解算

捷聯式慣性系統是把慣性元件，即陀螺儀和加速度計直接固定在載體上，分別測量載體相對于慣性空間的3個轉動角速度和3個線加速度沿載體坐標系的分量，經過坐標變換，把加速度信息轉化為沿導航坐標系的加速度。經過計算，得到運載體的位置、速度、航向和水平姿態等各種導航信息，其原理[9 - 10]如圖5所示。

圖5 捷聯式慣導系統原理圖Fig.5 Strapdown inertial navigation system

捷聯慣導系統[11]的工作過程分為2個階段:初始對準階段，導航階段。導航階段主要輸出載體的位置、速度、姿態信息。仿真中捷聯慣導主程序的功能就是調用子程序進行導航解算并且控制導航時間的長短。主程序中首先設定仿真參數，如地球參數、慣性測量組件的采樣周期以及導航時間等，然后依次調用導航數據源產生程序和導航解算程序進行導航解算。

5 衛星定位解算

衛星定位系統所采用的定位方法是空間TOA[12]。通過測量衛星信號傳輸到用戶接收機所用的時間，就可以估測用戶到衛星的距離R，從而確定用戶在以該衛星為球心，R為半徑的球面上。如果時間完全同步，通過測量到3個衛星的距離，就可以確定該用戶的位置。但實際上衛星與接收機之間沒有嚴格的時間標準作為參考，他們之間存在時間差t，并引起了距離估算誤差b=ct,c為光速。所以實際上接收到的是衛星與接收機間的距離，即偽距。因此只用3顆衛星無法準確定位，而衛星定位系統都是在一個球面上使用4顆衛星對目標進行定位的。

6 模型建立與仿真分析

本文通過對慣性器件和無線測距設備輸出數據進行采集，通過Matlab對其進行分析處理，并結合測量器件的技術手冊，建立誤差模型。

6.1 慣性器件誤差建模

陀螺的精度對定位結果影響較大，則陀螺建模分為常值誤差、隨機誤差和一階馬爾可夫過程誤差；加速度計的精度一般較高，常值誤差較小，故本文對加速度計建模為一階馬爾可夫過程。

6.2 無線測距設備和衛星接收機誤差建模

測距設備的常值誤差由于TOA算法而抵消，且分析出測距設備的馬爾科夫相關時間較大，噪聲信號的相關性較小，故無線測距設備的誤差模型為隨機誤差；衛星所提供的導航參數中位置、速度誤差為高斯白噪聲，衛星定位誤差用一階馬爾可夫過程等效。

6.3 Kalman濾波器模型

根據慣導系統的誤差方程和慣性的誤差模型[2-3]，可以得到組合定位系統的狀態方程，選取慣導系統和無線定位系統的差值作為觀測量，可以得到組合系統的量測方程，具體如下：

式中：X(t)為18維的系統狀態矢量，X=(Φe，Φn，Φu，δve,δvn，δvu,δSe, δSn, δSu,εcx,εcy,εcz,εrx,εry,εrz,Δrx,Δry,Δrz)T,其中Φe,Φn,Φu為t時刻東北天的姿態角誤差，δve,δvn, δvu為t時刻東北天的速度誤差，δSe,δSn,δSu為t時刻東北天的位置誤差，εcx,εcy,εcz為陀螺常值漂移，εrx,εry,εrz為陀螺一階馬爾可夫誤差，Δrx,Δry,Δrz為加速度計一階馬爾可夫誤差；F(t)為18×18維的系統狀態矩陣；W(t)是系統白噪聲誤差；G(t)為系統的噪聲矩陣，

Y(t)，Z(t)為系統的2個觀測矢量，Y(t)選擇捷聯慣導系統輸出的和衛星接收機輸出的相應速度、位置差作為觀測量，Z(t)選擇捷聯慣導系統和無線定位系統速度、位置差作為觀測量，觀測矩陣如下形式，

H(t)為6×18維的系統量測矩陣，

V(t)為6維量測噪聲矢量，其均值為0。

在工程應用中，需要將狀態方程和量測方程離散化為

Xk=Φk,k-1Xk-1+Γk,k-1Wk-1，

Zk=HkXk+Vk.

6.4 系統仿真分析

應用Matlab軟件對無縫定位組合進行仿真，仿真依照表1的定位選擇條件，在衛星信號不穩定時，采用無線輔助衛星定位，并與慣性定位系統形成區域無線/衛星/慣性組合無縫定位。

定位場景選取在衛星信號可用與不可用的臨界區域，仿真該場景下3種組合定位的效果。系統利用接收到的衛星信號和無線定位基站的信號，對定位載體所處的環境進行判斷，并將得到的衛星信號和基站信號以及定位環境的基礎信息發送給定位程序，進而進行定位解算。在定位解算中，采用最小二乘、卡爾曼濾波的方法得到最優估計值。

具體的仿真環境設置如下：仿真目標物運動軌跡為軌跡發生器模擬目標物在[-25,25，-25,25]的正方形中，目標物圍繞圓心(0,0)，半徑r=10的圓做勻速直線運動，運動角速率為0.1 rad/s，此區域橫坐標指向東向，縱坐標指向北向，目標物環繞圈數為3，共用時188.4 s。4個基站位于矩形區域的4個角上，測量目標物到各個基站的距離，為無線定位解算提供數據源。由慣性組成的捷聯慣導系統位于載體上，分別感知載體的角速度和加速度，為慣導解算提供數據源。

各測量器件的誤差模型如下：設三軸陀螺和三軸加速度計的漂移特性相同，陀螺常值漂移誤差為0.2(°)/s，白噪聲漂移均方根為0.1(°)/s，一階馬爾可夫漂移均方根為0.1(°)/s，馬爾可夫相關時間為1 800 s；加速度計隨機零偏均方根為1×10-3g，馬爾可夫相關時間為1 200 s;無線測距隨機零偏均方根為0.5 m；GPS水平位置誤差為0.1 m/s，位置誤差8 m，相關時間200 s。GPS和無線測距數據的更新頻率為1 Hz。

由于篇幅有限，僅對東向位置的定位效果加以分析：仿真示意圖6中 a)～ c) 為原始、慣性及3種組合定位的目標物軌跡示，b)～f)為其東向位置誤差曲線。圖a) 目標物3次相同的圓周運動軌跡完全重合。圖d) 說明慣性系統定位誤差隨時間積累而不斷變大，所以圖b)慣性單獨定位的軌跡隨著圈數的增加，軌跡偏離嚴重。圖c) 顯示了組合定位較為明顯的效果，而圖e),f)的誤差曲線也說明了組合的優越性，且圖f)3種組合方式的精度相對于e) 圖的2種組合也有很大幅度的提高。

7 跑車實驗

圖7所示分別為區域無線定位中固定于三腳架上的基站，慣性器件，車頂安放GPS天線及無線定位移動臺發射器的跑車。跑車實驗在有高大樹木遮擋的校園道路進行，并環繞籃球場后回到主干道路，實際軌跡成“幾”字形狀。區域無線定位基站依據跑車實驗的范圍確定數量和布局，慣性器件固定于跑車的內部。整體系統接收單GPS定位、單區域無線定位以及無縫組合定位的信息，數據經坐標變換至同一坐標系下，再由MATLAB軟件整理后的軌跡圖如圖8所示。

圖8中跑車定位位置在區域無線定位下，幾乎沒有出現斷續的現象，而GPS信號由于受到樹木遮擋的影響使得定位效果時斷時續，區域無線/衛星/慣性組合定位既修正了區域無線定位，又彌補了GPS定位的斷續，而且整個曲線變得平滑，可見這種組合方式基本實現了無縫定位的要求。這里需要說明的是跑車(移動載體)的運動速度對精度影響的問題，在UWB定位中，動態更新頻率取決于移動載體的移動速度。因此可以調整區域無線定位中的更新頻率來適應不同速度的移動載體，在慣性和衛星定位中，移動載體的運動速度對精度的影響暫時回避不做考慮。

圖6 軌跡和東向位置誤差仿真曲線示意圖Fig.6 Track and east to the position error simulation curve diagram

圖7 無線定位基站、慣導器件、跑車實驗天線布局實物圖Fig.7 Wireless base station, inertial navigation devices, experimental antenna layout

8 結束語

本文在構建無縫定位系統的基礎上, 對衛星信號不穩定時的無縫定位系統進行了Matlab仿真來加以分析，并且應用于實際問題進行了跑車實驗，并給出了跑車真實的定位軌跡。通過仿真分析和跑車實驗驗證了該組合系統的可行性，達到了區域無線/衛星/慣性組合無縫定位關鍵技術研究的目的，但對于系統定位精度評估以及評估基準的選取有待進一步的研究。

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Research on the Key Technology of Wireless / GPS/ Inertial Integrated Seamless Positioning

SHI Yan，ZHU Tao，FU Jun，LI Feng

(Naval University of Engineering, College of Electrical Engineering, The Department of Navigation Engineering,Hubei Wuhan 430033,China)

Inertial technology can completely independently output location information, but the error increases with time, keeping the accuracy of only a short time. Satellite positioning in indoor environment cannot effectively provide continuous positioning signal. So the combination of satellite and inertial positioning, adding area wireless positioning can form seamless positioning. The three combinations to achieve seamless positioning, design solutions and different location scenes, and the results of simulation and experiment. The experimental results show that, this combination not only increases the scope of positioning, but also achieves seamless positioning requirements.

seamless positioning; wireless positioning; global navigation satellite system(GNSS) positioning; inertial positioning; combined positioning

2014-09-01；

2014-10-06

總裝預研基金(9140A09050112JB11112)；國家自然科學基金項目(NO.41274013)

史巖(1989-)，男，遼寧盤錦人。碩士生，主要研究領域為慣性技術、GPS導航技術。

通信地址：124010 遼寧省盤錦市興隆臺區瀚新紫潤茗都16號樓3單元502室 E-mail：lnpj198999@126.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.015

TN953+.7；TN967.1；TP391.9

A

1009-086X(2015)-04-0086-07