GNSS/UWB高精度室內外組合定位方法研究

王 寧，宋偉中，郭海松

（黃河科技學院，河南 鄭州 450063）

1 GNSS定位技術應用現狀與要點

GNSS定位技術是目前廣泛應用的一種定位技術，在現代生產生活中發揮的作用越來越受到人們的重視。由于GNSS技術本身的限制，其在精確定位等方面無法充分滿足人們的要求。

1.1 GNSS定位技術的發展現狀分析

GNSS是全球導航衛星系統定位的簡稱。全球導航衛星系統定位需利用一組衛星的偽距、星歷、衛星發射時間等觀測量，同時還必須利用用戶鐘差。全球導航衛星系統是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標、速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統。自從美國的GPS導航系統投入使用后，衛星導航系統的建設和研究一直是人們關注的重點之一。我國出于國家安全與人們需求方面的考慮，也正在進行北斗衛星導航系統的建設活動。但由于GPS導航系統應用經驗成熟，在民用市場中依然占有很大的份額。

GNSS就是利用全球導航衛星進行精確定位的一種技術。利用GNSS導航系統的衛星系統，可以測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據確定接收機的具體位置。

1.2 GNSS定位技術的應用要點分析

為實現GNSS定位技術的高效應用，需要注意如下三點。

首先，GNSS系統空間部分的準確度。應用過程中，GNSS系統需要用戶的位置能夠隨時觀測到4顆以上的衛星。因此，GNSS系統需要提供至少24顆軌道衛星，并沿著固定軌道進行運轉。由于衛星的建造、發射及運行等都需要大量的技術支持和資金投入。所以這部分系統一般由國家部門負責建設。為了滿足系統運行的需要，國家需要每隔一定的時間，對在軌衛星進行一次更換。

其次，地面控制系統也是需要重點注意的一部分。該系統是實現衛星信息的收集、星歷、相對距離的計算及大氣校正等工作的重要基礎，一般也有國家進行統一的規劃和管理。

最后，對GNSS定位技術影響最大的是用戶設備。用戶設備一般為GNSS信號接收機。該設備最主要的功能是捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，并對衛星的運行進行跟蹤。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后，就可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率，解調出衛星軌道參數等數據。這些數據是實現定位的重要基礎。

GNSS定位技術應用廣泛，且應用經驗比較成熟。但由于自身技術特點的限制，GNSS定位技術在室內的精確定位還存在一定的問題。

2 UWB技術應用現狀與特點

2.1 UWB技術的發展現狀分析

UWB技術是一種無載波通信技術，是超寬帶技術的簡稱。近年來，UWB技術的發展越來越受到人們的關注，UWB技術更被稱為是無線電領域的一次革命性進展，并被認為是未來短距離無線通信的主流技術。目前，國外已經突破UWB技術傳統的近距離高速數據傳輸應用限制，開始利用其亞納秒級超窄脈沖來做近距離精確室內定位。為了進一步提高UWB技術的實用性，人們正在推動G赫茲級頻譜的應用[1]。

2.2 UWB技術的應用特點分析

目前，UWB技術表現出的應用特點具體如下。

（1）系統結構與傳統的通信系統相比更加簡單。傳統的通信技術需要大量的技術設備的支持，而UWB技術則不需要這些技術設備。兩者最大的區別在于UWB技術不用通過載波的變化等進行信息傳輸，主要通過發送納秒級脈沖來傳輸數據信號。

（2）UWB技術的數據傳輸速率更高。為了進一步提高技術的數據傳輸速率，UWB技術采用了比較寬的頻率帶寬。UWB技術不需要單獨占用已經擁擠不堪的頻帶資源。經過優化的UWB技術可以提供高達500 Mb/s的數據傳輸速率。

（3）安全性強。由于UWB技術采用了納秒級脈沖進行信息數據的傳輸，所以抗干擾能力更強。UWB技術的安全性比傳統的通信技術更高。

（4）定位準確。UWB技術憑借著納秒級脈沖的傳輸特點，在室內的高精度定位方面有更好的表現。

此外，UWB技術還具有多徑分辨能力強、建設使用成本低等特點。由于UWB技術的優越性，實現GNSS/UWB技術的組合應用，可以有效地推動現有定位技術的發展。

3 GNSS/UWB高精度室內外組合定位的關鍵技術分析

3.1 GNSS定位技術與UWB技術的相結合

GNSS定位技術目前在室內精確定位中的應用受到了很大的限制。分析工作原理可知，GNSS定位技術需要對導航衛星的信號進行分析和處理。在此過程中，信號的強弱與接收有效性等都直接關系到精確定位的效果。室內干擾大，用戶設備一般很難獲取到高質量的衛星信號，因此經常發生在復雜室內環境或者隧道中丟失GNSS定位信號的現象。

由于自身主要依靠納秒級脈沖進行信號傳輸，UWB技術可以很好地克服GNSS定位技術在室內應用受限的問題。利用UWB技術作為GNSS定位的補償，實現室內精確定位的研究越來越受到人們的關注。

3.2 GNSS/UWB高精度室內外組合定位的關鍵要點

UWB技術可以很好地彌補GNSS定位技術在定位精度等方面的缺陷。但由于兩者在應用過程中有一定的區別性，要實現高精度室內外組合定位，還需要注意其方法。

組合應用的過程中，應當充分發揮兩者的長處。GNSS定位技術憑借著環繞地球的導航衛星，可以實現大范圍的實時性定位。UWB技術在應用過程中，則容易受到信號傳輸距離有限的困擾。因此，在GNSS/UWB高精度室內外組合定位的過程中，在室外的定位應當主要依靠GNSS定位技術得以實現。GNSS覆蓋的范圍大，響應速度快，可以充分滿足人們的要求。復雜環境下，則依靠UWB技術進行精度彌補，確保定位準確性。

GNSS定位技術和UWB技術在工作的過程中有不同的工作模式，需要相應的數據接口進行信息傳輸。為了實現兩者的融合工作，需要在工作平臺上建設可擴展的數據融合定位接口。該平臺的接口需要能夠兼容多種定位信息，并進行相應的處理工作。

4 GNSS/UWB組合室內定位技術的應用方法

為了推動GNSS/UWB高精度室內外組合定位技術的發展和應用，需要對GNSS/UWB高精度室內外組合定位的系統模型建立方法進行研究。

系統模型建立是實現信息有效處理的重要基礎。特別是要實現室內外的高精度定位，將運動信息轉換為相應的空間信息是工作重點。因此，建立了一種高時效性的系統模型，以進一步提高定位的精確度。

建立GNSS/UWB高精度室內外組合定位系統模型的過程中，應明確GNSS定位技術為應用主體，以充分發揮GNSS定位技術的大覆蓋范圍、操作便捷的優點；UWB技術則做為補償技術。此外，系統模型設計的過程中，應該充分考慮兩者的運行兼容度，提高兩者共同工作的穩定性。

5 結 論

GNSS/UWB高精度室內外組合定位技術的應用對未來社會的發展有著重要的意義。本文分析了GNSS定位技術和UWB技術的發展現狀及其技術特點。同時，本文對GNSS/UWB高精度室內外組合定位的關鍵要點進行了探討，并對系統模型建立方法和應用要點進行了研究。