基于慣性導航的人員定位系統研究

摘 要：分析了全球衛星導航系統（GNSS）、無線電定位和慣性導航定位各自的優劣勢，提出基于慣性導航的人員定位系統設計。為減小系統隨時間的累計誤差，引入高精度地圖和精細化三維模型等基于場景的位置融合算法，最大限度地從系統誤差源等因素出發，提出相應的解決辦法以提高定位精度。

關鍵詞：慣性導航；定位；融合

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.157

1 引言

近年來移動GIS的迅猛發展，人們對定位與導航的精度需求也在不斷增長。公元十三世紀，中國人發明了指南針并以此穿越南中國海。1942年德國在V-2火箭上率先應用慣性導航系統，極大地刺激了精確定位的需求。無線電技術的高速發展使得定位所需的若干解算參數均可通過研究無線電波的傳播特性得到，GNSS應運而生。

為了克服GNSS只能應用于空曠室外的劣勢，基于UWB、Zigbee和RFID等低成本、低功耗、高精度的室內定位方案相繼出現，并呈現出實時定位的發展趨勢[1]。隨著慣性測量單元（IMU）性價比不斷提高，基于慣性導航的室內定位技術已成為研究熱點。IMU與人體捷聯，利用慣性導航原理計算行進的步長、電子羅盤搭配陀螺儀可實時測量每一步前進的方向，進而推算人員的位置。

基于無線電的室內定位方案，需要前期在定位所覆蓋的區域內鋪設一定密度的參考定位信標，成本與區域的面積成正比。慣性導航系統的設備體積小，不需要在定位覆蓋的區域進行前期的安裝和特征測量 [2]，系統不受室內還是室外環境的限制，成本僅與目標的數量有關，非常適合大規模應用；劣勢在于系統的累計誤差隨時間呈指數增長[3]。如何減小累計誤差實現高精度室內定位成為該領域研究的重點和難點。

2 基于慣性導航的人員定位系統

圖1給出了基于慣性導航的人員定位系統結構框圖。系統分兩部分：用戶端和服務端。

用戶端的兩個組成部分包括數據采集和預處理。由于IMU中集成了慣性傳感元件和地磁計，將前期設計開發的數據采集單元固定在人員的身體上，與人體捷聯。例如將采集單元固定在人員的腰部、脛骨處、腳后跟及腳尖等運動參數明顯且周期變化的位置上。數據預處理部分對采集單元采集的慣性傳感及磁力數據進行預處理，將結果與相關的模式識別算法相結合，如機器學習等，對人員行進的動作進行識別[4]；利用慣性導航理論計算IMU的方位角，與系統可實現的動態電子羅盤相結合，對每個步長的行進方向進行估計；人員的動作類型、步長和方向等位置推算的必要參數實時發送到服務端。

服務端的兩個組成部分為位置推算和位置服務。服務端在獲取到諸如人員的動作類型、步長和方向等必要參數后，查詢當前位置的空間屬性，推算人員當前的具體位置。

3 位置推算與定位融合

位置推算過程中累積誤差一直參與后續的位置更新過程，且呈現指數級增長。在前期的研究過程中發現，利用零速率修正（ZUPT）技術，在每個位置推算的起始點，將一些為零的中間參數強制設置為零，以切斷累計誤差在后續位置跟新過程中繼續迭代。

若采用ZUPT以后，推算的位置還是與高精度的地圖或三維模型的點位存在很大的差異，可利用其它的定位手段，如室外采用GNSS、室內采用一定精度和成本的無線電定位方案，對推算的當前位置進行校正，達到與實際場景長期保持一致，實現定位融合。

針對室內環境的復雜程度不斷提高這一趨勢，本文提出了在三維空間內實現室內人員定位的想法，采用類VR場景來實時且動態地呈現人員當前的位置，直觀地展現基于慣性導航的室內人員定位系統的效果，如圖2所示。同時可利用高精度的三維室內場景對位置推算的定位方法進行位置融合，進一步提高室內定位的精度。

4 結束語

人員定位技術是一個具有挑戰和機遇的研究課題，人員定位系統的構建更是涉及方方面面，如傳感器/網技術、模擬/數字信號處理、位置融合與濾波等高新技術的交叉應用。本文針對基于慣性導航技術的人員定位系統所涉及的關鍵問題展開了相關的研究。后續將對IMU本身的溫差偏移、測量噪聲等因素導致系統的定位誤差進行研究。

參考文獻：

[1]田增山，朝磊，邢培基等.行人導航系統中航跡推算參數估計方法的研究[J]，電子技術應用，2009：84-87.

[2]張天光，王秀萍，王麗霞.捷聯慣性導航技術[J].北京：國防工業出版社，2010.

[3]汪少初.基于PDR的定位與跟蹤技術研究及系統設計[D].天津大學，2014.

[4]徐光祐，曹媛媛.動作識別與行為理解綜述[J].中國圖象圖形學報，2009（02）：189-195.