UWB與GNSS結合的室內外一體化定位系統設計

潘國富，歐陽仲南，崔博浩

(廣州市中海達測繪儀器有限公司，廣州 511400)

0 引言

隨著電力北斗安全應用、智能無人駕駛、手機室內導航等新興行業及應用的發展，用戶對室內外一體化定位及導航的需求日趨增長。回顧目前各種室內定位技術,包括基于WiFi[1]、ZigBee、藍牙[2]、地磁場特征、射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)[3]、音頻[4]、慣性元器件[5]、計算機視覺[6]、超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)和5G通信基站信號等傳感器的室內定位方案，主要解決室內場景的定位問題，不同的技術流派定位精度各異，從分米級、亞米級、米級到50m不等，同時在精度、成本、可靠性和環境適應性等方面也各有不同[7-8]。其中UWB信號因具有帶寬較大、傳輸速率高、時間分辨率高、抗多徑能力強的特性，同時具有較強的穿透障礙物的能力，因此在有物體遮擋或干擾較大的環境中依然能正常收發[9-10]，且定位精度相對較高，因而在專業市場得到了廣泛應用，例如礦業井下作業管理[11]、工業制造、公檢法人員及物品管理、電廠/變電站巡檢人員安全管理[12]以及物流、隧道、地鐵等場景中。

傳統的室內定位標簽以獨立的工牌或手環形式佩戴，只能在室內區域進行定位，因此不能滿足室內外一體化連續定位的需求。本文將UWB定位技術與全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)技術、無線通信技術集成到手持智能設備上形成一體化終端，在服務端進行衛導結果與超寬帶定位結果的融合，從而獲得連續定位結果，并利用實時軌跡數據實現對人員和重要設施的在線監測，通過劃定作業區域和時間，實現對作業人員是否進入危險區域的預警提醒，保障作業人員安全。

1 UWB室內定位技術

UWB定位系統由基站、定位標簽和解算服務器3個部分組成，通過獲取標簽到不同基站的幾何距離計算出標簽的實時位置，定位模式包括：基于到達時間(Time of Arrival，TOA)、基于飛行時間(Time of Flight，TOF)、基于到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)、基于到達角度(Angle of Arrival，AOA)等幾種，下面進行簡單介紹。

1.1 TOA 定位方式

通過測量UWB信號從定位標簽(Tag)發出到附近3個以上不同定位基站(Anchor)的時間，將時間差乘以光速即可獲得標簽到基站天線的距離觀測值，進而根據平面幾何原理確定出標簽的位置，TOA定位原理如圖1所示。

圖1 TOA定位方法示意圖Fig.1 Schematic of TOA positioning method

如圖1所示，設標簽P同時發射信號到A、B、C這3個基站，獲得距離觀測值，觀測方程如式(1)

(1)

式中，(XA，YA)、(XB，YB)、(XC，YC)分別為A、B、C這3個基站的已知坐標;LA、LB、LC分別為標簽到基站的距離觀測值;(X，Y)為待求標簽坐標。按式(1)中3個方程解2個未知數，將方程組進行線性化后用最小二乘即可求出P點坐標，實際解算中考慮到測距精度受信號遮擋、天線群延遲的各向異性以及多路徑等誤差源的影響，對各種誤差進行分類建模，利用卡爾曼濾波方法[13]獲取最優估計的標簽坐標。

1.2 TOF定位方式

TOF由TOA演化而來，它的定位方法與TOA在本質上是相同的，差別僅在于測量距離的方式不同：TOA使用時間戳進行測距，因此對硬件的時間同步精度要求較高；而TOF則使用時間段測距，從而避免了不同設備之間時鐘嚴格同步的要求，在一定程度上減少了由時鐘偏差引起的誤差，提高了測距精度，但由于需要雙向測距，標簽的功耗相比單向測距的方式更高。

1.3 TDOA定位方式

TDOA定位模式下，標簽的功耗相對較低，系統也容易承載較多數量的標簽同時工作，其通過測量UWB信號從標簽到2個不同的UWB基站之間傳播時間的差值，乘以光速即可得到距離差。由于平面上與2個固定點(基站)的距離差是常數的點的軌跡是雙曲線，所以TDOA定位方式又稱為雙曲線定位。TDOA是對TOA算法的改進，它并不是直接利用信號到達時間，而是利用多個UWB基站接收到信號的時間差來確定移動目標的位置,這樣標簽與基站之間就不需要嚴格的時鐘同步，只需要基站之間保持時間同步即可，TDOA定位原理如圖2所示。

圖2 TDOA定位方法示意圖Fig.2 Schematic of TDOA positioning method

如圖2所示，任意時刻系統可以測量標簽到不同基站的時間差dT=TA-TB，乘以光速即可得到標簽到不同基站之間的距離差觀測值，觀測方程如式(2)

(2)

式中，(XA，YA)、(XB，YB)、(XC，YC)分別為A、B、C這3個基站的已知坐標;LAB、LBC、LCA分別為標簽到2個基站的距離差;(X，Y)為待求標簽P點坐標。

1.4 AOA定位方式

AOA定位方式并不測量標簽與基站的距離，而是通過基站的天線陣列獲取UWB標簽信號的入射方向，以此來推算基站與標簽之間的角度，利用三角測量法計算出標簽的位置坐標。AOA一般只需要2個基站即可定位，其定位原理如圖3所示。

圖3 AOA定位方法示意圖Fig.3 Schematic of AOA positioning method

如圖3所示，由于定位基站A、B的位置已知，通過測量獲取基站到標簽的方向角，則容易求出P點到A、B軸向的夾角值∠A、∠B，觀測方程如式(3)

(3)

式中，(XA，YA)、(XB，YB)分別為A、B這2個基站的已知坐標；∠A、∠B分別為標簽到2個基站連線的夾角觀測值；(X，Y)為待求標簽坐標。按式(3)中2個方程求解2個未知數，即可求出P點坐標。

AOA定位方式減少了硬件部署的數量，但是由于測角精度很大程度上受到基站安裝高度的影響，有效定位區域的面積一般都不大，精度也較差。

綜上所述，TOA方法具有功耗小、平滑性好的優點；TOF方法具有基站數量需求少的優點；TDOA方法具有在復雜環境下定位能力強的優點；本文服務器解算策略是根據信號質量混合使用模型的計算結果。

2 室內外一體化定位系統設計

2.1 硬件設計

為便于用戶攜帶和使用，本文設計的一體化定位終端將UWB定位芯片與GNSS定位芯片集成到手持智能設備中。硬件內核采用ARM公司的Cortex A53高性能處理器，GNSS采用支持實時動態差分法(Real-Time Kinematic，RTK)定位的u-blox公司的F9p小型雙頻定位模塊，UWB模塊采用Decawave公司芯片，設計預留慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)傳感器接口，同時設計帶有4G模塊，以便數據實時回傳到服務器，硬件架構設計圖如圖4所示。

圖4 一體化定位終端硬件框架圖Fig.4 The frame diagram of GNSS/UWB fusing device

2.2 系統架構設計

基于GNSS的室外場景高精度定位技術已經非常成熟：終端通過網絡模塊接入連續運行參考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)系統獲得RTCM差分數據流,并傳入GNSS定位模塊即可進行RTK解算，從而獲得高精度定位結果，本文不再贅述。

當用戶進入到室內場景時，一體化終端上的UWB標簽將以固定頻率發射信號到UWB基站，基站將觀測信號傳到定位服務器進行解算后，獲得用戶室內坐標并推送到人員監控平臺，平臺融合GNSS解與UWB解后寫入數據庫中，然后便能為APP或網站應用提供用戶軌跡信息，系統示意圖如圖5所示。

圖5 GNSS/UWB定位系統示意圖Fig.5 Schematic of GNSS/UWB positioning system

當用戶從室外環境向室內環境移動時，由于衛星受到遮擋，GNSS芯片接收到的衛星數將減少，定位結果出現浮動、單點、精度下降，直至無解。同時隨著用戶定位終端不斷靠近室內基站，定位標簽接收到的基站數目也將增多，監控平臺根據解狀態進行定位模式的切換。

3 仿真驗證

為了能夠驗證本文室內外定位系統的運行效果，選擇在筆者辦公區域進行測試。

3.1 定位基站部署

為實現室內外坐標系統的統一，在天臺開闊區域用RTK連接CORS采集解算中誤差優于1cm的固定解坐標作為起算點，再用1s精度的全站儀聯測獲得室內UWB基站(圖中星號標記)和測試點位(圖6中三角形標記)的準確坐標。本文實驗共安裝4個UWB基站并用網線與解算服務器連接,部署平面如圖6所示。

圖6 實驗總體設計圖Fig.6 Overall design of experiment

基站空間布局會影響最終定位精度，在生產項目中遇到面積較大的室內定位系統基站布局設計時，可利用幾何精度衰減因子(Geometric Dilution of Precision，GDOP)對不同布局方案進行設計評定。

3.2 動態軌跡測試

筆者手持一體化定位終端，從室外天臺走入辦公室內，系統端實時顯示運動軌跡，事后將數據庫記錄的軌跡坐標展示到平面圖中，動態軌跡圖如圖7所示。

圖7 動態測試軌跡圖Fig.7 Positioning trajectory of dynamic test

從圖7可以看出，用戶在室內外環境中均能輸出定位結果，定位軌跡與實際行走路線相符，衛星定位與UWB定位軌跡平滑過渡，說明終端能夠進行連續的一體化定位。根據參考文獻[14]的方法，還可利用智能終端設備上的慣性測量值，對UWB室內定位結果進行動態平滑濾波。

3.3 靜態精度測試

為進一步評估室內定位系統的定位精度，分別在6個測試點位上進行靜置采集120s，共計1200個歷元數據，然后按不同的方向統計內符合中誤差，計算公式如式(4)

(4)

式中，N為測試點個數；Δi為各觀測值與平均值之差。

外符合中誤差計算公式如式(5)

(5)

表1 靜態測試精度統計表

從測試結果可以看出，UWB定位內符合精度各方向平均值小于10cm，外符合精度各方向平均值約30cm，滿足室內環境人員安全管理的精度要求。由于客觀條件所限，本文實驗基站安裝在不同房間，中間柱子與玻璃隔墻較多，信號質量較差，導致個別點位精度波動較大，這也是實際項目中面臨的主要問題，可以通過加密基站和優化基站位置等方法進行改善。

4 結論

本文針對電力北斗安全應用及智能無人駕駛領域面臨的室內外無縫定位需求，設計開發了一套UWB與GNSS結合的軟硬件系統。實驗結果表明：

1)通過坐標聯測統一GNSS與UWB定位的坐標系統后，可以實現室內外一體化無縫定位，UWB動態定位精度明顯弱于靜態定位精度。

2)靜態定位精度可以達到10cm，不同點位精度差異較大，說明UWB定位精度受室內環境影響較大。

3)本文初步設計實現了室內外一體化定位的硬件及系統，受時間精力所限，尚未解決室內定位精度易受基站數量和信號干擾影響的問題，下一步將研究GNSS定位技術、UWB技術、慣性傳感器和視覺等多源傳感器技術融合[15]，以進一步提高系統魯棒性。