随着大型建筑群、出行出游的快速增长,基于位置的服务(Location Based Services,LBS)在众多领域中爆发出急速增长的需求,大量室内外定位方案也随之发展起来。室外场景下,全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)已...
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随着大型建筑群、出行出游的快速增长,基于位置的服务(Location Based Services,LBS)在众多领域中爆发出急速增长的需求,大量室内外定位方案也随之发展起来。室外场景下,全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)已经非常成熟,能提供实时的可靠稳定的室外位置服务。然而在地下车库、大型商场、物流仓库等众多室内场景下,卫星信号丢失,GNSS定位失效,由此催生了许多无线室内定位方案。其中,基于超宽带(Ultra Wide Band,UWB)的室内定位继承了UWB抗干扰强,时间分辨率高等优点,可以构建稳定性好、精度高的室内定位系统。为了获得室内外全场景的位置服务,可以借助合适的室内外定位技术和多源融合定位技术,将卫星导航定位、无线室内定位以及其它辅助定位技术进行融合处理来实现室内、室外以及室内外过渡的高可靠高精度定位。本文主要对UWB室内定位、GNSS差分定位和惯性导航系统定位技术的融合方式和融合定位算法进行研究,具体内容如下:首先,本文介绍了定位技术研究背景与意义、各种定位技术和融合定位的研究现状以及各自的缺点。其中,针对UWB室内定位技术,详细分析了UWB的工作原理、噪声影响和UWB室内定位涉及到的测距原理和定位算法。针对GNSS室外定位技术,详细介绍了载波相位差分定位(Real time kinematic,RTK)技术原理和计算流程。针对惯性导航系统,详细的介绍了行人航迹推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)定位算法及其定位原理。然后,为了实现全场景高精度定位,本文设计了一套高精度室内外定位系统,将UWB室内定位、RTK室外定位和惯性导航定位集成在一起,详细介绍了该系统的硬件选型、电路设计和工作流程,再对该系统定位算法进行了研究。在UWB定位中运用天牛须搜索算法将三维定位的非线性方程组求解问题转化为最优化问题,在PDR定位中采用基于时间周期性的峰值检测法减少伪波峰对步态检测的干扰和自适应步长估计算法提高步长估计精度。实际场景下进行测试,结果表明本文的独立优化算法可将UWB定位误差在无遮挡和有遮挡情况下分别降低至9.65cm和16.65cm,可将PDR定位误差在起始段时间内保持在20cm以内。最后,针对非视距(Non-Line-of-Sight,NLOS)环境对室内外定位的影响,本文提出了一种融合定位算法。采用基于PDR航向角动态改变过程噪声Q值的偏移卡尔曼滤波法来识别信号传播情况,从而实现利用UWB或RTK定位修正PDR航向角累积误差,再将修正后的PDR定位同UWB或RTK定位结合,降低整个系统在NLOS场景下的定位误差。实验结果表明,该融合算法结合上述定位算法后,有效提升了整个系统在NLOS场景下定位精度。室内场景中,在NLOS场景下,相较于只使用UWB室内定位算法,融合定位算法精度提升了约68%,平均定位误差也降低达到了0.137米。在室外场景中,相较于只使用RTK室外定位,融合定位算法能很好地过渡NLOS区域,在NLOS区域中定位精度也保持在1米以内。
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