UWB與GNSS結(jié)合的室內(nèi)外一體化定位系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用、智能無人駕駛、手機室內(nèi)導(dǎo)航等新興行業(yè)及應(yīng)用的發(fā)展，用戶對室內(nèi)外一體化定位及導(dǎo)航的需求日趨增長。回顧目前各種室內(nèi)定位技術(shù),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(nèi)定位方案，主要解決室內(nèi)場景的定位問題，不同的技術(shù)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(huán)境適應(yīng)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(huán)境中依然能正常收發(fā)[9-10]，且定位精度相對較高，因而在專業(yè)市場得到了廣泛應(yīng)用，例如礦業(yè)井下作業(yè)管理[11]、工業(yè)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(tǒng)的室內(nèi)定位標簽以獨立的工牌或手環(huán)形式佩戴，只能在室內(nèi)區(qū)域進行定位，因此不能滿足室內(nèi)外一體化連續(xù)定位的需求。本文將UWB定位技術(shù)與全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)技術(shù)、無線通信技術(shù)集成到手持智能設(shè)備上形成一體化終端，在服務(wù)端進行衛(wèi)導(dǎo)結(jié)果與超寬帶定位結(jié)果的融合，從而獲得連續(xù)定位結(jié)果，并利用實時軌跡數(shù)據(jù)實現(xiàn)對人員和重要設(shè)施的在線監(jiān)測，通過劃定作業(yè)區(qū)域和時間，實現(xiàn)對作業(yè)人員是否進入危險區(qū)域的預(yù)警提醒，保障作業(yè)人員安全。

1 UWB室內(nèi)定位技術(shù)

UWB定位系統(tǒng)由基站、定位標簽和解算服務(wù)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(fā)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(jù)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(shè)標簽P同時發(fā)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(shù)，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(yōu)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(zhì)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(shè)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(tǒng)也容易承載較多數(shù)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(shù)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(tǒng)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(shù)，即可求出P點坐標。

AOA定位方式減少了硬件部署的數(shù)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(qū)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(yōu)點；TOF方法具有基站數(shù)量需求少的優(yōu)點；TDOA方法具有在復(fù)雜環(huán)境下定位能力強的優(yōu)點；本文服務(wù)器解算策略是根據(jù)信號質(zhì)量混合使用模型的計算結(jié)果。

2 室內(nèi)外一體化定位系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

為便于用戶攜帶和使用，本文設(shè)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(shè)備中。硬件內(nèi)核采用ARM公司的Cortex A53高性能處理器，GNSS采用支持實時動態(tài)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(shè)計預(yù)留慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)傳感器接口，同時設(shè)計帶有4G模塊，以便數(shù)據(jù)實時回傳到服務(wù)器，硬件架構(gòu)設(shè)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(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于GNSS的室外場景高精度定位技術(shù)已經(jīng)非常成熟：終端通過網(wǎng)絡(luò)模塊接入連續(xù)運行參考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)系統(tǒng)獲得RTCM差分數(shù)據(jù)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(jié)果，本文不再贅述。

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

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

當用戶從室外環(huán)境向室內(nèi)環(huán)境移動時，由于衛(wèi)星受到遮擋，GNSS芯片接收到的衛(wèi)星數(shù)將減少，定位結(jié)果出現(xiàn)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(nèi)基站，定位標簽接收到的基站數(shù)目也將增多，監(jiān)控平臺根據(jù)解狀態(tài)進行定位模式的切換。

3 仿真驗證

為了能夠驗證本文室內(nèi)外定位系統(tǒng)的運行效果，選擇在筆者辦公區(qū)域進行測試。

3.1 定位基站部署

為實現(xiàn)室內(nèi)外坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一，在天臺開闊區(qū)域用RTK連接CORS采集解算中誤差優(yōu)于1cm的固定解坐標作為起算點，再用1s精度的全站儀聯(lián)測獲得室內(nèi)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(wǎng)線與解算服務(wù)器連接,部署平面如圖6所示。

圖6 實驗總體設(shè)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(chǎn)項目中遇到面積較大的室內(nèi)定位系統(tǒng)基站布局設(shè)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(shè)計評定。

3.2 動態(tài)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(nèi)，系統(tǒng)端實時顯示運動軌跡，事后將數(shù)據(jù)庫記錄的軌跡坐標展示到平面圖中，動態(tài)軌跡圖如圖7所示。

圖7 動態(tài)測試軌跡圖Fig.7 Positioning trajectory of dynamic test

從圖7可以看出，用戶在室內(nèi)外環(huán)境中均能輸出定位結(jié)果，定位軌跡與實際行走路線相符，衛(wèi)星定位與UWB定位軌跡平滑過渡，說明終端能夠進行連續(xù)的一體化定位。根據(jù)參考文獻[14]的方法，還可利用智能終端設(shè)備上的慣性測量值，對UWB室內(nèi)定位結(jié)果進行動態(tài)平滑濾波。

3.3 靜態(tài)精度測試

為進一步評估室內(nèi)定位系統(tǒng)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(shù)據(jù)，然后按不同的方向統(tǒng)計內(nèi)符合中誤差，計算公式如式(4)

(4)

式中，N為測試點個數(shù)；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(tài)測試精度統(tǒng)計表

從測試結(jié)果可以看出，UWB定位內(nèi)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(nèi)環(huán)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(zhì)量較差，導(dǎo)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(yōu)化基站位置等方法進行改善。

4 結(jié)論

本文針對電力北斗安全應(yīng)用及智能無人駕駛領(lǐng)域面臨的室內(nèi)外無縫定位需求，設(shè)計開發(fā)了一套UWB與GNSS結(jié)合的軟硬件系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明：

1)通過坐標聯(lián)測統(tǒng)一GNSS與UWB定位的坐標系統(tǒng)后，可以實現(xiàn)室內(nèi)外一體化無縫定位，UWB動態(tài)定位精度明顯弱于靜態(tài)定位精度。

2)靜態(tài)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(nèi)環(huán)境影響較大。

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